 |
 |
 |
 |
ударениях, вследствие чего температура электронного газа повышается. По мере «нагрева» увеличивается доля быстрых электронов, которые могут возбуждать и ионизировать атомы и таким путем передавать энергию от электронов к атомам.
При НД и сравнительно невысоких плотностях электронов обратный процесс передачи энергии от возбужденных атомов к электронам за счет ударов П рода незначителен. Поэтому с повышением температуры электронов все большую роль играет передача энергии от электронов к атомам при неупругих возбуждающих соударениях, которая уносится из столба разряда НД в основном в виде резонансного излучения. В особо благоприятных случаях выход резонансного излучения может достигать 80 и даже 90% подводимой к столбу электрической мощности.
Средняя энергия электронов будет повышаться до тех пор, пока энергия, которую электроны получают от внешнего поля, не станет равной энергии, которую они передают атомам газа в результате различных соударений, при этом, как показывают эксперименты и расчеты, температура электронов в столбе разрядов НД достигает 1-10* К и более.
При соударениях ионов с атомами благодаря равенству их масс происходит почти полный обмен энергиями, и, таким образом, весь запас энергии, получаемый ионами при ускорении в электрическом поле, передается нейтральным атомам, вызывая нагревание газа. Средняя энергия ионов лишь незначительно превышает энергию атомов.
Основным процессом, вызывающим возбуждение и ионизацию атомов при НД газа или пара, являются неупругие соударения быстрых электронов с атомами. Соударения ионов с атомами и атомов между собой при низких температурах газа малоэффективны.
В разрядах НД и при сравнительно невысоких плотностях тока рекомбинация электронов и ионов происходит в основном на стенках колбы. Вероятность рекомбинации в объеме при тройном соударении (ион плюс два электрона) значительно меньше. Поэтому концентрация заряженных частиц имеет наибольшую величину на оси и убывает к стенкам, куда они попадают в результате диффузии.
Электроны, имеющие значительно более высокую подвижность, чем ионы (средние скорости хаотического движения электронов из-за малой массы и большей температуры на три порядка больше, чем у ионов), диффундируют к стенке трубки быстрее и заряжают ее отрицательно. Отрицательный заряд стенок тормозит движение новых электронов и ускоряет движение положительных ионов. В результате скорость диффузии электронов к стенке уменьшается, а ионов увеличивается до тех пор, пока потоки поступающих на стенку электронов и ионов становятся равными друг другу (биполярная диффузия).
На границах столба квазинеитральность нарушается. Избыток отрицательного заряда на стенке вызывает поляризацию прилегающих участков плазмы, в результате чего у стенки образуется так называемый двойной заряженный слой, который в значительной мере экранирует действие отрицательного заряда стенки на остальную часть столба за пределами этого слоя. Аналогичные слои образуются на границе столба и анода и столба и катодных частей разряда.
Под действием электрического поля на беспорядочное движение заряженных частиц накладывается медленное перемещение всего электронного газа в сторону анода, а ионов-в сторону катода. Этот дрейф и создает электрический ток. Благодаря значительно большей подвижности электронов по сравнению с ионами ток создается в основном за счет дрейфа электронов. Ионный ток составляет сотые доли электронного. Но положительные ионы играют весьма важную роль, компенсируя объемный заряд. Без этого не удалось бы получать в столбе разряда высокие концентрации электронов.
Продольный градиент потенциала в стационарных условиях устанавливается такой величины, при которой число пар зарядов, образующихся в единицу времени на единицу длины столба, равно числу рекомбинаций на стенках.
Такова в общих чертах физическая картина явлений в столбе разрядов НД.
В следующих параграфах рассмотрены основы количественного расчета излучения столба через его электро- и газокинетические характеристики и теории столба разрядов НД.
3.2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЯ
Расчет при отсутствии вторичных процессов. Как показал В. А. Фабрикант [0.7], при малых давлениях газа и плотностях тока, когда не играют заметной роли вторичные процессы, картина возбуждения атомов и излучения особенно проста. Быстрые электроны с энергией, большей или равной 11, возбуждают атомы, которые, возвращаясь в состояние с меньшей энергией, излучают фотоны. В этом случае число актов возбуждения равно числу актов излучения и задача сводится к подсчету числа актов возбуждения.
Поток резонансного излучения. Рассмотрим однородный столб с цилиндрической симметрией, длина которого значительно больше диаметра. Удельный поток резонансного излучения, выходящий с единицы длины столба, равен:
®lpe3 = Vp,3
Zoiir)2nrdr. (3.1)
где /ivpes - энергия фотона; Zoi(/-) - число соударений, приводящих к возбуждению атомов до резонансного уровня в 1 с в единице объема на расстоянии г от оси.
В принятых обозначениях (см. § 2.4) г=. ппр.й\. Поэтому
Ф1рез = рез j ППеахЧшйг. (3.2)
Как показано в § 2.4,
х;,= г (JJ) YTTfe (V) dU. (3.3)
Рассмотрим определение этого интеграла.
Графический метод определения, несмотря на свою наглядность и большую точность, затрудняет анализ влияния различных факторов на излучение. Поэтому для получения количественных выводов общего характера и их анализа удобнее пользоваться аналитическими выражениями для и fe{U). Подставив в (3.3) выражение для дои например, из (2.20) и функцию Максвелла для /ем, после интегрирования получим:
1.83.1GV™..(?.. и,и иах)еЩ-{еикТ,)], ЦЗА)
if/ g N3/2 (а7„, + 2) . 3 5j
G=:----f - . (3.6)
Bee величины в формуле (3.4) выражены в системе СИ, Те - в К, и - в В. Зависимость aoi от Те и f/oi в первом приближении определяется экспоненциальным членом ехр[-(eL/oi/Ге) J, и поэтому такая же резкая зависимость от этих величин наблюдается и у потока излучения.
Примем в качестве первого приближения, что в разрядах НД практически по всему сечению разряда fe остается одной и той же при данных условиях разряда. Это означает, что «и не зависит от радиуса. Точно так же при НД и малых плотностях тока с достаточной для практики точностью можно принять, что нагрев газа, в объеме незначителен и щ не зависит от г. Тогда, вынося «01 и По за знак интеграла, получаем
"тр
Ф1рез = Нез«01«0 J «еЗЙГ. (3.7)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [ 20 ] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239