Главная | Обратная связь

Несамостоятельные газовые разряды.

Считали, что газ является нейтральной средой, т.е. не содержит заряженных частиц. В действительности в 1 см³ атмосферы содержится в среднем около 10³ положительных и отрицательных ионов. Скорость ионизации, для создания такой концентрации, равна . Ионизация обусловлена ультрафиолетовым, космическим излучением и радиоактивностью. Эти же лучи вызывают испускание электронов из поверхности электродов, установленных где угодно (2).

(1) В отсутствие электрического поля Е=0 устанавливается равновесное состояние - скорость генерации заряженных частиц равна скорости рекомбинации. В этом случае числа положительных ионов и электронов равны. Они совершают хаотическое, тепловое движение в объеме.

(2) Рассмотрим электрическую цепь, содержащий источник постоянного тока, делитель напряжения R, газоразрядную трубку с плоскими электродами, вольтметр - для измерения напряжения, гальванометр для измерения тока газового разряда. Ионизация газа в объеме газоразрядной трубки осуществляется с помощью внешнего ионизатора (1).

Число атомов, ионизируемых ежесекундно в каждом кубическом сантиметре газа обозначим через Z, то при , где β -коэффициент рекомбинации, a 𝑛 - концентрация ионов одного знака (1).

Если на электроды подать небольшую разность потенциалов, чтобы , то возникает ток, образуемый уже существующими ионами и электронами. Теперь, кроме рекомбинации, ионы и электроны нейтрализуются на электродах. При токе 𝑖 за время на поверхность электрода падают ионы или электроны, число которых равны . Это означает, что из объема газа ток уводит заряд. Число пар зарядов (ион + электрон), уводимых из одного кубического сантиметра объема и за одну секунду будет равно , где s и - площадь электродов и расстояние между ними. Таким образом, теперь стационарное состояние газа будет сохраняться, если ионизатор обеспечивает генерацию зарядов в соответствии с уравнением

Рассмотрим два предельных случая: Плотность тока 𝑗 мала, но Е≥0. Например, при разности потенциалов на электродах 10 – 20 В, 𝑗 менее А/см². В этом случае , поэтому величиной — можно пренебречь, т.е. пренебрегаем числом зарядов, нейтрализующихся на электродах. В этих условиях прохождение тока через газ подобно прохождению тока через электролит и может быть описано формулой , т.е. это равенство выражает собой закон Ома. Он соблюдается до тех пор, пока число ионов в газе Z не зависит от тока разряда.

Второй предельный случай, когда , т.е. плотность тока достаточно большая, что вся убыль зарядов практически реализуется на электродах путем нейтрализации. Для этого случая имеет или . Число ионизованных атомов в объеме разрядной трубки зависит только от мощности ионизатора. Поэтому и называется плотностью тока насыщения. Если все сказанное обобщить и наглядно показать графически в виде зависимости тока разряда 𝑖 от разности потенциалов на электродах, то на графике можно выделить два участка: I -участок, газ в трубке является омическим проводником => , проводимостью которого зависит от скорости генерации ионов и электронов, коэффициента рекомбинации и подвижностей ионов и электронов.

II - участок. Значение напряженности Е (или значение 𝑈) достигает такой величины, когда все ионы и электроны успевают достичь электродов до рекомбинации. , т.е. плотность тока зависит только от скорости генерации зарядов, не зависит ни от E, ни от подвижностей. Постоянство тока разряда объясняется тем, что 1) , зависит только от мощности ионизатора; 2) Все ионы и электроны доходя до электродов до рекомбинации.

Такой газовый разряд называется несамостоятельным. Он реализуется, когда плотность тока менее . Разряд совершенно темный, ибо скорость возбуждения атомов мала, => следовательно, излучение света так же слабое, чтобы его (света) можно было бы заметить невооруженным глазом. Разряд несамостоятелен. Возникает и функционирует только при наличии внешнего воздействия - ионизатора, при отключении ионизатора - исчезает.

Темный разряд можно возбудить без внешних агентов, пользуясь нагретым катодом как источником электронов и можно достичь большой плотности тока разряда.

Применение несамостоятельного разряда.

Несамостоятельный разряд используется в атомной физике для измерения ионизирующего действия радиоактивных излучений. Например, число быстрых частиц, испускаемых радиоактивными веществами (например, α и β частицы), можно подсчитать, пользуясь их ионизационной способностью. Частица, проходя через газоразрядную трубку - теперь ее будем называть ионизационной камерой, будет инициировать (возбуждать) несамостоятельный разряд.

Конструктивно ионизационная камера состоит из трубки, покрытой экраном, который поглощает нежелательное внешнее излучение, трубка имеет узкое окно для регистрируемых частиц и наполнена газом при давлении несколько сантиметров ртутного столба. Трубка содержит цилиндрический катод и расположенный по его оси стрежневой анод. Электроды через сопротивление подключены к источнику постоянного напряжения. Выходной сигнал в виде напряжения снимается в момент разряда с сопротивления и усиливается обычным образом.

Камера работает следующим образом. Внутри камеры создают условия для возникновения тока насыщения. Проходящая через камеру частица создает некоторое число пар ионов, все ионы достигают электродов до рекомбинации и создают в цепи плотность тока в соответствии с равенством . Таким образом, величина тока насыщения является пропорциональной числу пар ионов возникающих в камере, т.е. каждый раз в цепи возникает импульс тока несамостоятельного разряда. Число импульсов выходного напряжения, можно подсчитать с помощью электрической схемы. При этом параметры системы можно подобрать таким образом, что амплитуда (высота) импульса тока будет пропорциональна первоначальному числу пар ионов, т.е. амплитуда играет роль индикатора природы ионизующей частицы. Если одновременно нужно считать число частиц разных видов, то их можно различать (рассортировать) по значениям амплитуды импульса.

Путем изменения конструкции электродов можно локализовать (фиксировать) траекторию частицы. Для этого электроды делают в виде набора узких пластин в виде последовательно расположенных конденсаторов с зазорами друг от друга. Каждый импульс (в виде искрового разряда) возникает там, где частица пересекает соответствующий зазор, т.е. траектория обозначается в виде светящих точек (видимый искровой разряд - вспышка).

Система электродов

Между пластинами образуется однородное поле, напряжение достаточное для генерации видимой искры, которая распространяется вдоль силовых линий поля, т.е. перпендикулярно к пластинкам. Для измерения ионизирующего действия частиц (лучей) камеры градуируются в единицах мощности дозы.

Пробой

Если после насыщения разность потенциалов на электродах продолжает увеличиваться, то наступает стадия, на которой ток снова растет.

Характер этого возрастания зависит от давления газа, однако, для любых давлений с увеличением U ток I растет с возрастающей скоростью и наконец, достигается напряжения U_п, при котором значение тока I лимитируется только сопротивлением внешней цепи.

Вольтамперная характеристика до этой точки показана на рисунке. Величину U_п называют напряжением пробоя. Его значение зависит от условий в газе (Т, Р, природа газа) от расстояния между электродами а, их материала и формы. Ток разряда в этот момент достигает значения около 1 мкА и выше. Вольтамперная характеристика между областью насыщения и точкой пробоя описывает таунсендовский разряд.

Рассмотрим теорию разряда, предложенную Таунсендом, при низком давлении (порядка несколько миллиметров ртутного столба), когда между электродами укладывается много длин свободного пробега.

Будем считать, что электрическое поле однородное E = const, достигается применением плоских электродов, а расстояние между ними мало по сравнению с их размером; постоянное внешнее излучение (ионизатор) падает только на катод, где оно освобождает электроны. Эти электроны ускоряются полем, между столкновениями с нейтральными атомами газа и достаточно часто их энергия превышает энергию ионизации, т. е.

Таким образом, некоторые электроны на пути от катода к аноду ионизируют атомы, создавая положительные ионы и дополнительные электроны. Это дополнительные электроны также ускоряются, сталкиваются с атомами, вызывая их ионизацию и т.д. Это означает, что ток разряда увеличивается по сравнению с его значением при насыщении, так как число электронов, приходящих за 1с на анод, больше положительные ионы. Пусть через единицу поверхности, поставленную перпендикулярно электронному потоку, за единицу времени пролетает по направлению к аноду n электронов (n-плотность потока электронов).

Увеличение плотности потока электронов dn на расстояние dx вследствие ионизации ударом будет dn = αndx,где α -коэффициент пропорциональности, называется коэффициентом объемной ионизации. Значение α равно числу дополнительных электронов, образуемых одним электроном при соударении с атомами газа на пути в 1см. Для однородного поля (E = const) коэффициент α можно считать постоянной величиной, не зависящей от х. Тогда, интегрируя, найдем закон нарастания электронной лавины:n = ce^αx, с − постоянная интегрирования. У катода: х = 0; n = n_k, у анода x = a, n = n_а и число электронов, попадающих за одну секунду на единицу площади анода будет n_a = n_ke^αα

 

Число дополнительных электронов, возникающих за 1 секунду в межэлектродном единичном объеме, будет равно:

n_a –n_k = n_ke ^αα – n_k = n_k (e^αα – 1)

Этим уравнением определяется также число положительных ионов, возникающих в процессе ударной ионизации. Все эти положительные ионы (числом n_k (e^αα −1)), ударяясь о катод, создают плотность потока вторичных электронов. Число вторичных электронов равно γn_k (e^αα−1), γ − коэффициент пропорциональности или вторичной эмиссии. Таким образом, у катода имеются электроны, выбитые из поверхности ионизатором, плотность потока которых обозначим через n₀, имеются электроны вторичной эмиссии, выбитые положительными ионами. Общее число электронов у катода для установившегося процесса будет:

n_k = n₀ + γn_k (e^αα −1)

или

.

А общее число электронов (вернее плотность потока электронов) у анода будет:

.

У анода нет положительных ионов (все ионы направляются электрическим полем на катод), поэтому весь разрядный ток у анода переносится только электронами, плотность тока у анода j_a = en_a, плотность тока в других точках разряда j=j_e+j_i, т.е. ток переносится и электронами, и ионами. Однако для разряда j = const, следовательно, j = j_a. Тогда имеем

= j₀

Полученное выражение показывает, что плотность тока в таунсендовском разряде (следовательно, и полный ток) зависит от коэффициента объемной ионизации α, коэффициента вторичной эмиссии γ и межэлектродного расстояния а. Однако в общем случае, когда электрическое поле переменное коэффициент α зависит от Е и от условий в газе. Состояние газа характеризуется давлением и температурой. Нагревание газа пренебрежимо мало, обычно считают, что Т = const. Для зависимости α от Е и р Таунсенд предложил следующую приближенную формулу:

,

где А и В − константы, зависящие от природы газа.

Типичные кривые зависимости α/p от E/p для различных газов приведены на рисунке. Величину γ, так же как α/p, представляют в виде функции от E/p, т.е. γ/p = можно получить графики этой зависимости (Хават,стр.49).

Таусендовский разряд находит практическое применение как средство регистрации внешнего излучения, т.е. в приборах, подобных фотоэлементу. Начальное значение тока i₀ или плотности тока определяется внешним излучением, например падающим светом. Отношение называется коэффициентом умножения. Разность потенциалов на электродах; очевидно, должна быть меньше напряжения пробоя.

Плотность потока электронов у катода для стационарного таунсендовского разряда определялась выражением n_k = n₀ + γn_k (e^αα – 1).

Теперь рассмотрим случай, когда ионизатора убирают, а это означает, что n₀ = 0 и γ (e^αα – 1) = 1. Для выполнения этого условия, т.е γ (e^αα – 1) = 1, необходимо, чтобы коэффициенты α и γ принимали соответствующие значения, а они зависят от напряженности поля в межэлектродном промежутке, т.е. Е должна принять определенное значение. С учетом U = , можно сделать вывод, что выражение γ (e^αα – 1) = 1 становится равным единице, называется направлением пробоя газа.

Общая теория самостоятельного разряда весьма сложна и не завершена до сих пор. Поэтому при изучении и применении самостоятельных разрядов пользуется законами и формулами, полученными опытным путем. Например: опытный закон Пашена гласит о том, что пробой газа происходит при постоянном для каждого газа отношении напряженности поля к давлению газа, т.е , т.е. постоянная зависит от природы и состояния газа.

Этот закон можно пояснить следующим образом, если принять, что начало самостоятельной проводимости газа совпадает с началом ионизации ударом:

= eU = eλE_п = e

т.е. при постоянной температуре . Для однородного поля U_п = E_пa и закон Пашена или U_п = (pa)const. В общем случае закон Пашена можно записать в виде U_п = f(pa), теоретическое выражение функций f не найдено, существуют приближенные формулы, согласующиеся с экспериментом в одном ватном отношении: кривая зависимости U_п от произведения (ра) для любых комбинации газов и материалов электродов имеет единственный минимум. Некоторые экспериментальные кривые показаны на рис.

Для некоторых газов небольшая добавка другого газа сильно влияет на ход кривой U_п = f(pa). Например, небольшое количество аргона заметно понижает потенциал пробоя неона. Электроды с низкой работой выхода, например, содержащие щелочные металлы, имеют высокие значения γ и потому уменьшают напряжение пробоя газа.

 

Критерий Таунсенда

Вольт-амперная характеристика несамостоятельного разряда показывает, что ток резко возрастает при напряжении пробоя U_п. Если позволяет электрическая цепь, ток может увеличиться в 10⁶ раз. Согласно полученной теоретической формуле (стр.2) ток теоретически может быть бесконечно велик, если выполняется условие γ(e^αα – 1) = 1, т.е. в момент пробоя.

Значение γ зависит от природы газа и от материала электрода. Оно изменяется в широких пределах, но как правило, γ 1 и часто γ = 10^-2. С учетом этого условие пробоя можно записать в виде γe^αα = 1+ γ или пренебрегая γ по сравнению с единицей γe^αα = 1. В такой форме это известно как критерий Таунсенда.

Заметим, что величина γe^αα есть число вторичных электронов, образующихся под действием e^αα положительных ионов, т.е. в газе образуется связь –электроны образуют ионов ударом, а ионы падая на поверхность электрода выбивают вторичные электроны. Далее процесс можно обрисовать следующим образом. В достаточно сильном электрическом поле электрон после первого пробега выбивает из нейтральной молекулы еще один электрон. Эти два электрона, столкнувшись с нейтральными частицами, выбивают еще два электрона и т.д.

Таким образом, общее число электронов и ионов быстро возрастает по мере перемещения электронов в поле. Описанный процесс получил название электронной лавины.

Пока условие пробоя не выполнено, лавины, приводящие к пробою, не образуется ни при какой разности потенциалов. Но если условия пробоя удовлетворено, то в среднем один первичный электрон рождает минимум один вторичный, и в конце концов развивается лавина, приводящая к пробою.

 

Время пробоя.

Время формирования пробоя существенно зависит от времени прохождения положительного иона от анода к катоду. Первичный электрон и сопровождающая его лавина электронов благодаря высокой подвижности очень быстро проходят к аноду, но необходимые для лавины вторичные электроны рождаются только после того, когда достаточное количество положительных ионов достигают катода. Время формирования пробоя:

t = средняя скорость.

E = , − разность потенциалов, t_п = . Как при к видно, t_п зависит от приложенного напряжения. Качественная зависимость следующая: при U U_п время t_п бесконечно возрастает; в области U_п U 2U_п Время t_п составляет по порядку величины 100мкс.

 

 

Исковый разряд.

Таунсендовский разряд завершается пробоем, т.е. достаточно большом напряжении ток вдруг, скачком возрастает. Скачок тока показывает, что число зарядов в межэлектродном объеме резко возросло. Причиной этого является: 1) действие электрического поля оно сообщает электронам столь большие скорости, что при столкновениях с нейтральными молекулами реализуется лавинная ионизация. Теперь общее число зарядов (ионов+ электронов) определяется не ионизирующим фактором, а действием электрического поля (между электродами), т.е. поле способно поддерживать необходимую скорость ионизации. В этот момент проводимость газа из несамостоятельной становится самостоятельной, т.е. за счет внутренних процессов поддерживается проводимость газа. Мерой интенсивности этих процессов являются коэффициенты α и γ ,т.е. в зависимости значений этих коэффициентов после возникновения самостоятельной проводимости газов реализуются различные типы электрических разрядов. Например, развитием таунседовского разряда является пробой при низких давлениях, при высоких давлениях, около 1 а.т.м., реализуется разряд, которой носит название искрового разряда, или искрового пробоя газа.

Например, на два электрода, помещенных в атмосферном воздухе, подано напряжение. Пока напряженность поля невелика, в газе нельзя заметить никаких изменений.

При напряженности поля около 30 000 В/см между электродами мгновенно возникает электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала нагревается до 100 000 К, давление повышается до сотен атмосфер, поэтому искра сопровождается световым и звуковым эффектами.

Напряженность электрического поля около (близ) электродов зависит от кривизны их поверхности, поэтому разряд между остриями начинается при меньших напряжениях, чем между шарами или плоскими электродами.

В твердых диэлектриках искра образует отверстие, т.е. вещество разрушается. Максимальная пробивная напряженность поля наблюдается у слюды 10⁷ В/см, пробой стекла ~ (2 ÷ 3) 10⁶ В/см.

Разряд по поверхности диэлектрика реализуется при более низких напряжениях, обусловлен загрязнениями и увлажнениями поверхности.

Примеры применения: статический вольтметр.

Электроэрозионная размерная обработка.

Красивое и небезопасное явление природы молния представляют собой искровой разряд в атмосфере. Установлено, что в атмосфере всего земного шара происходит в среднем около 100 молний за каждую секунду, около половины всех аварий в линиях электропередачи вызываются молниями.

Искровой разряд в молнии характеризуется следующими параметрами :

1.Напряжение между облаком и землей ~10⁸ В

2.Сила тока в молнии ~10⁵ А

3.Продолжительность молнии ~ 10⁶В (Элементарн.учебник физики стр.240)

4.Диаметр канала 10-20 см.

Объяснение развития электрической искры дается стримерной теорией, разработанной Д. Миком и Т. Лебом (1949). Согласно этой теории, для образования искрового разряда большое значение имеет фотоионизация, которая ведет к образованию локальных областей повышенной проводимости газа стримеров.

На рисунке представлена схема развития стримера от катода. После первой электронной лавины, возникшей у катода, впереди ее головки происходит образование новых лавин вследствие ионизирующего излучения.

Этот процесс образования стримеров происходит со скоростью распространения фотонов (10⁸ м/с). В последующей стадии развития стримера отдельные лавины нагоняют друг друга, сливаются и образуют хорошо проводящий канал газа, вдоль которого образуется искровой разряд.

 

 

Коронный разряд

Возникновение стримеров в объеме между электродами не всегда приводит к искре, а может вызвать и разряд другого типа коронный разряд. На рисунке показана схема прибора, с помощью которого можно воспроизвести коронный разряд. В этом приборе тонкая проволока помещается по оси полого металлического цилиндра.

При напряжении между проволокой и цилиндром в пространстве между ними возникает неоднородное электрическое поле с максимальной напряженностью около проволоки. Когда напряженность поля вблизи проволоки приближается к пробивному значению напряженности воздуха (около U_п=30 000 В/м) между проволокой и цилиндром зажигается коронный разряд и в цепи пойдет ток, т.е. вокруг проволоки возникает свечение –корона. Внешний вид короны при отрицательном потенциале проволоки (отрицательная корона) несколько отличается от положительной короны.

При отрицательном потенциале проволоки электронные лавины начинаются у проволоки, распространяются к аноду и на некотором расстоянии стримеры обрываются вследствие уменьшения напряженности поля. В случае положительной короны электронные лавины зарождаются на внешней границе (поверхности) короны и движутся по направлению к проволоке. В отличие от искрового разряда в коронном разряде имеет место неполный пробой газового промежутка, так как в нем электронные лавины не проникают через весь слой газа E = .

Внутри корон имеются и положительные, и отрицательные ионы. За пределами короны будут ионы только одного знака: отрицательные при отрицательной короне; положительные ионы при положительной короне.

Коронный разряд может возникнуть не только у проволоки, но и у острия и вообще у всех электродов, возле которых образуется очень сильное неоднородное поле. Коронный разряд сопровождается шипящим звуком и легким потрескиванием. Коронный разряд возникает на высоковольтных линиях электропередачи и вызывает утечки электронных зарядов, т.е. электроэнергии.

 

Применение коронного разряда.

1. Электрическая очистка газов (электрофильтры). Известен такой опыт – сосуд, наполненный дымом, моментально делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, находящиеся под высоким напряжением.

Этот эффект используется для очистки газов. Содержащиеся твердые и жидкие частицы в газе в коронном разряде взаимодействуют с ионами и становятся заряженными частицами (ионы «прилипают» к частицам пыли) и далее направляются к электродам и осаждаются. Кроме того, такие электрофильтры позволяют извлечь из газов многие тонны ценных продуктов в производстве серной кислоты и цветных металлов в линейном производстве.

2.Счетчики электронных частиц.

Напряжение U выбирают таким, чтобы оно было несколько меньше «критического», т.е. необходимого для зажигания коронного разряда внутри счетчика. При попадании в счетчик быстро движущегося электрона он ионизует молекулы газа внутри объема, отчего напряжение зажигания короны понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный импульс тока. Для регистрации сигнала используется чувствительный электрометр Е, каждый раз при попадании частицы (даже одного электрона) в объем счетчика листочки электрометра дают отброс.

 

§7. Классификация электрических разрядов.

 

Электрические разряды в газах протекают по-разному, т.е. в разряде реализуется те или иные фундаментальные (элементарные) процессы, которые являются для данного вида разряда и определяют его форму; его характерные особенности.

Как мы уже знаем, имеется ограниченное число элементарных процессов, которые могут реализоваться в объеме газового разряда, еще раз перечислим эти процессы:

1) Столкновения частиц газа результат: обмен энергиями, импульсом, возбуждение атомов, ионизация.

2) Присоединение электронов результат: возникает отрицательный ион, уменьшается концентрации электронов.

3) Рекомбинация результат: рождается излучение (фотон).

4) Получение и испускание излучения в объеме разряда.

5) Диффузия заряженных частиц.

6) Электродные эффекты: термоэлектронная эмиссия; внешний фотоэффект, эмиссия при электронном ударе, эмиссия при ударе положительных ионов: эмиссия при ударе нейтральных атомов; автоэлектронная эмиссия.

Одновременно все эти элементарные – фундаментальные процессы в разрядах не реализуются. В зависимости от условий реализуются только некоторые процессы, и этот набор элементарных процессов определяет основные свойства разряда, т.е. данный вид разряда отличается от другого набором элементарных процессов. Сам этот набор или вид разряда определяется следующими параметрами системы: величиной тока напряжением между электродами; давлением газа, геометрией разрядной камеры, материалом электродов и состоянием их поверхности, температурой электродов и др.

Вид разряда в основном определяется напряжением на электродах, величиной тока разряда и давлением в разрядной камере. При этом напряжение и ток является независимым параметрами системы.

Таким образом, зависимость напряжения от тока становится наиболее важной интегральной характеристикой электрического разряда U = f(I) еще называется вольт-амперной характеристикой разряда. Она формируется в зависимости от внутренних процессов, следовательно, по ней можно определить вид разряда.

Итак, рассмотрим, как один вид разряда переходим в другой вид с помощью вольт-амперной характеристики.

Участок ОВ − несамостоятельный темный разряд, образование носителей тока происходит лишь за счет внешнего ионизатора, на участке ОА реализуется рекомбинация, на АВ − все заряды достигают электродов, рекомбинацией зарядов можно пренебречь.

За точкой В начинается ионизация нейтральных частиц электронным ударом, возникают лавины электронов и ионов. Однако если убрать внешний ионизатор, разряд прекращается. Это несамостоятельный таунсендовский разряд − это участок ВС.

На участок СD заметную роль играют вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, световыми квантами, возбужденными молекулами. Необходимость в поддержании ионизации за счет энергии внешних источников отпадает − разряд становится самостоятельным, его еще называют самостоятельным таунсендовским разрядом (это участок СЕ).

На участке EF таунсендовский разряд переходит в нормальный тлеющий разряд, которому соответствует участок FH. На участок НК с ростом повышается и напряжение. Разряд, соответствующий участку НК называется аномальном тлеющим разрядом.

Далее с ростом тока увеличивается температура катода, усиливается роль термоэлектронной эмиссии, разряд контрагируется и образуется дуговой разряд. Дуговой разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с катода.

 

Стационарный тлеющий разряд при низком давлении.

С ростом тока самостоятельный таунселовский разряд (участок СЕF) может развивается по-разному и иметь несколько форм. Если при давлении около 1 мм. рт. ст. разряд происходит между электродами, подключенными к источнику постоянного тока, то реализуется нормальный разряд.

Участок FH вольт-амперной характеристики соответствует тлеющему разряду. Отличительным признаком тлеющего разряда является своеобразное распределение потенциала вдоль длины межэлектродного промежутка. Распределение потенциала приводит к тому, что тлеющий разряд имеет характерный неоднородный вид, следовательно, и неоднородную структуру, разряд кажется как бы разделенным на части. Тлеющий разряд состоит из прикатодной области, и положительного столба.

Рассмотрим различные части разряда. Начиная от катода к аноду.

 

Катодная область разряда.

Электроны, необходимые для поддержания разряда, в основном эмитируется при бомбардировке катода положительными ионами. Вторичные электроны выходят, из катода имея, малые скорости, вследствие этого они (вблизи поверхности образуют отрицательный пространственный заряд) еще не имеют достаточные энергии для возбуждения молекул газа, поэтому молекулы не излучают, и непосредственно у поверхности катода образуется темное пространственно, заполненное медленными электронами. Этот очень тонкий несветящийся слой газа называется - темное пространство Астона. Ток в этой области в основном создается положительными ионами.

Далее электрона ускоряются полем, кинетическая энергия электронов становится достаточной для возбуждения молекул газа и это служит причиной возникновения тонкого светящего слоя газа, называемого первым катодным свечением. В этой области электроны при столкновениях частичного или полностью теряют скорость. Поэтому за первым катодным свечением образуется следующее темное катодное пространство. В этой области происходит слабая рекомбинация электронов с положительными ионами, поэтому здесь происходит очень слабое излучение. В темном катодном пространстве электроны сильно разгоняются до скоростей, при которых они интенсивно ионизуют молекул газа, а следовательно, и размножаются.

В конце второго темного катодного пространства число электронов уже настолько велико, что ток почти полностью переносится электронами, и они заметно уменьшают положительный пространственный заряд, даже образуют область отрицательного пространственного заряда. В этой области прекращается дальнейшее ускорение электронов, а энергия накопленная в области второго катодного темного пространства расходуется в основном на интенсивное возбуждение и ионизации молекул. Это происходит в области второго катодного свечения (отрицательное катодное свечение). В результате энергия электронов уменьшается, постепенно в интенсивность возбуждения и ионизации также уменьшается, следовательно, падает число электронов (и за счет рекомбинации и диффузии), настолько, что отрицательный пространственный заряд обращается в ноль. Соответственно изменяется напряженность электрического поля и в точке исчезновения отрицательного заряда Е принимает постоянное значение (около 1 В/см) и не меняется до прианодной области заряда. В этом месте начинается положительный столб тлеющего разряда.

Пространство, занимаемое темным пространством Астона первым катодным свечением и вторым темным пространством, называется областью катодного падения потенциала. Как видно из рисунка, падение потенциала между электродами почти полностью реализуется на незначительном участке у катода. Длина этого участка изменяется обратно пропорционального давления газа. При P = 1 мм рт.ст. dc составляет около 10 мм, а U=100-250 В.

В нормальном тлеющем разряде плотностью тока при увеличение или уменьшение тока разряда остается постоянной. Но зависит от давления Р и изменяется по закону P². Например, при P = 1 мм рт.cт. плотность в среднем j = 0,1 мА/см² = 1·10⁴ А/см². Но j зависит еще от природы газа и от материала катода. Из I=jS следует, что при малом токе часть площади принимает участие в разряде.

В этих условиях остается постоянным и катодное падение потенциала U_k. Для диапазона давлений от 1-10 мм рт.cт. значение U_k не зависит от давления и однозначно определяется природой газа и материала катода. Примеры

 

Материал катода	Значение катодного падения потенциала Uk , В
воздух	Кислород О2	Азот N2	Гелий He
Натрий Na Медь Cu Плюмбум Al Железо Fe Никель Ni		− − −

 

С ростом тока разряда наступает момент, когда вся площадь катода принимает участие в разряде, с этого момента с дальнейшим ростом тока начинается увеличение катодного падения потенциала. Напряженность поля Е возрастает до тех пор, пока не обеспечивается необходимая ионизация для поддержания роста тока. В этих условиях нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный тлеющий разряд.

где, k − константа, зависящая от вида газа и материала катода.

 

 

Положительный столб.

Положительный столб состоит из плазмы, а плазма является нейтральной электропроводящей средой. Поэтому положительный столб тлеющего выполняет роль обыкновенного проводника, соединяющего прикатодную область с прианодной частью разряда. В отличие от остальных частей тлеющего разряда, которые имеют конкретные размеры, и структуру, зависящие от вида газа, его давления и плотности разрядного тока, длина положительного столба определяется размерами разрядной камеры, а по структуре столб представляет собой ионизированный газ (n_e ≈ n_i ), т.е. он может иметь любую длину. Напряженность поля порядка 1 В/см, с ростом давления имеет тенденцию возрастать. Напряженность изменяется также при изменении радиуса камеры (трубки) − сжатие разряда увеличивает поле: Е всегда принимает значение, как раз достаточное для поддержания в столбе той степени ионизации, которая нужна для стационарного горения разряда. Энергия в столбе достаточна для ионизации. И процесс ионизации компенсирует убыль электронов и ионов за счет рекомбинации и диффузии с последующей нейтрализация на электродах и на стенках камеры свечение положительного столба связано всеми этими процессами. В отличие от других частей, положительном столбе тлеющего разряда хаотическое движение заряженных частиц преобладает над направленным.

 

Анодная область.

Анод притягивает электроны из положительного столба и около места привязки образуется отрицательный пространственный заряд и рост напряженности поля, в результате этого происходит перенос тока разряда к поверхности анода. Область анодного падения является пассивной частью разряда. Анод не эмитирует зарядов. Тлеющий разряд может существовать без анодной области, так же без положительного столба. Положительный столб разряда не зависит от приэлектродных процессов. Отличием катодных частей является преобладающе направленное движение электронов и ионов.

Применение тлеющего разряда.

Тлеющий разряд в разряженных газах находит разнообразное применение в газонаполненных выпрямителях, преобразователях, индикаторах, стабилизаторах напряжения, газосветных лампах дневного света. Например, в неоновых лампах (для целей сигнализации) тлеющий разряд используется в неоне, электроды покрывают слоем бария и они имеют катодное падение потенциала порядка 70 В и зажигаются при включении в осветительную сеть.

В лампах дневного света тлеющий разряд происходит в парах ртути. Излучение ртутного пара поглощается слоем люминофора, которым покрыта внутренняя поверхность газосветной трубки.

Тлеющий разряд используется также для катодного распыления металлов. Поверхность катода при тлеющем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами газа сильно нагревается в отдельных малых участках и поэтому постепенно переходит в парообразное состояние. Помещая предметы вблизи катода разряда, их можно покрыть равномерным слоем металла.

В последние годы тлеющий разряд находит применение в плазмохимии и лазерной технике. В них тлеющий разряд используется в аномальном режиме при повышенном давлении.

1. p = 6,7 кПа ≈ 50 мм. рт. ст.

v = 15,7 м/c

a = 30 мм

2. p = 8 кПа ≈ 60 мм. рт. ст.

v = 21м/c

а = 20 мм.

Типичные вольт - амперные характеристики тлеющего разряда в поперечном потоке воздуха.

1 мм. рт. ст. = 133 Па. 1кПа=1000/133 = 8мм.рт.ст.