Лекция №5

Электрический разряд в газах.

Классификация. Несамостоятельный разряд

Без ионизационного усиления

Слайд№1

Добрый день. Сегодня мы поговорим об электрическом разряде в газах. Электрический разряд – это термин, который прочно закрепился за явлениям появления тока в газовом промежутке, хотя и неотражает по сути это явление. Правильнее было бы называть разряд током. Но с установившейся традицей на посопришь, поэтому мы также будем оперировать термином газовый разряд, правда подразумевая при этом электрический ток через газовый промежуток.

Для появления же тока в газовом промежутке необходимы: Во первых, наличие в газовом промежутке свободных носителей тока. И во вторых, это наличие факторов (электрическое поле, градиент концентраций или температуры и др), которые сообщили бы свободным носителям направленную скорость.

Электрический ток в свою очередь можно разделить на самостоятельный, который поддерживается только электриеским полем без каких-либо еще внешних воздействий; и нанесамостоятельный,для поддержания которого в газенеобходимвнешнийисточник ионизации, и устранение его приводит к исчезновению тока.

Слайд№2

Посмотрим, как можно классифицировать токи, попадающие в эти две большие группы. Для начала рассмотрим несамостоятельный ток. Его классификацию удобно провести по месту возникновения первоначального тока: это может быть как газ, так и электроды. Ток, который возникает на электродах может быть как электронным, так и ионным. Электронный ток бывает термоэлектронным (источником явлется термоэлектронная эмиссия) и фотоэлектронным (источник- фотоэффект на поверхности электрода). Далее появившийся на электродах ток может быть без ионизационного усиления, когда напряженность поля между электродами не достаточно велика, чтобы обеспечить рождение заряженных частиц в объеме за счет ударной ионизации электрона cэлектрода. А также может быть с ионизационным усилением, когда заряженные частицы на своем пути к проитвоположному электроду ионизуют газовый промежуток, тем самым усиливая первоначальный ток. Ток, который возникает в газе, может быть обусловлен: внешим источником ионизации; внутренними процессами в газе и остаточной ионизацией в газе. Внешним источником ионизации чаще всего бывает либо электромагнитное излучение, либо сами заряженные частицы. Под внутренними процессами в газе подразумевается термическая ионизация, химическая реакция или радиоактивные процессы, т.е. процессы с выделением тепла.

Слайд№3

Самостоятельный ток можно условно разделить на три большие группы: 1- установившийся, 2-меняющийся по величине, 3-неустановившийся.

Установившийся ток, как раз известный нам под разными видами газового разряда. При этом если объемный заряд не играет существенной роли, таким образом, что электрическое поле не искажено им, то это либо Таунсендовский (темный) разряд, либо корона. При суественном влиянии объемного заряда на распределение поля в разрядном промежутке при тех или иных условиях, о которых будет рассказано дельше, мы получим тлеющий разряд или дугу, а также можно получить особые виды разрядов без катодных падений.

Под меняющимся по величине токе понимают – изменение тока без изменения рода преобладающих процессов. При этом проводимость плазмы может быть как постоянной, так и меняться. В первом случае это ВЧ разряды и колебания во внутренних полях. Во втором случае это может быть медленное изменение поля или быстро протекающий процесс.

Неустановивший ток связан с изменением рода преобладающих процесов, поэтому он типичен для перходных процессов, например, пробой газового промежутка, переход от одного вида разряда к другому или может быть при прекращении самостоятельного разряда.

Слайд№5

Рассмотрим теорию, объясняющиую формирование несамотоятельно тока в газе без ионизационного усиления.

Препосылками рассматриваемой теории являются следующие положения:

1. Внешний ионизатор воздействует на газ во всем объеме с плотностью ионизации ε

2. Ионизация газа однократная, при этом не образуется отрицательных ионов

3. Заряженные частицы исчезают на электродах и в объеме газа (рекомбинация проиходит по закону rn_in_e)

4. Между электродами напряжение постоянно U =const, а эффективная напряженность поляЕ/рнедостаточна для заметной вторичной ионизации электронным ударом (что типично для значенийЕ/р меньше 10В/(см∙Тор))

5. Концентрация заряженных частиц мала, поэтому в межэлектродном промежутке нет значительных искажений электричекого поля

6. Будем считать, что дрейф заряженных частиц обусловлен только электрическим полем, т.е. процессами диффузии пренебрегаем.

7. Давление таково, что длина свободного пробега электрона много меньше расстояния между электродами, т.е. λ_ei<<d. Отсюда следует, что скорость дрейфаu пропорциональна напряженности поля E

8. На электродах нет эмиссии и отражения заряженных частиц ( т.е. расматриваем только объемные процессы в газе)

Слайд№6

Таким образом, мы будем рассматривать газ, находящийся между плоскими электродами и подвергающийся действию ионизирующего излучения (рентгеновского, ультрафиолето¬вого и т. п.), производящего εионизации в 1 см газа в 1 сек. Пусть анодное напряжениеU_a мало и ионизация ударами электронов отсутствует, а катод не эмитирует электронов, так что все носители тока в разряде создаются внешним ионизатором. Положительные и отрицательные ионы (включая свободные электроны) исчезают из разрядного промежутка вследствие рекомбинации и нейтрализации на электродах. Площадь электродовQ.

Ток в промежутке постоянен и равен сумме иного и электронного токов. Ток обусловлен подвижностью зарядов в электрическом поле Е.

Распишем токи через подвижности и выразим концентрацию частиц.

Далее запишем уравнение баланса электронов, которое в общем виде учитывает изменение концентрации во времени и поток за счет градиента, и все это равно разницей между количеством появившихся частиц и из гибелью.

Так как мы считаем, что изменения количества частиц со временем не происходит, т.е. рассматриваем равновесный случай, то членом производной концентрации по времени можно пренебречь.

Слайд№7

Подставляя в получившееся выражение значение концентрации выраженное через подвижность и ток в разрядном промежутке получим общее выражение, связывающее изменение тока электронов в разрядном промежутке с источником ионизации, коэффициентом рекомбинации и электрическим полем.

Переобозначив за qпостоянную величину, стоящую перед произведением общего тока на ионный ток, а ионный ток выразив в свою очередь через электронный. Получим квадратное уравнение относительно электронного тока. Его решение имеет довольно сложный вид,

Однако для понимания поведения этой зависимости, можно рассмотреть частные простые случаи:

1. Электрическое поле отсутсвует E = 0

2. Слабое электрическое поле

3. Сильное электрическое поле

Слайд№8

Первый частный случай: Электрическое поле отсутствует.

Если нет поля, а диффузию мы не рассматриваем в этой задаче, значит ток в разрядном промежутке равен нулю. И все частицы, образовавшиеся в объеме, гибнут за счет рекомбинации. Объемных зарядов нет, т.к. нет поля и, следовательно, градиент поля равен нулю.

В этом случае уравнение баланса электронов приобретает очень простой вид, в котором источник ионизации приравнен гибели заряженных частиц. Из этого равенства можно найти максимальную концентрацию частиц в объеме.

Слайд№9

В случае появления слабого электрического поля у нас появляется ток в разрядном промежутке, однако по сравнению с рекомбинацией им можно пренебречь. Что позволяет нам воспользоваться формулой , полученной для максимальной концентрации частиц в объеме и применить ее в этом случае. Поле слабое, градиента поля нет, поэтому объемный заряд также не играет никакой роли. Напряженность электрического поля можно выразить как отношение напряжения между электродами Uк межэлектродному расстояниюd.

И тогда, подставив концентрацию и напряженность поля в выражение для электродного тока, получаем очень интересный результат. В этом случае для ток в газовом промежутке подчиняется закону Ома, т.е. он пропорционален приложенному напряжению.

В силу вышесказанного газовый промежуток характеризуется определенным сопротивлениемR и удельной проводимостью σ.

Слайд№10

В случае сильного электрического поля получаем, что поле уводит практически все ионы, образующиеся в промежутке. Напомним, что процессы вторичной ионизации газового промежутка мы не рассматриваем, т.е поле не настолько сильное, чтобы привести к ионизации электронным ударом. В этом случае нас уже мало интересует процесс рекомбинации и мы им можем пренебречь.

Тогда мы получаем, еще одни интересный результат: в этот случае ток не зависит от приложенного напряжения. Он постоянен. А электронный и ионный токи имеют линейной распределение в газовом промежутке. Этот режим называется - режимом тока насыщения.

Постоянство тока с ростом напряжения на электродах объясняется тем, что плотность частиц в объеме уменьшается за счет увода их полем на электроды. Это хорошо видно из графика зависимости концентрации от приложенного напряжения, приведенного на следующем сводном графике

Слайд№11

Рассмотрев подробно частные случаи, мы можем на их основе изобразить вольт амперную характеристику несамостоятельного разряда ( т.е. разряда, который существует только при наличии внешнего источника ионизации)

Итак, вольт амперную характеристика должна сначала иметь линейный рост и далее через переходную область перейти в область постоянного тока, не зависящего от напряжения.

Область ОА – включает линейный рост и переходную область и в этой области есть сначала есть только рекомбинация, затем подключается процесс увода частиц на стенки электродов. В области АВ у нас достигается ток насыщения, далее происходит рост тока при росте напряжения… Почему? Это вопрос следующей лекции.

Контрольные вопросы к лекции №5:

1. Какие факторы нужны для появления в разрядном промежутке тока?

2. На какие две основные группы можно разделить ток в газе?

3. Что такое самостоятельный ток?

4. Что такое несамостоятельный ток?

5. Какой ток подразумевают, когда говорят о классификации по месту возникновения: на электродах или в объеме?

6. Что такое установившийся ток, какие примеры такого тока вы можете назвать?

7. При рассмотрении несамостоятельного тока без ионизационного усиления какие делаются допущения?

8. Какие частные случаи целесообразно рассмотреть при анализе несамостоятельного тока в разрядном промежутке? Почему?

9. Как можно посчитать максимальную концентрацию частиц в объеме создаваемую внешним ионизатором?

10. В каком случае газовый промежуток можно характеризовать удельным сопротивлением и проводимостью?