Д.В. Мухаева, Г.-Н.Б. Дандарон

В данной работе рассматривается распределение электрического поля в прикатодной области дугового разряда атмосферного давления. Распределение потенциала электрического поля определяет всю энергетическую ситуацию прикатодной области. Именно поэтому все физические модели прикатодной области и теоретические расчеты базируются или же начинаются с выяснения механизма установления электрического поля перед катодом. Построению общей теории катодного слоя уделялось много внимания, однако, экстремальные условия, реализующиеся в прикатодной зоне разряда, ограничивают возможность определить распределение потенциала электрического поля и исследовать процессы в области перед катодом. Поэтому на сегодняшний день, несмотря на интенсивное исследование, катодные процессы изучены недостаточно, а поведение потенциала так и не определено. Большинство моделей строится на предположении о том, что напряжение на катодном слое не должно превышать напряжение горения разряда. В данной работе представлены вниманию общие принципы таких моделей и некоторые трудности, возникающие при их использовании, а также высказано предположение о немонотонности распределения потенциала в катодном слое.

Зондовые измерения электрического поля были проведены вне прикатодной области дуги. Но они позволили выявить три основные зоны падения напряжения, что показало резкое изменение потенциала в приэлектродных зонах.

Впервые резкое изменение потенциала в катодном слое объяснили в своих работах Ленгмюр и Маккоун. Из-за различия в подвижности электронов и ионов перед катодом образуется нескомпенсированный объемный положительный заряд ионов и этот слой приводит к резкому изменению потенциала в прикатодной области. На основании этого в последствии прикатодную область сочли возможным представить в виде совокупности нескольких слоев. Обычно принимается модель прикатодной области, состоящей из двух слоев. В первом возникает избыточный положительный заряд, приводящий к появлению скачка потенциала у поверхности катода. Этот слой также называют также бесстолкновительным, так как его протяженность меньше длины свободного пробега. В ионизационном втором квазинейтральном слое в первую очередь происходят процессы ионизации, а также релаксация пучка эмиттированных электронов. Иногда ионизационный слой разделяют еще дополнительно на слои, что приводит к многослойным моделям, где пространственно разделены процессы ионизации, рекомбинации, максвеллизации и т.д. Более подробно о моделях прикатодной области в работах [1,2].

Это соотношение, которое определяет ток, ограниченный действием пространственного заряда, называют законом Чайлда-Ленгмюра, или законом “трех вторых”. В этом приближении исчезающий малый максимум потенциала совпадает с катодом.

Во всех этих моделях принято, что падение напряжения на катодном слое не превышает напряжение горения разряда и большинство моделей построено именно на основе этого предположения. Однако накопились данные, которые не поддаются объяснению в рамках таких моделей. Например, были зарегистрированы высокоэнергетичные ионы, движущиеся в сторону анода в вакуумной дуге [3,4,5]. Трудности и противоречия существуют и для дуг высокого давления. Принято считать, что в столбе дуги происходит термическая ионизация, а наиболее интенсивная ионизация происходит в катодном слое. Естественно предположить, что в катодном слое должна происходить ионизация электронным ударом. Но катодное падение мало по величине, порядка 10 вольт. Эмиссионные электроны не могут на данном промежутке приобрести энергию необходимую для ионизации. Это противоречие привело к мысли, что распределение потенциала в катодном слое дуги атмосферного давления носит немонотонный характер.

Впервые идея “горба” потенциала была высказана в [5] для описания механизма ускорения ионов в сторону анода. Долгое время эта точка зрения не получала должного признания. В отдельных работах механизм ускорения за счет распределения потенциала рассматривается как один из возможных, но авторы не отдают ему предпочтения в сравнении с другими. Не так давно в работе [6] была построена модель катодного слоя для вакуумной дуги с диффузионной привязкой на основе предположения, что распределение потенциала претерпевает максимум. Мы же выбрали направление основанное на том же предположении, но только для дуги атмосферного давления. Считаем данное направление очень актуальным и важным.