Descarga de arco con cátodo calentado

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Una descarga de arco con un cátodo calentado es una descarga de arco  no autosostenida , en la que la fuente principal de electrones es la emisión termoiónica , para lo cual el cátodo se calienta artificialmente desde un dispositivo auxiliar. Los electrones emitidos por el cátodo calentado contribuyen a la iniciación y combustión de la descarga. [1] Casi todo el voltaje entre sus electrodos cae en la región cercana al ánodo, y el resto del espacio de la cámara está lleno de un plasma luminoso homogéneo , que tiene casi el potencial del ánodo. Una descarga de arco de este tipo permite obtener un plasma de descarga gaseosa homogéneo de alta densidad en volúmenes de hasta varios metros cúbicos. Tenga en cuenta que esta descarga es una fuente de plasma que no está en equilibrio, es decir, la temperatura de los electrones es de decenas de miles de grados, mientras que la temperatura de los iones y los átomos neutros permanece a temperatura ambiente.

Diagrama de cableado

Mecanismo

Los electrones emitidos por el cátodo calentado salen volando de la delgada capa del cátodo casi a la misma velocidad e ionizan el gas, formando un plasma que llena el resto del volumen. La ionización se realiza mediante golpes directos y escalonados. El plasma interactúa con la capa de cátodo de tal manera que entran en la capa tantos iones del plasma como sea necesario para mantener un régimen de descarga estacionario.

En el cátodo de cualquier arco, ocurren procesos típicos que proporcionan una gran corriente de descarga. En un arco con un cátodo calentado, el proceso más importante es la dispersión por iones positivos de una carga espacial negativa generada cerca del cátodo por termoelectrones.

En los dispositivos que utilizan una descarga de arco, las dimensiones lineales de los electrodos, el espacio de descarga y el recipiente suelen ser del mismo orden, por lo que no se desarrolla una columna positiva. Por lo tanto, es razonable suponer que el arco se construye a partir de dos formas de descarga más simples que interactúan: capas delgadas que cubren las paredes del tubo y los electrodos, y plasma que llena el resto del volumen de descarga.

En la capa que recubre el electrodo, surge un fuerte campo eléctrico debido a la acción de cargas espaciales no compensadas, que apantallan la perturbación introducida en el plasma por el electrodo. Esta perturbación no se extiende más allá del espesor de la capa del cátodo.La distribución del potencial φ y el campo E en la capa se calcula utilizando la ecuación de Poisson :

,

Donde y  es la concentración de electrones e iones. Dependiendo de la naturaleza de la capa, es posible tanto para , como para . En general, el plasma es casi neutro y el gradiente de potencial en él es mucho más pequeño que el campo promedio en la capa.

Los fenómenos que ocurren cerca del cátodo dependen significativamente de la magnitud de la corriente de descarga en comparación con la corriente de emisión (corriente de saturación), que a una temperatura constante puede crear un cátodo sin la influencia de un campo externo.

El modo de funcionamiento del cátodo se denomina libre si la corriente de descarga no supera la corriente de emisión, y no libre cuando lo hace.

En modo libre, la emisividad del cátodo no se utiliza por completo. Esto se explica por el hecho de que cerca del cátodo, el potencial pasa a través de un mínimo, que tiene un valor más bajo que el potencial del cátodo, razón por la cual algunos de los electrones que salen del cátodo a velocidades suficientemente bajas no pueden atravesar el mínimo potencial en el plasma y regresa al cátodo. El campo eléctrico en la vaina del cátodo se desvanece dos veces: en el mínimo potencial (punto A) y en el límite de la vaina con el plasma (punto B). Así, el cálculo de la vaina del cátodo en modo libre se reduce a integrar la ecuación de Poisson para potenciales dados del cátodo, la frontera del plasma y las condiciones de frontera , .

En el caso límite, cuando la corriente de descarga es igual a la corriente de emisión, el campo eléctrico no promueve, pero no previene, el escape de electrones del cátodo, el potencial mínimo desaparece, el campo se desvanece en la superficie del cátodo, y todo los electrones emitidos por el cátodo pasan al plasma.

En el modo no libre, la corriente de descarga puede exceder la corriente de emisión varias veces. Esta circunstancia lleva a suponer que en este caso entran en juego fenómenos como el calentamiento del cátodo, el efecto Schottky y la eyección de electrones por iones positivos.

La caída de potencial del cátodo es algo mayor que en el caso del modo libre, no hay un mínimo de potencial cerca del cátodo y el campo eléctrico se desvanece en la cubierta del cátodo solo en el límite con el plasma.

Característica de voltios-amperios

Manifestaciones externas, el mecanismo de descarga depende en gran medida de las condiciones de su existencia: presión y pureza del gas, intensidad de la corriente, forma del globo, resistencia en el circuito externo, etc. Consideremos la característica corriente-voltaje del arco a una presión > 0,1 mm Hg.

Toda la característica se puede dividir en varias partes correspondientes a diferentes corrientes.

En la región de corriente 1, el voltaje del arco está por debajo del potencial de ionización y se produce una descarga puramente electrónica en el gas (con colisiones elásticas).

Cuando el voltaje del arco excede el potencial de ionización, la corriente de descarga aumenta bruscamente (región 2) y el voltaje del arco cambia muy poco. La mayoría de las colisiones ionizantes directas ocurren en un gas.

Con un mayor aumento en la corriente (región 3), el voltaje del arco disminuye bruscamente. Aquí, se produce una ionización gradual notable, debido a que aumenta la capacidad ionizante de cada electrón.

En la cuarta región, el voltaje del arco depende muy débilmente de la magnitud de la corriente de descarga, permaneciendo casi sin cambios.

Con un aumento adicional en la corriente en la quinta región, el voltaje aumenta y en la sexta región la descarga se vuelve autosostenida.

En las áreas 3 y 6, el arco tiene una característica descendente y su resistencia es negativa . En la tercera región, a presiones desde 0,3 mm Hg. Arte. y por encima, a veces se observan relajación, oscilaciones no sinusoidales del voltaje del arco.

A presiones más bajas, estas oscilaciones no ocurren, pero aparecen oscilaciones de plasma de mayor frecuencia (Hz), que también ocurren en la región 4, donde su intensidad disminuye a medida que se acerca a la corriente de emisión Iem.

Si bajamos gradualmente la temperatura T del cátodo y por lo tanto reducimos la corriente de emisión, manteniendo la presión del gas sin cambios, entonces la región 4 disminuirá y se moverá hacia arriba a lo largo de la característica (en la Figura ).

Aplicación

Una descarga de arco no autosostenida con un cátodo calentado se usa para el tratamiento superficial de productos: limpieza con plasma, grabado , activación , etc. [2] En el pasado, una descarga de arco con un cátodo calentado se usaba mucho en alta potencia. Dispositivos electrónicos de descarga de gases: tiratrones , ignitrones , gastrones .

Notas

  1. ↑ Universidad Estatal de Petrozavodsk . Encendido de una descarga de arco con un cátodo calentado . Recuperado: 2 de diciembre de 2011.
  2. ↑ Instituto de Electrónica de Alta Corriente SB RAS . Fuente de plasma con cátodo calentado . Consultado el 27 de noviembre de 2011. Archivado desde el original el 16 de diciembre de 2013.

Véase también

Literatura