Описания катодного слоя тлеющего разряда с помощью законов Чайльда-Ленгмюра в углекислом газе

Описания катодного слоя тлеющего разряда с помощью законов Чайльда-Ленгмюра в углекислом газе

Опис катодного шару тліючого розряду за допомогою законів Чайлда-Ленгмюра в вуглекислому газі

(науковий керівник – проф. Лісовський В. А.)

Тлеющий разряд постоянного тока в СО2 широко используется для накачки углекислотных газоразрядных лазеров. В последние годы наблюдается растущий интерес к плазменной конверсии парниковых газов, основным из которых является CO2. Кроме того, СО2 входит в состав различных атмосфер на планетах Солнечной системы и спутников. В литературе рассматривается возможность использования CO2 в качестве топлива для космических двигателей из-за его наличия в различных космических средах.

Целью работы было выяснить, какой из законов Чайльда-Ленгмюра [1–7] (бесстолкновительный, а также два столкновительных – с постоянными длиной свободного пробега и подвижностью положительных ионов) могут применяться для описания катодного слоя в CO2.

Эксперименты проводились в коротких трубках, в которых разряд состоял только из катодного слоя и небольшой части отрицательного свечения. Благодаря этому падение напряжения на катодном слое было примерно равно разности потенциалов между электродами, которая может быть легко измерена. Диапазон давлений газа составлял от 0,05 до 1 Торр

Все три закона Чайльда-Ленгмюра можно записать в общем виде

,

где I = J×S - разрядный ток, S – площадь катода. Отметим, что показатели степени m и n в этих законах различны.

В данной работе одновременно были измерены разрядный ток I, падение напряжения на катодном слое U и толщина катодного слоя d для различных фиксированных значений давления углекислого газа. Далее с помощью полученных результатов были построены зависимости тока I от отношения Um/dn. Если для одной из пар показателей степени m и n зависимость I(Um/dn) будет хорошо описываться прямой линией, проведенной из начала координат, то тот закон Чайльда-Ленгмюра, которому соответствует данная пара m и n, является пригодным для описания катодного слоя тлеющего разряда.

В результате получено, что во всем исследованном нами диапазоне разрядных условий характеристики катодного слоя подчиняются только закону Чайльда-Ленгмюра с постоянной подвижностью ионов.

Список літератури:

1.  Langmuir I. The Interaction of Electron and Positive Ion Space Charges in Cathode Sheaths // Phys. Rev. – 1929. – Vol.33, No.6. – p. 954–989.

2.  Lisovskiy V. A. Applicability of Child–Langmuir collision laws for describing a dc cathode sheath in N2O/ V. A. Lisovskiy, E. P. Artushenko, V. D. Yegorenkov // J. Plasma Physics – 2014. – vol. 80. – part 3, p. 319–327.

3.  Lisovskiy V. Validating the collision-dominated Child–Langmuir law for a dc discharge cathode sheath in an undergraduate laboratory/ V. Lisovskiy, V. Yegorenkov // Eur. J. Phys. – 2009. – Vol. 30, No. 6. – p. 1345–1351.

4.  Lisovskiy V. A. The Child-Langmuir collision laws for the cathode sheath of glow discharge in nitrogen/ V. A. Lisovskiy, V. A. Derevianko, V. D. Yegorenkov // Vacuum – 2014. – vol.103, p. 49–56.

5.  Child C. D. Discharge From Hot CaO // Phys. Rev. – 1911. – Vol. 32, No.5. – p. 492511.

6.  Budtz-Jorgensen C. V. Energy spectra of particles bombarding the cathode in glow discharges/ C. V. Budtz-Jorgensen, J. Bottiger, P. Kringhoj // Vacuum – 2000. – Vol. 56. – p. 9–13.

7.  Райзер газового разряда. – М.: Наука. – 1987. – 592 c.