 |
|
Структура и внешний вид разряда
Существует большое разнообразие тлеющих разрядов, отличающихся по внешнему виду в зависимости от природы газа, давления, размеров разрядного промежутка, формы, размеров и материала электродов, а также расстояния между ними. В то же время для тлеющего разряда характерна картина его свечения с последовательным чередованием темных и светлых полос. Области разряда расположены одна за другой в направлении от катода к аноду (рис. 2). Длина характерных катодных и анодных областей пропорциональна длине свободного пробега электрона, так как все процессы в них связаны со столкновениями.
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2. Структура тлеющего разряда:
а – картина свечения разряда; б – распределение яркости свечения
разряда по длине трубки; в – д – соответственно распределение потенциала, напряженности поля и плотности объемного заряда по длине
разрядного промежутка
Физика явлений, происходящих в различных областях тлеющего разряда, может быть качественно описана следующим образом.
1. К катоду примыкает тонкая темная область – астоново пространство, – в которой электроны, выбитые ионами из катода, обладают еще малыми скоростями и участвуют лишь в упругих соударениях с атомами газа. В этой области атомы находятся в невозбужденном состоянии и свечение газа отсутствует.
2. Ускоряясь в сильном электрическом поле, электроны набирают энергию, достаточную для возбуждения атомов газа, и возникает новая область – первое катодное свечение.
3. Когда электроны набирают энергию, достаточную для ионизации атомов газа, число актов возбуждения резко сокращается и интенсивность свечения уменьшается, образуется темное круксово пространство. К концу катодного слоя возникает большой поток электронов, причем в силу лавинообразного характера размножения большинство электронов рождаются именно в конце слоя, где поле уже ослабевает. Энергия этих электронов мала и находится в области максимума функции возбуждения. Рождающиеся ионы движутся гораздо медленнее электронов, и в области преобладает положительный объемный заряд.
4. Развивающиеся электронные лавины создают на границе между участками 3–4 высокую степень ионизации газа, поэтому проводимость последующих областей разряда значительно выше, а изменение потенциала в них невелико. Заряды двигаются в сторону анода практически в режиме диффузии. Средняя энергия электронов уменьшается, что приводит к снижению вероятности ионизации и увеличению вероятности возбуждения атомов и рекомбинации заряженных частиц. С удалением от катода процессы снижают свою интенсивность, и свечение постепенно ослабевает. Область называется отрицательным или тлеющим свечением. При низких давлениях (~ 1Па) это свечение может занимать все дальнейшее пространство до анода. От нее разряд и получил свое название тлеющего.
Со стороны катода область имеет резкую границу с максимумом интенсивности излучения, причем сначала появляются коротковолновые линии излучения, а потом – более низкоэнергетичные в порядке, обратном первому катодному свечению.
5. В результате неупругих соударений энергия электронов уменьшается настолько, что они становятся способными совершать лишь упругие столкновения. Интенсивность свечения падает, и формируется фарадеево темное пространство. Электрическое поле постепенно нарастает, электроны набирают энергию и приобретают способность ионизировать атомы газа.
6. Бльшая часть объема разряда может быть занята слабоионизированной неравновесной плазмой. Участок, занятый плазмой, называется положительным столбом тлеющего разряда. На этом участке самопроизвольно устанавливаются такие значения параметров плазмы (напряженность поля, температура и концентрация электронов), которые обеспечивают замыкание цепи электрического тока между катодной и анодной областями разряда. По длине столба параметры плазмы и интенсивность свечения сохраняются обычно постоянными. Иногда в столбе возникает слоистая структура (страты), вызванная продольной ионизационной неустойчивостью в плазме.
7, 8. Вблизи анода равновесие зарядов вновь нарушается за счет направленного движения электронов к аноду, а ионов –
в сторону катода. Образуется область отрицательного пространственного заряда и повышенного поля, ускоряющего электроны. Это приводит к появлению анодного свечения. Знак анодного падения напряжения зависит от размеров анода и может быть положительным, отрицательным и равным 0.
Цвет свечения областей разряда отличается, так как различны энергии электронов. В гелии первое катодное свечение красное, отрицательное свечение зеленое, положительный столб красно-фиолетовый; в неоне – соответственно желтое, оранжевое, красный; в азоте – розовое, голубое, красный. В длинных трубках при не очень низких давлениях наблюдается в основном положительный столб.
При повышении давления все слои сжимаются и стягиваются к катоду. Если сближать электроды при постоянном давлении, то сокращается сначала положительный столб, затем фарадеево темное пространство, потом отрицательное свечение. С удалением отрицательного свечения тлеющий разряд переходит в затрудненный, для поддержания которого требуются повышенные напряжения.
Из-за присутствия поперечного электрического поля в области положительного столба эквипотенциальные поверхности там выпуклы и обращены выпуклостью в сторону катода. Так выглядит граница между положительным столбом и фарадеевым пространством. Границы слоя отрицательного свечения обычно плоские.
Области разряда 1 – 3 ограничивают катодное падение потенциала, область 7 и 8 – анодное. В промежуточных областях 4, 5 осуществляется переход от катодного слоя к положительному столбу. Участок 6 является областью анодного плазменного столба. Для поддержания тлеющего разряда наиболее необходимы его катодные области (с 1 по 3), обеспечивающие условия зарождения и нормального протекания процесса лавинной ионизации газа. Столб разряда лишь соединяет катодные части разряда с анодом. Поэтому столб в разряде может отсутствовать, если анод расположить на границе катодной области.
Каждая область разряда характеризуется своим падением потенциала: Uk – катодное падение потенциала; Ua – анодное падение потенциала; Ucт = Elcт (E –продольная напряженность электрического поля в столбе, lcт – длина положительного столба).
Падение напряжения в разряде – Up, или напряжение горения разряда, равно сумме падений напряжений на отдельных его участках Up = Uk+Ua+Ucт. Основное падение напряжения происходит в катодных областях, так как именно здесь формируется разряд.