Плазменная электроника / Лаба4

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника»

Тема: РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА (КРИВЫЕ ПАШЕНА)

Студент гр. 4209		Хабибулин А.Р.
Преподаватель		Марцынюков С.А.

Санкт-Петербург

2016

Цель работы.

Расчет напряжения возникновения газового разряда при различных условиях.

Основные теоретические положения.

Разность потенциалов между электродами, при которой разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный, называется пробивным напряжением, или напряжением возникновения газового разряда, и имеет большое значение при разработке плазменных приборов и устройств. Физический смысл напряжения возникновения (Uв) иллюстрируется с помощью вольтамперной характеристики двухэлектродного промежутка, показанной на рис. 4.1, где j – плотность тока, протекающего между электродами; U0 – приложенное к ним напряжение. Область I обусловлена током частиц, образовавшихся в промежутке за счет объемной ионизации и вторичной эмиссии электронов поверхностью катода под действием достаточно жестких квантов и быстрых ядерных частиц, связанных с естественным (космическим) или искусственным фоном облучения. Если каким-то образом оградить промежуток внешнего ионизирующего воздействия, то ток между электродами в области I практически прекратится. По этой причине протекание тока на участке I вольт-амперной характеристики (ВАХ) называется «несамостоятельным» разрядом.

При достаточно больших значениях pL существенную роль начинают играть процессы ступенчатой ионизации, фотоионизации и др., что также обусловливает отклонение от закона Пашена. Качественно ход кривой закона Пашена объясняется следующим образом. Рассматриваем относительно минимума кривой. Пусть L постоянно, и меняется давление газа р. Давление газа р увеличивается, следовательно, количество молекул газа увеличивается, а значит длина свободного пробега электрона в газе уменьшается, поэтому на расстоянии каждого свободного пробега электрон в среднем проходит меньшую разность потенциалов и вероятность ионизации при столкновении уменьшается, что приводит к увеличению Uв. При уменьшении давления газа р уменьшается число столкновений электрона с молекулами газа на пути, пройденном электроном в направлении от катода к аноду, что затрудняет ионизацию. Рассмотрим случай, когда давление газа р постоянно, а меняется расстояние между электродами L. При увеличении этого расстояния уменьшается напряженность поля Е, так как в случае плоских электродов Е = U/L, падает энергия электронов, уменьшается вероятность ионизации, что влечет за собой увеличение Uв. При уменьшении расстояния между электродами L уменьшается пространство, находящееся в распоряжении идущей от катода к аноду лавины, при ее развитии падает число столкновений электронов с атомами, что опять-таки затрудняет ионизацию.

Обработка результатов эксперимента.

Таблица 1

1. Зависимость α(E).

Рис. 1. Зависимость α(Е) для газа Ne и материала мишени Pt

2. Зависимость Ub=f(pL) для Ne при 3 материалах мишени.

Pt

Ar

Fe

эксперимент. кривая

Эксперимент.

Рис. 2. Зависимость Ub=f(pL) для Н₂ при 3 материалах мишени.

3

Зависимость Ub=f(pL) для Fe и 3 различных газов. Зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв от произведения pL имеет вид:

График зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв от произведения pL, где р – давление газа, а L – расстояние между электродами, представлен на рисунке 2 для одного газа (водорода) и трех мишеней (железо, платина, никель) и на рисунке 3 для трех газов (аргон, неон, водород) и одной мишени (платина).

Ne

H₂

Ar

Рис. 3. Зависимость Ub=f(pL) для Pt и 3 различных газов.

Вывод: в данной лабораторной работе были исследованы напряжения возникновения газового разряда при различных условиях, коэффициента объёмной ионизации и сопоставление полученных данных с экспериментальными. Было отмечено, что теоретическая аппроксимация коэффициента объёмной ионизации хорошо совпадает с экспериментальными данными особенно при высоких значениях отношения . Приблизить теоретическую аппроксимацию к графику экспериментальных данных можно путём подбора различных коэффициентов А и для одного и того же газа. Полученные зависимости позволили определить, что минимальное напряжение возникновения газового разряда зависит от состава газа и материала мишени.

Видно, что разные газы с различными константами А и обладают при железе в качестве материала мишени различными значениями минимума напряжения возникновения на различных расстояниях между электродами. Исходя из графика, видно, что наименьшим напряжением возникновения газового разряда обладает аргон, обладая при этом и наименьшим межэлектродным промежутком. Наибольшие показатели из представленных присутствуют у водорода. Эти свойства газов объясняются, скорее всего, разностью значений потенциала ионизации и размеров самих атомов молекул, которые влияют на способность атома удержать при себе электрон, компенсируя при этом проигрыш в энергии.

Анализ кривых Пашена показывает, что для одного и того же газа (то есть при одних и тех же значениях А и В) минимум напряжения возникновения газового разряда будет тем меньше, чем больше коэффициент вторичной эмиссии ионно-электронного типа. Так, наименьшее значение минимума кривой Пашена наблюдается при использовании платины в качестве материала мишени, а наибольшее – при использовании железа. Связано это, скорее всего, с разностью значений работ выхода для этих материалов.

Экспериментальная зависимость Uв для водорода указывает на то, что в реальных плазменных приборах с использованием этого газа минимальное напряжение пробоя будет достигаться на больших межэлектродных промежутках и превысит теоретические значения, полученные с использованием различных результатов мишени. К тому же сама экспериментальная кривая Пашена для водорода имеет более плавные участки роста и падения по сравнению с теоретическими зависимостями. Эти факты, а также то, что кривая Пашена для реальных приборов не бесконечна, объясняются тем, что при слишком малых расстояниях между электродами происходит вакуумный пробой, вызванный разогревом электрода вследствие холодной эмиссии, а при слишком больших расстояниях происходит лавинный пробой. Эти факторы, а также излучение электронами при торможении рентгеновского кванта и испарение материала катода в процессе работы реального устройства и определяют более плавный ход кривой Пашена.