Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ТЁМНЫЙ РАЗРЯД

При малых (единицы - десятки вольт) напряжениях между электродами, когда ускорение электронов электрическим полем недостаточно для интенсивной ионизации молекул газа, наблюдается весьма слабый (например, 10 ^-15 А) ток электронов и ионов, возникающих под действием естественного "внешнего ионизатора" (радиация Земли, космические лучи, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения).

Если напряжение не обеспечивает сравнительно быстрый уход зарядов на электроды, некоторые электроны и ионы рекомбинируют между собой и не вносят вклад в электрический ток. Рост напряжения в этих условиях уменьшает вероятность рекомбинации и ведёт к увеличению тока. Эффект проявляется при очень малых напряжениях, а далее с ростом напряжения ток увеличивается слабо и определяется, в основном, интенсивностью внешнего ионизатора, которая может изменяться в пределах нескольких порядков. Увеличение скорости движения зарядов с ростом напряжения не увеличивает ток, т. к. потоки зарядов на электроды практически полностью определяются скоростью образования электронов и ионов, а не их движением.

С ростом напряжения электроны ускоряются сильнее и некоторые из них ионизируют молекулы газа. Образовавшиеся за счет этого "вторичные" электроны ускоряются и также участвуют в ионизации. В результате в сторону анода движется лавинообразный поток электронов (электронная лавина). Положительные ионы поступают на катод, нейтрализуются, а выделяющаяся при этом энергия, затраченная ранее на ионизацию, расходуется на эмиссию электронов. Эмиссию вызывают также ультрафиолетовые фотоны, которые появляются при возвращении молекул газа, возбужденных ударами электронов, в нормальное состояние. Эмиссия электронов под действием ионов и фотонов называется - процессом.

Выходящие из катода электроны инициируют новые лавины электронов, процесс многократно повторяется, и устанавливается ток, на много порядков превышающий ток внешнего ионизатора. Для плоских электродов он определяется соотношениями (2.1), (2.3) и (2.4). Из них следует, что с ростом напряжения ток резко увеличивается (переходит в микроамперный диапазон) в результате усиления ионизации и -процессов. Такое физическое явление называется "тёмным разрядом". Название определяется тем, что при малом токе интенсивность видимого излучения разряда низка, и глаз её не замечает.

Когда коэффициент ионизационного нарастания = 1 ( напомним, - число электронов, выходящих из катода за счет -процессов после завершения одной электронной лавины), возникает самостоятельный разряд, существующий независимо от действия внешнего ионизатора (см. лабораторную работу № 2). Разряд, возможный лишь при действии внешнего ионизатора, когда < 1, называется несамостоятельным. Условие > 1 соответствует росту тока во времени, для которого неприменимы формулы (2.2) и (2.3), характеризующие установившийся режим.

Переходу несамостоятельного разряда в самостоятельный соответствует почти горизонтальный участок ВАХ (рис. 1) в области малых токов (до десятков - сотен микроампер в зависимости от давления газа, межэлектродного расстояния и площади электродов). На этом участке ток резко возрастает при очень малом увеличении напряжения. Из уравнения (2.5) следует, что напряжение возникновения разряда (уровень горизонтального участка ВАХ) с ростом произведения p d на правой ветви КП увеличивается (кривая 2 на рис. 1 выше кривой 1), а также зависит от рода газа и материала катода [коэффициенты А, В и в соотношении (2.5)].

Участок ВАХ, соответствующий темному разряду, экспериментально фиксируется лишь при включении последовательно с промежутком резистора, ограничивающего ток в цепи. Механизм ограничения - небольшое снижение напряжения на промежутке при росте тока, обеспечивающее близкое к единице значение коэффициента ионизационного нарастания с небольшим (порядка тока внешнего ионизатора, т. е. 10^-15 - 10^-20) отклонением в сторону малых величин.

2. ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД

Этому виду разряда соответствует область между падающими участками ВАХ в миллиамперном диапазоне токов. Количество фотонов, генерируемых разрядом, здесь больше, что позволяет наблюдать свечение средней интенсивности, определившее название разряда. Наряду с электронными лавинами и -процессами в тлеющем разряде проявляется новый фактор - повышение потенциалов точек пространства между электродами под действием объемного заряда положительных ионов (рис. 2). Заряд становится существенным в результате значительного (на 3 порядка в сравнении с микроамперным диапазоном) увеличения тока.

В электронных лавинах ионы и электроны образуются в одинаковом количестве, однако ионный пространственный заряд много больше электронного. Такое положение определяется тем, что скорость движения ионов к катоду много меньше, чем электронов к аноду. В результате ионы накапливаются в объеме до перехода в установившийся режим, при котором потоки ионов на катод и электронов на анод равны числу ионизаций в промежутке в единицу времени. Электроны благодаря высокой скорости находятся в промежутке значительно меньшее время, чем ионы. Поэтому их пространственный заряд в сравнении с ионным пренебрежимо мал.

Потенциалы точек пространства повышаются тем больше, чем больше ток разряда и количество ионов. Однако при этом потенциалы не превышают потенциал анода. В противном случае электроны не смогли бы доходить до анода из-за тормозящего электрического поля. Как следствие, прикатодный участок графика распределения потенциала между электродами идёт значительно круче, чем в случае отсутствия пространственного заряда, а участок у анода расположен почти горизонтально (рис. 2). Почти все приложенное к промежутку напряжение сосредоточено в катодной области. Усиление объемного заряда с ростом тока проявляется в повышении потенциалов у катода и в сокращении протяжённости (ширины) области катодного падения потенциала ( d _к на рис. 2).

Перераспределение потенциала приводит к тому, что электронные лавины развиваются лишь на длине d _к, поскольку за её пределами напряженность поля близка к нулю, и ускорение электронов недостаточно для ионизации. Это позволяет считать, что уменьшение d _к с ростом тока эквивалентно сокращению межэлектродного расстояния d (сокращается протяжённость электронных лавин). На правой ветви кривой Пашена это ведет к снижению напряжения, обеспечивающего самовоспроизводство носителей тока. В результате на ВАХ появляется падающий участок (первый на рис. 1). Подобным образом объясняется и следующий далее возрастающий участок ВАХ: с увеличением тока значение d _к сокращается настолько, что произведение p d _к становится меньше величины ( p d ) _min на КП, и напряжение поддержания разряда растёт.

Между падающим и возрастающим участками ВАХ расположен сравнительно протяженный близкий к горизонтальному участок. Он соответствует "нормальному" тлеющему разряду и обусловлен интересной способностью разряда автоматически локализоваться на части поверхности катода. В начале участка площадь разряда (свечения) на катоде весьма мала, она увеличивается пропорционально току, а плотность тока не изменяется. В конце участка разряд занимает всю площадь катода. Постоянство плотности тока ("закон Геля") определяет неизменность напряжения на участке. Плотность тока разряд "выбирает" такой, чтобы величина произведения p d _к соответствовала минимуму кривой Пашена и напряжение поддержания разряда было минимальным. В этом режиме на поддержание разряда затрачивается наименьшая при данном токе мощность, что можно считать одной из причин локализации разряда.

С ростом давления газа площадь свечения на катоде автоматически уменьшается, плотность тока возрастает, величина d _к уменьшается, а произведение p d _к не изменяется. Как следствие, разряд по-прежнему расходует наименьшую мощность, а напряжение горения разряда (нормальное катодное падение потенциала ) не зависит от давления газа. Оно определяется лишь родом газа и материалом катода:

, ( 1)

где А и В - константы, характеризующие ионизацию газа электронами. Значения нормального катодного падения потенциала для ряда случаев представлены на с. 40. Плотность тока нормального тлеющего разряда (нормальная плотность тока ) определяется следующим соотношением:

, (2)

где - подвижность ионов (см. с. 39), а - диэлектрическая проницаемость вакуума. Поскольку подвижность обратно пропорциональна давлению газа, соотношение ( 2) можно представить в виде:

, (3)

где - нормальная плотность тока при единичном давлении (см. с. 40). Увеличение нормальной плотности тока с ростом давления газа ведет к перемещению правой границы горизонтального участка ВАХ вправо, поскольку в конце участка разряд распространяется по всей поверхности катода, и ток равен произведению плотности тока на площадь катода (кривая 2 на рис. 1 правее первой).

Возрастающий участок ВАХ соответствует "аномальному" тлеющему разряду. С ростом давления газа он так же, как правая граница горизонтального участка, и по той же причине сдвигается вправо. Соотношение ( 3) показывает, что сдвиг пропорционален квадрату давления газа.

Приведённые выше упрощённые объяснения физических процессов базируются на том, что электродная система близка к плоскопараллельной (одномерной). Между тем, в начале участка ВАХ, соответствующего нормальному тлеющему разряду, где площадь разряда на катоде мала, поперечный размер свечения соизмерим или даже меньше ширины области катодного падения потенциала d _к. Распределение потенциала с учётом влияния пространственного заряда в этом случае находится решением двумерной задачи. Потенциалы точек в разрядном канале оказываются ниже, чем в одномерном случае. Это можно интерпретировать как рост величины d _к, что сопровождается увеличением напряжения поддержания разряда с уменьшением тока. Такой разряд называется поднормальным тлеющим, поскольку он предшествует нормальному разряду.

3. ДУГОВОЙ РАЗРЯД

С увеличением тока аномального тлеющего разряда рост напряжения замедляется, и на ВАХ вновь появляется падающий участок (в амперном диапазоне). Снижение напряжения обусловлено разогревом катода ионной бомбардировкой до температуры, достаточной для существенной термоэлектронной эмиссии. Формально можно считать, что за счет термоэмиссии растет число электронов, выходящих из катода в расчете на один ион, то есть увеличивается коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии . Как следствие, для поддержания тока требуется меньшее количество ионов, а значит - менее интенсивное развитие электронных лавин и менее высокое напряжение.

Температура катода при амперных значениях тока увеличивается значительно (до 3000 К и более), термоэмиссия становится основным механизмом выхода электронов из катода, а коэффициент приближается к единице (возрастает на 1 - 2 порядка), что ведет к существенному снижению напряжения поддержания разряда - от сотен вольт при аномальном тлеющем разряде до десятков вольт. При таком напряжении электронные лавины развиваются очень слабо: на один электрон, выходящий из катода, приходится лишь несколько электронов, попадающих на анод. Тем не менее, несмотря на уменьшение количества ионов в каждой лавине и падение их энергии за счет снижения напряжения, температура катода остается высокой, поскольку с ростом тока в большей степени увеличивается количество бомбардирующих катод ионов. Снижение напряжения с ростом тока ограничено потенциалом ионизации газа, поскольку ионизация принципиально необходима для существования разряда. В ряде случаев напряжение становится ниже потенциала ионизации за счет ступенчатой ионизации или в результате испарения и последующей ионизации пара металла.

Положение второго падающего участка ВАХ, соответствующего переходу тлеющего разряда в дуговой, существенным образом зависит от давления газа: с ростом давления начало участка сдвигается вправо по оси тока и вниз по оси напряжения. Иными словами, вправо и вниз сдвигается максимум ВАХ в области перехода тлеющего разряда в дуговой (кривая 2 на рис. 1 правее и ниже кривой 1). Эффект объясняется следующим образом. Для разогрева катода до определенной температуры требуется определенная мощность, выделяющаяся на катоде в результате ионной бомбардировки. Мощность пропорциональна количеству ионов (приблизительно - току разряда) и энергии ионов (приблизительно - анодному напряжению). С ростом давления газа ток перехода нормального тлеющего разряда в аномальный увеличивается. Следовательно, уровень мощности, достаточный для разогрева катода, достигается при меньшем напряжении, и начало участка спада на ВАХ оказывается сдвинутым вправо и вниз.

При большом давлении и соответственно большой величине тока перехода нормального тлеющего разряда в аномальный возможен случай, когда ток перехода достаточен для разогрева катода и на ВАХ отсутствует участок подъёма напряжения, характерный для аномального разряда. Нормальный тлеющий разряд переходит в дуговой без повышения напряжения. Дальнейшее увеличение давления приводит к тому, что нормальный разряд переходит в дуговой, не успев распространиться по всей поверхности катода. Для разогрева части катода требуется меньшая мощность, поэтому начало участка спада напряжения сдвигается в сторону уменьшения тока.

Положение участка ВАХ, соответствующего переходу тлеющего разряда в дуговой, зависит от площади катода: с её увеличением участок сдвигается вправо и вверх, поскольку для разогрева катода большей площади требуется большее значение мощности, выделяющейся за счет ионной бомбардировки, т. е. необходимы большие значения напряжения и тока (кривая 3 рис. 1 правее кривой 2). При высоком давлении газа указанная закономерность не наблюдается, поскольку нормальный разряд может перейти в дуговой, не распространяясь по всей поверхности катода. В результате увеличение площади катода не влияет на положение участка перехода тлеющего разряда в дуговой. До высокой температуры в этом случае разогревается небольшой локальный участок катода ("катодное пятно"), испарение материала с которого способствует локализации разрядного канала, поскольку потенциалы ионизации паров металлов обычно существенно меньше, чем газов.

Изложенный механизм существования дугового разряда действует только в случаях, когда катод выполнен из тугоплавкого материала (W, Mo, C, Nb, Ta). Если материал катода легкоплавкий (Hg, Al, Cu, Ni), то, как показывает расчет, уровень термоэмиссии, необходимый для дугового разряда, достигается лишь после плавления катода. Однако эксперимент показывает, что на легкоплавких катодах дуговой разряд может развиваться и без плавления катода (кроме ртути). Для него также характерны низкое, порядка потенциала ионизации, напряжение горения и большие, десятки ампер, величины токов. Выход электронов из катода в таком разряде обеспечивается за счет автоэлектронной эмиссии. Необходимые высокие значения напряженности электрического поля достигаются при низком анодном напряжении в результате сильного уменьшения длины области катодного падения потенциала d _к (рис. 2). Сокращение этой области обусловлено стягиванием разряда на катоде в узкое пятно с резким увеличением плотностей тока и пространственного заряда ионов. В пятне интенсивно испаряется материал катода, что уменьшает длину свободного пробега электронов и облегчает ионизацию, поскольку потенциалы ионизации металлов в парообразном состоянии обычно меньше потенциалов ионизации газов. Пятно обычно хаотически перемещается по катоду. Название подобного разряда - "автоэлектронная дуга" (в предыдущем случае - "термоэлектронная дуга").

4. ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ФОРМА РАЗРЯДА

При зажигании разряда на левой ветви КП (малые значения p d ) ВАХ отличается тем, что на ней нет падающего участка, соответствующего переходу тёмного разряда в тлеющий (рис. 3). Напомним, что участок определяется сокращением области катодного падения потенциала d _к за счет роста пространственного заряда ионов (рис. 2). На левой ветви КП сокращение расстояния ослабляет электронные лавины. Для компенсации ослабления необходимо увеличить напряжение. Поэтому на ВАХ горизонтальный участок, соответствующий темному разряду, с ростом тока переходит в возрастающий, характерный аномальному тлеющему разряду.

Ток перехода значительно больше, чем для начала падающего участка ВАХ на правой ветви КП. Это объясняется тем, что при уменьшении произведения p d ионы быстрее уходят из промежутка в результате увеличения их скорости (за счёт роста подвижности и напряжённости поля) и сокращения расстояния. Левая ветвь КП значительно круче, чем правая: с уменьшением величины p d напряжение зажигания разряда резко увеличивается. Это дополнительно ускоряет уход ионов, они меньше накапливаются в промежутке, и пространственный заряд проявляется при большем токе. В результате участок подъема ВАХ перемещается вправо (уровень кривой 2 на рис. 3 выше и участок подъема правее, чем кривой 1).

Высокие значения тока и напряжения могут привести к разогреву катода и возникновению дугового разряда с появлением падающего участка ВАХ. При очень малых значениях p d и больших напряжениях участку не предшествует подъем ВАХ, так как благодаря увеличению энергии ионов они разогревают катод до появления заметного влияния пространственного заряда (кривая 3 рис. 3).

Горизонтальный участок ВАХ при малых p d соответствует так называемой высоковольтной форме разряда. Напряжение горения такого разряда может быть меньше величины, определяемой соотношением (2.4), в связи с ростом коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии в результате увеличения энергии ионов. Соответственно растёт относительное значение электронной составляющей тока. Ионная составляющая уменьшается из-за ослабления электронных лавин при малых значениях давления газа и межэлектродного расстояния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Газовый разряд - это совокупность ряда физических процессов, вызываемых электрическим током в газе. Диапазон возможных значений тока чрезвычайно широк - от 10^-15 А до 10⁶ А. На участках диапазона определяющую роль играют различные физические процессы, причем характерные границы участков не являются строго определенными, а зависят от давления газа и межэлектродного расстояния, варьируемых в пределах нескольких порядков, от рода газа, материала и формы электродов, от ряда других факторов. Поэтому физико-математический анализ такого сложного явления, как газовый разряд, включает количественное описание процессов по участкам токового диапазона и менее детальное качественное описание обобщенной характеристики явления. В качестве неё используется зависимость напряжения, необходимого для поддержания разряда между "холодными" (ненакаливаемыми) электродами, от тока в газе, которая называется вольт-амперной характеристикой газоразрядного промежутка (ВАХ).

Для наиболее типичного случая, когда разряд зажигается при больших значениях произведения давления газа на межэлектродное расстояние, соответствующих правой ветви кривой Пашена (КП), ВАХ представляет собой сложную кривую с двумя участками отрицательного дифференциального сопротивления, на которых напряжение уменьшается с ростом тока. Участки спада напряжения разграничивают виды разряда: тёмный ("тихий", "таунсендовский") разряд - до первого спада напряжения (область слабых токов, микроамперы); тлеющий разряд - до второго спада (миллиамперный диапазон токов); дуговой разряд - после второго спада (амперный и килоамперный диапазоны).

газовый разряд ток напряжение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соболев В. Д. Физические основы электронной техники. М.: Высшая школа, 1979.

2. Ворончев Т. А., Соболев В. Д. Физические основы электровакуумной техники. М.: Высшая школа, 1967.

Райзер Ю.П. Физика газового разряда: Учеб.пособие. М.: Наука, 1987.

4. Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982.

5. Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969.

6. Коротченко В.А. Физика газового разряда. Рязань: РРТИ. 2002.

Размещено на Allbest.ru