Теория газового разряда

Размещено на http://www.allbest.ru

Теория газового разряда. Физическая картина формирования газового разряда. Самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд. Явление газового усиления. Физ. смысл коэффициентов объемной ионизации и ионно-электронной эмиссии. Кривая Пашена. Условия зажигания разряда на правой и левой ветвях кривой Пашена. Виды газового разряда. Классификация приборов газового разряда.

В обычных условиях газ не является проводником эл. тока, поскольку не имеет носителей тока. Однако внешние ионизирующие факторы (радиоактивные, космические излучения (б, в, г - частицы)) могут привести к появлению свободных носителей тока (e-, ионов), инициирующих протекание тока через газовую среду под воздействием приложенного ДU.

Различают 2 фазы развития разряда:

- несамостоятельный (вызываеться внешними ионизирующими факторами и приложенным ДU < ДUзаж., гаснет при прекращении действия ионизир. фактора.

- самостоятельный (вызываеться внешним ионизирующим воздействием однако после развития разряда (возникновения определенной концентрации носителей заряда (зажигание)) поддерживаеться внешним эл. полем ДU >ДUзаж и после прекращения действия ионизирующего фактора. Нач. стадия самостоят. Разряда - несамостоятельный разряд.

1-я фаза - несамостоятельный разряд

Рассмотрим объем газа, ограниченный двумя электродами K- и A+, с расстоянием d между ними, значительно меньшим конечного размера электронов (для равномерно распре. поля).

Рисунок 1

разряд ионизация пашен

Начало развития: внешний ионизатор 2-х видов:

- вызывает эмиссию электронов из катода (излучение, вызывающее фотоэлектрон. эмиссию, нагрев катода - термоэмиссия и т.д.)

- вызывает ионизацию газа в междуэлектродном промежутке (г-излучение, эл. луч, косм. излучение, ВЧ-поле, и т.д.)

Если внешнее поле не приложено, происходит вначале нарастание объемного заряда, созданного внешним фактором, а затем, по мере нарастания обратного процесса (возврат e- на катод под действ. Поля простр. Заряда, рекомбинация e- и ионов в объеме газа и на электродах) его стабилизация.

В установившемся режиме, при неизменной интенсивности фактора, вызывающего эмиссию электронов из катода число эмитируемых e- равно числу возвратившихся на катод e. Ток через прибор равен нулю.

При объемной ионизации число возникших пар зарядов (e- - ион) равно числу рекомбинаций (т.е. соединению e- и иона). Концентрация заряженных частиц постоянна. (I=0).

C появлением электрического поля E?0 возникает эл. ток несамост. разряда: зависимость Iразряда от U (ВАХ) имеет след. вид Рис. 7.2 и состоит из участков:

Рисунок 2

0а - развитие несамост. разряда. Происходит рассасывание прикатодного облака объемного заряда, уменьшением скорости рекомбинации за счет увеличения скорости зарядов и оседания их на электродах.

аб - насыщение несамост. разряда. Все эмитированные электроны попадают на анод, т.е. Iа=Iэмиссии, в случае объемной ионизации устанавливается равновесие между числом возникших и рекомбинировавших носителей заряда, разница которых и дает ток насыщения. (рекомбинация стремиться к нулю) Iа=Ii(ионизации). Iрек стремиться к нулю.

бв - начало режима газового усиления (но еще недостаточное для самостоятельного разряда).

вг - режим самостоятельного разряда: Iв ? Iз и становиться достаточным для существования разряда независимо от внешнего ионизир. фактора. I в режиме сам. разряда ограничен лишь мощьносью источника питания и Rнагр. или Rогр)

3. Режим газового усиления

Рассмотрим процессы, происходящие на этапе газового усиления (соотв. участку бв Рис. 7.2. Здесь рост тока по мере увеличения напряжения обусловлен процессом разложения носителей в объеме благодаря ионизации атомов газа электронами (и отчасти ионами) когда их энергия eU >eUi (энергия ионизации атомов)).

Рисунок 3

При каждом столкновении (после прохождения л- длина св. пробега) электрон ионизирует атом т.к. на длине л приобретает достаточную для этого энергию. Такой рост числа зарядов (e- и ионов) называется лавинным. Математически этот рост происходит в геометрической прогрессии с множителем 2. (т.е. 1, 2, 4, 8, 16…). Лавина электронов, попадая на анод, образует электронную составляющую тока, а ионная лавина, попадая на катод - ионную. (Ионная значительно меньше электронной за счет меньшей подвижности)

.

Для количественной оценки интенсивности ионизации атомов газа исп. Коэффициент объемной ионизации б. = число атомов ионизации, производимых в среднем одним e- на единице длины его пути. (1м)

(Дополнит. Энергию преобретают и ионы, но их ионизир. способность очень мала, и, как показывает эксперимент, ею можно пренебречь).

В 1915г. Таунсенд показал, что числ. значение б зависит как от Е, так и от плотности газа, характеризуемой приведенным давлением Рo.

Условие ионизации атома газа электроном:

(7.1)

где е - заряд электрона

л - длина свободного пробега электрона

Ui - потенциал ионизации.

Откуда

(7.2)

- минимально необходимая длина св. пробега.

Число электронов nei в общем потоке n0, у которых пробег не меньше (7.2) можно определить по формуле (из статистики Максвелла):

(7.3)

где лe - средняя длина св. пробега.

Отношение - вероятность ионизации на длине лe. Разделив на лe получим вероятность ионизации на ед. длины пути (или количество ионизаций) = б - коэффициент объемной ионизации.

(7.4)

лe0 - длина св. пробега при P0 =1;

P0 - приведенное давление;

B = A ? Vi (P0 = 273/T?P т.е. давление при T = 273K)

Рисунок 4

Выражение (7.4) определяет коэф-т объемной ионизации, определяемый e- - компонентой ионизированного газа. Ионная компонента слишком малый вклад в ионизацию, чтобы ее учитывать в выражении для б. Однако ионы проявляют себя в след. процессах, влияющих на токоперенос

- подогрев катода при бомбардировке его ионами;

- нейтрализация облака н.з у катода, следовательно выход электронов больше;

- вырывание e- ионным полем из катода (вблизи катода) и компенсация заряда во всем объеме.

- электронно-ионная эмиссия из катода, характеризуемая коэф-том г, и закл. В выбивании e- из катода ионами.

г - коэф-т электронно-ионной эмиссии = кол-во e- выбиваемых из катода одним ионом. г - зависит от рода газа, материала электродов, напряженности поля E.

Рисунок 5

Используя б и л Таунсенд установил закономерности, характеризующие процессы развития разряда на этапе газового усиления, критерии перехода насамостоятельного разряда в самостоятельный, ток в режиме газового усиления, Uзаж (формулы).

Пусть с катода выходит n0 электронов, расст. K…A = d.

, , .

Последовательно определяя число ионов и повторяя расчет для второй лавины, получаем в итоге:

- ток в режиме газового усиления (7.5)

- коэффициент усиления в режиме газового разряда.

Если знаменатель < 1 но > 0, то ток через прибор зависит от J0 - начального тока (тока насыщения несамост разряда) > несамостоят. разряд.

По мере увеличения б и г, что связано

с ростом Uак,> 0, = 0, переход в самостоятельный разряд. (см рис 7.2: аб) г<<1, б<<1; <<1 ; бв) повышается > ? 1.

Параметры перехода определяються из условия:

(7.6)

- из (7.4), откуда

- напряжение зажигания самостоятельного разряда. (Закон Таунсенда-Пашена) Пашен проверил экспериментом!

Рисунок 5

где Pdmin - оптимальные условия зажигания

Из (7.6) получаем условие зажигания самостоятельного разряда:

(7.8)

Начало страницы пояснений:

, ,

К аноду придет n(d) электронов, к-во ионов ni = n(d) - n0 =(n0 - остаеться в объеме для нейтрализации электронов) =

Эти ионы попадут на катод и выбьют из него

электронов

Во второй лавине

- геометрическая прогрессия

Ее сумма - закон изм. плотности зарядов.

Критерий перехода к самостоятельному разряду.

Конец страницы пояснений.

На левой кривой Пашена (низкие P0)

Uз ^ с v Pod - число атомов ионизации уменьшаеться т.к. лсв>d т.е. необх. ^ Uз чтобы больше e- смогли выйти из К за счет бомбардировки его ионами (при этом ^г)

P - const, dv > лсв>d….. так же необходимо ^ Uз для ^г.) Наиболее высокие Uз

На правой ветви кривой Пашена (высокие P0)

лсв мало, кол-во атомов ионизации падает с ростом Р (и падает лсв.) т.к. электроны не успевают набрать нужную энергию. т.е. для зажигания разряда необх. ^ Uз (следовательно, ^E и энергия электронов на малых л)

Виды разрядов

Рисунок 6

1 - переходная к темному (не самост.)

2 - темный (свечение слабые) (самост) раб. точку необх. Стабилизировать большим Rн. (необх. внешний ионизации)

3 переход от темного к тлеющ. (самост)

4. нормальный тлеющ (зависит от Sкатода) (стабилизация(стабилитрон)) (сам.)

5. аномальн. Тлеющ. (^J и ^U) (световые индикаторы) (самост.)

6. переход к дуговому

7 - дуговой (мощн. приборы, коммутаторы) (самост)

Для классификации приборов (кроме типа разряда) так же важно знать: тип катода, род и давление газа.

Для обл. 1,2 исп. металл. катоды; 3,4,5 - нет, пленочные, 6,7 - металл, ртутн.

По давлению P ? 10-100Па - низкое (10-1...100 мм рт.ст.)

P ~ 1000Па - cреднее (10-1 мм рт.ст.)

P ? 104…105Па - высокое (100 -700 мм рт.ст.)

Найб. широко: норм. и аномальн. тлеющ. разряд - с хол. катодом - не нужен накал, экономичность, простота конструкции, слабая зависимость от условий внешн. среды, световая индикация. Неоновые индикаторы, стабилитроны, выпрямители переменного тока, лампы дневного света. Коммутация и усиление сигналов (трехэлектродные приборы)

Приборы тлеющего разряда

Индикаторы (2-ч электродные), газосветные лмпы.

Стабилитроны, выпрямители (2-ч электродн.)

Тиратроны (3-ч электродные) (разрядники)

Приборы квантовой электроники.

Размещено на Allbest.ru