Plasma Physics
Department
КУРС ЛЕКЦИЙ: Физика низкотемпературной
плазмы
Лекция № 9 Самостоятельные разряды: Дуга
Автор: доц. Крашевская Г.В.
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ
Вольт амперная характеристика газового 
разряда
Page 2
Определение
Дуга – это самоподдерживающийся разряд ( искл. вакуумная дуга с накаленным катодом), в котором катодное падение порядка потенциала ионизации
В этом случае механизм эмиссии не требует размножения электронов вблизи катода, т.е. эмиссия с катода велика и создает 
ток порядка ионного!!! 
Механизмы эмиссии в дуге:
Авто эмиссия
Термо-авто эмиссия
Термоэлектронная взрывная эмиссия
На холодном катоде – необходимо обеспечить условия самоподдержания разряда => Катодное пятно - локальное повышение плотности тока
>1000А/кв.см
Page 3
Классификация дуг
По состоянию катода
Термо- эмиссионная
Катод косвенного накала
Катод прямого накала 
С холодным катодом
Ток через катодные пятна
По давлению
Вакуумная дуга (горит на парах материала катода)
Дуга низкого давления (столб сходен по структуре со столбом тлеющего разряда)
Дуга высокого давления р > 0,1 атм
Дуга сверх высокого давления р > 10 атм. (80- 90% энергии в столбе переходит в излучение)
Page 4
Стабилизированные дуги
Дуги стабилизируемые стенками (Дуга Мэккера) |
Дуги стабилизируемые |
|
вращающимся потоком |
||
|
||
|
водяного пара (Дуга Гердиена) |
Page 5
Характеристики дуги
1) Катодное падение
Порядка потенциала ионизации газа
2) Большая плотность тока
в газе до 100А/кв.см
На электроде до 10 МА/кв.см
3) Высокая температура в газе в проводящем канале (не всегда)
При высоких давлениях T = 5000-50000ºC
При низких давлениях T= Tг
Области дуги
Катодный слойПроводящий столбАнодный слой
Page 6
Катодный слой (дуга с горячим катодом)
Катодный слой – создает условия для самоподдержания тока дуги
Дуговой разряд |
Тлеющий разряд |
ВЭ и ТЭ эмиссия |
ВИЭ эмиссия |
- доля электронов в полном токе, сколько |
|
электронов на ион выделяется на катоде |
|
- кол-во электронов на одни ион
В катодном слое дуги нет размножения электронов !!!
Ионы берутся из |
На катодном слое должна |
квазинейтрального слоя |
набираться энергия ионизации |
прилегающему к катоду |
|
Особенность структуры катодного слоя определяется большой величиной плотности тока на катод!!! 
Page 7
Структура катодного слоя (теория Маккоуна)
Uк |
|
Плотности электронного и ионного токов |
|
|
|||
|
|||
|
|
|
|
Все напряжение падает на катодном слое 
Катодный слой бесстолкновительный
- текущий потенциал
Запишем уравнение Пуассона
Замечаем, что
Page 8
Структура катодного слоя (теория Маккоуна)
Поле в плазме будем считать равным нулю
Граничные условия:
- на катоде
- на границе плазмы
Напряженность поля на катоде – параметр (условие) эмиссии
Можно в этом выражении пренебречь членом
- Атомная масса иона
Page 9
Структура катодного слоя
Нужно получить величину катодного слоя
Проинтегрируем дважды выражение
Характерные параметры дуги с горячим катодом в азоте N2
Page 10