Устройства с тлеющим разрядом

Существует много разновидностей тлеющего разряда, отличающихся конфигу­рацией электродов, приложенным напряжением, параметрами газа, наличием или отсутствием магнитного поля и т. п. Их подробное описание выходит за рамки объе­ма данного пособия, но тем не менее некоторые из них заслуживают хотя бы краткого упоминания. В данном разделе мы сделаем это на примере ряда промышленных и лабораторных устройств.

Если длина разрядной трубки оказывается меньше, чем толщина катодного слоя c?q нормального тлеющего разряда при данном давлении газа, то для поддержания самостоятельного разряда к электродам требуется приложить более высокое напря­жение. Такой разряд соответствует левой ветви кривой Пашена и называется затруд­ненным тлеющим разрядом. Катодное падение в таком разряде выше, чем обыч­ная минимальная пашеновская величина. Плотность электронов также существенно больше, что полезно для многих промышленных приложений.

На рис. 10.9, а показан плазменный реактор с параллельными электродами, в котором используются особенности затрудненного разряда. Сравнивая распределе­ние потенциала с соответствующим распределением в нормальном тлеющем разря­де (рис. 10.9, б), видно, что в затрудненном разряде отсутствует фарадеево темное пространство, а квазинейтральная плазма существует в области отрицательного све­чения. Можно заключить, что в реакторе с затрудненным разрядом можно сфор­мировать более высокоэнергичный поток ионов на катод, что существенно при им­плантации ионов или ионном травлении поверхностей. Можно заметить, кроме

Рис. 10.9. Плазменный реактор с параллельными плоскими электродами, работающий в режиме затрудненного тлеющего разряда постоянного тока (а) и в режиме нормального тлеющего разряда (б)

Рассмотрим теперь имеющую большое практи­ческое значение конфигурацию нормального тле­ющего разряда с полым катодом. Эта конфигура­ция возникла из идеи максимального сохранения заряженных частиц и фотонов в прикатодной обла­сти для повышения вторичной электронной эмис­сии с катода. Простейшим способом этого можно добиться, например, поместив два катода друг на­против друга и расположив анод в стороне между ними. Катоды сближают до расстояния, при ко­тором области отрицательного свечения их катод­ных слоев перекрываются. Признаком повышения плотности и энергии частиц в катодном простран­стве является появление интенсивного свечения из этой области. Такой разряд используется, в частно­сти, как световой источник с яркими спектральны­ми линиями, отвечающими соответствующему га­зу.

На практике, например в неоновых трубках, ча­ще используют катод в виде полого цилиндра с диаметром, примерно равным тол­щине катодного слоя. В более сложных устройствах полый катод могут помещать в продольное магнитное поле или снабжать термоэмиссионным источником электро- нов. Во многих случаях через катодный цилиндр прокачивают рабочий газ. Плаз­менный источник на основе полого катода изображен на рис. 10.10. Плотная плазма, образующаяся в полом катоде, эмитирует электроны вдоль силовых линий слабого расходящегося магнитного поля и поддерживает разряд в цилиндрической камере. Другие конструкции полых катодов и устройства на основе разрядов с полым като­дом описаны, в частности, в монографиях [5,49].

Рис. 10.12. Плазма тлеющего разряда в магнетроне с параллельными электро­дами

Рис. 10.11. Геометрия классического пеннинговского разряда с однородным маг­нитным полем и электростатическим за­хватом электронов

Другим разрядом типа тлеющего является пеннинговский разряд, который в клас­сической конфигурации имеет два катода и расположенный между ними полый анод (рис. 10.11), помещенные в продольное магнитное поле ] ГI < В <, УТл. Напряже­ние на аноде обычно составляет ЦО< V^ < ОкВ. Давление газа в источнике лежит между О < р < О "~^у Тор и длина ионизационного пробега электронов значительно больше длины разряда, однако благодаря замагниченности они циркулируют в зоне разряда, отражаясь от катодов, и эффективно ионизуют разреженный газ. Благо­даря этому пеннинговский разряд горит при существенно более низких давлениях, чем другие самостоятельные разряды. Магнитное поле в источнике достаточно ве­лико, чтобы удержать ионы, поэтому на его основе работают пеннинговские ионные источники, используемые обычно в ускорительной технике.

Имеется большое разнообразие практических конфигураций пеннинговского раз­ряда. Как анод, так и катоды могут изготавливаться в виде колец, что позволяет про­качивать вдоль трубки газ или извлекать из нее ионы. Магнитное поле может быть сформировано в конфигурации ловушки с магнитными зеркалами (называемой в ис­следованиях по управляемому термоядерному синтезу "пробкотроном"). Существует вариант пеннинговского разряда, зажигаемого между двумя катодами, помещенны­ми в длинном коробчатом аноде с прямоугольным отверстием в широкой боковой стенке, через которое с помощью системы внешних электродов экстрагируется ион­ный пучок большой апертуры.

Среди других видов плазменных источников упомянем еще магнетронный плаз­менный источник. Одна из возможных конфигураций магнетронного источника по­казана на рис. 10.12. Если между параллельными пластинами приложить несколь­ко сот вольт, то формируется тлеющий разряд с плазмой отрицательного свечения, захваченной в магнитной ловушке, расположенной в кольцевой зоне над катодом между полюсами магнита. Между отрицательным свечением и анодом образуется также кольцевой положительный столб, который, однако, может быть практически темным. Магнитное поля достаточно слабое и удерживает только электроны. По­скольку между отрицательным свечением и катодом возникает сильное электриче­ское поле, то ионы ускоряются катодным падением в сторону катода, где помещается обрабатываемый образец.

Свойства плазмы излучать электромагнитные волны ультрафиолетового диапазона используются в современных телевизорах с плоским плазменным экраном. Ионизация плазмы в плоском экране происходит в газовом разряде. Разряд возникает при бомбардировке молекул газа электронами, ускоренными электрическим полем - самостоятельный разряд. Разряд поддерживается достаточно высоким электрическим потенциалом – десятки и сотни вольт. Наиболее распространенным газовым наполнением плазменных дисплеев является смесь инертных газов на основе гелия или неона с добавлением ксенона.

Экран плоского телевизора или дисплея на газоразрядных элементах составлен из большого числа ячеек, каждая из которых - самостоятельный излучающий элемент. На рисунке 8.14 показана конструкция плазменной ячейки, состоящей из люминофора 1, электродов 2, инициирующих плазму 5, слоя диэлектрика (MgO) 3, стекла 4, адресного электрода 6. Адресный электрод вместе с основной функцией проводника, выполняет функцию зеркала, отражающего половину света, излучаемого люминофором, в сторону зрителя.

Срок службы такого плазменного экрана 30 тыс. часов.