Том 39, номер 04, статья № 11

Аннотация:

Газовый разряд представляет собой эффективный преобразователь электрической энергии в оптическое излучение. Механизмы развития тока и количественный вклад процессов размножения и эмиссии электронов остаются неопределенными даже в простейшем разряде – аномальном тлеющем. В работе были исследованы вольт-амперные характеристики и распределение напряжения в области катодного падения потенциала в разряде постоянного тока в гелии в диапазонах давлений 3,5–9 торр и напряжений 200–1700 В. Продемонстрирован немонотонный характер вольт-амперных характеристик при работе в условиях минимизации контролируемых и неконтролируемых примесей. Показано, что при вкладываемых в разряд мощностях свыше 3,5 Вт наблюдается нарушение асимптотического приближения длины катодного падения потенциала к значению 0,37 от нормальной длины, что связано с изменением концентрации частиц в прикатодной области. Полученный эмпирический закон позволил уточнить известные аппроксимации изменения температуры и концентрации частиц от вкладываемой в разряд мощности, что актуально для описания кинетики процессов в высоковольтных газовых разрядах, используемых в качестве источника оптического излучения.

Ключевые слова:

discharge, current-voltage characteristics, cathode potential drop, length, probe measurement, pure conditions, helium, cathode sheath, Townsend coefficient

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Sosnin E.A., Sorokin D.A. Sovremennye istochniki vakuumnogo ul'trafioletovogo izlucheniya: sostoyanie i perspektivy (obzor) // Uspekhi prikl. fiz. 2024. V. 12, N 2. P. 159–177. DOI: 10.51368/2307-4469-2024-12-2-159-177.
2. Brandenburg R., Becker K.H., Weltmann K.D. Barrier discharges in science and technology since 2003: A tribute and update // Plasma Chem. Plasma Process. 2023. V. 43, N 6. P. 1303–1334. DOI: 10.1007/s11090-023-10364-5.
3. Nijdam S., Desai K.V., Park S.-J., Sun P.P., Sakai O., Lister G., Eden J.G. Foundations of plasma photonics: Lamps, lasers, and electromagnetic devices // Plasma Sour. Sci. Technol. 2023. V. 31, N 12. A. 123001. DOI: 10.1088/1361-6595/ac8448.
4. Pogorelsky I.V., Polyanskiy M.N. Harnessing ultra-intense long-wave infrared lasers: New frontiers in fundamental and applied research // Photonics. 2025. V. 12, N 3. A. 221. DOI: 10.3390/photonics12030221.
5. Tarasenko V. Runaway electrons in diffuse gas discharges // Plasma Sour. Sci. Technol. 2020. V. 29, N 3. A. 034001. DOI: 10.1088/1361-6595/ab5c57.
6. Gladyshev A.V., Komissarov D.G., Nefedov S.M., Kosolapov A.F., Velmiskin V.V., Mineev A.P. Gas-discharge He–Xe fiber laser // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2024. V. 30, N 6. P. 1–7. DOI: 10.1109/JSTQE.2024.3358628.
7. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. Hoboken, New Jersey: Wiley-Interscience, 2005. 800 p.
8. Raizer Yu.P. Fizika gazovogo razryada. 3-e izd., pererab. i dop. Dolgoprudnyi: Intellekt, 2009. 736 p.
9. Bokhan P.A., Gugin P.P., Lavrukhin M.A., Kim V.A., Shevchenko G.V., Zakrevsky D.E. Current-voltage characteristics and mechanisms of electron emission from cold cathodes in a helium discharge // Plasma Sour. Sci. Technol. 2022. V. 31, N 12. A. 125009. DOI: 10.1088/1361-6595/acaac6.
10. Bokhan P.A., Gugin P.P., Lavrukhin M.A., Shevchenko G.V., Zakrevsky D.E. Investigation of the properties of glow discharge in helium under spectroscopically pure conditions // Phys. Plasmas. 2025. V. 32, N 6. A. 063505. DOI: 10.1063/5.0269585.
11. Zarubin I.A., Labusov V.A., Babin S.A. Characteristics of compact spectrometers with diffraction gratings of different types // Inorg. Mat. 2020. V. 56, N 14. P. 1436–1440. DOI: 10.1134/S0020168520140162.
12. Bokhan P.A., Gugin P.P., Zakrevskii D.E., Shevchenko G.V. Vol'tampernye kharakteristiki i effektivnost' generatsii elektronnogo puchka v vysokovol'tnom anomal'nom tleyushchem razryade // PJTF. 2024. V. 50, N 22. P. 3–6. DOI: 10.61011/PJTF.2024.22.59126.20045.
13. Klimenko K.A., Korolev Yu.D. Impul'snyi ob"emnyi razryad v korotkikh mejelektrodnykh promejutkakh kak istochnik uskorennykh elektronov // Jurn. teor. fiz. 1990. V. 60, N 9. P. 138–142.
14. Güntherschulze A. Der Kathodenfall der Glimmentladung in Abhängigkeit von der Stromdichte bei Spannungen bis 3000 Volt // Z. Phys. 1930. V. 59, N 7. P. 433–445. DOI: 10.1007/BF01336952.
15. Von Engel A. Ionized Gases. Oxford: Clarendon Press, 1965. 281 p.
16. Kudryavtsev A.A., Smirnov A.S., Tsendin L.D. Fizika tleyushchego razryada: ucheb. posobie. SPb.: Lan', 2010. 512 p.
17. Den Hartog E.A., Doughty D.A., Lawler J.E. Laser optogalvanic and fluorescence studies of the cathode region of a glow discharge // Phys. Rev. A. 1988. V. 38, N 5. P. 2471–2491. DOI: 10.1103/PhysRevA. 38.2471.
18. Hartmann P., Matsuo H., Ohtsuka Y., Fukao M., Kando M., Donkó Z. Heavy-particle hybrid simulation of a high-voltage glow discharge in helium // Japan. J. Appl. Phys. 2003. V. 42, P. 1. N 6A. P. 3633–3640. DOI: 10.1143/JJAP.42.3633.
19. Bokhan A.P., Bokhan P.A., Zakrevsky D.E. Peculiarities of electron emission from the cathode in an abnormal glow discharge // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 86, N 15. A. 151503. DOI: 10.1063/1.1901819.
20. Kushner M.J., Warner B.E. Large-bore copper-vapor lasers: Kinetics and scaling issues // J. Appl. Phys. 1983. V. 54, N 6. P. 2970–2982. DOI: 10.1063/1.332499.