1.6.6. Несамостоятельный газовый разряд.

На вольтамперной характеристике газового разряда полученной при действии внешнего ионизатора постоянной мощности участок ОА называется областью несамостоятельного разряда. При ионизации газа образуются электроны и одновалентные положительные ионы. Поэтому можно принять, что q₊=e и n₀₊=n_0, где n₀-число пар ионов в единице объема газа. В таком приближении участок 1 где наблюдается линейная зависимость тока от напряжения можно описать законом Ома.

J=en_o( . (27.6)

При дальнейшем увеличении напряжения между катодом и анодом ход линейной зависимости нарушается (участок 2), сила тока возрастает медленнее, чем напряжение и выходя на плато остается постоянной, несмотря на дальнейшее увеличение напряжения (участок тока насыщения 3, рис. 3.6,б ) Эта закономерность связана с тем, что в несамостоятельном газовом разряде величина n₀=const и зависит только от мощности внешнего ионизатора. Если n_cек-число пар одновалентных ионов, образующихся за одну секунду под действием внешнего ионизатора, то ток насыщения определится равенством:

I_нас=en_сек= . (28.6)

Здесь -коэффициент ионизации зависящий от энергии внешнего ионизатора, v-объем пространства газоразрядной трубки. Из анализа данной зависимости следует, что сила тока насыщения пропорциональна объему ионизируемого газа, концентрации молекул газа (иными словами: - давлению газа) и коэффициенту ионизации зависящего от типа излучения и мощности источника. Данный вид зависимости позволяет с помощью газоразрядной трубки (ионизационная камера), работающей в режиме тока насыщения сравнивать ионизирующую способность разных видов излучения. С этой целью ионизационные камеры широко применяются в ядерной физике.

2.6.6. Самостоятельный газовый разряд.

Анализ выражения для плотности тока (28.6) позволяет прийти к выводу, что внезапный и резкий скачок величины тока (участок 4 рис. 3.6,б) может возникнуть только по одной причине скачкообразном возрастании концентрации ионов. Причиной такого резкого скачка является ударная ионизация газа. При ударной ионизации и внешнем электрическом поле достаточной напряженности в газе создается ионная лавина. Вторичные электроны, возникшие за счет ударной ионизации, также ускоряются полем и в свою очередь ионизируют встречные атомы либо молекулы. В результате такого рода цепной реакции даже небольшое число электронов возникших в процессе внешней ионизации, способно вызвать значительный ток. Однако данный процесс ещё нельзя назвать самостоятельным разрядом, так как при прекращении действия внешнего ионизатора разряд прекратится, как только все ионы нейтрализуются на электродах. Для возникновения и развития самостоятельного разряда необходимо, чтобы и положительные ионы приобрели способность выбивать свободные электроны из молекул газа, либо из катода перед их нейтрализацией. Это достигается при определенном значении ускоряющего напряжения. В этом случае образуется двусторонняя лавина электронов и положительных ионов, возникающих во всех частях объема газа. В данном случае внешний ионизатор практически не участвует в поддержании разряда и прекращение его действия никак не отражается на дальнейшем протекании газового разряда. Переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называют электрическим пробоем газа, а соответствующее ему ускоряющее напряжение (U_з) напряжением пробоя или напряжением зажигания.

Напряжение зажигания газоразрядной трубки (U_з) с плоскими электродами определяется тремя основными факторами: а) составом газа; б) произведением: его давления (Р) на расстояние (d) между катодом и анодом; и в) материалом катода. Характерный вид таких зависимостей для различных газов представлен на рис. 4.6. Наличие минимума в представленных зависимостях непосредственно связано с условиями возникновения самостоятельного газового разряда. Чем меньше потенциал ионизации молекул газа и чем меньше работа выхода электронов из катода, тем при прочих равных условиях меньше напряжение зажигания. При постоянной величине ускоряющего напряжения (U_а=const) с уменьшением Р и d возрастает напряженность электрического поля и длина свободного пробега электронов, что облегчает ударную ионизацию. Однако при низких давлениях газа длина свободного пробега становится сравнимой с межэлектродным расстоянием (d) и развитие ударной ионизации затрудняется. В этих условиях она может возникнуть только при повышенном анодном напряжении.

Рис. 4.6 Зависимость напряжения

зажигания от произведения Рd.

Напряжение зажигания в значительной мере зависит от содержания в газе примесей. Подбором примесного газа и его концентрации можно существенно повысить либо понизить напряжение зажигания самостоятельного разряда.

В заключение рассмотрения условий возникновения самостоятельного газового разряда целесообразно отметить следующее. Для возникновения электрического пробоя газа необходимо, чтобы в газе имелось хотя бы незначительное (начальное) количество свободных носителей заряда, способных сыграть роль «запала» для развития самостоятельного разряда. В естественных условиях газ всегда подвергается термической ионизации, действию космических лучей и радиоактивного излучения Земли, всегда обеспечивающих ионизацию небольшой части его молекул. При этом необходимость присутствия искусственных источников ионизации отпадает.

Самостоятельный разряд, возникающий в газе при пониженном давлении (Р≤5КПа), называется тлеющим разрядом. Основной особенностью данного разряда является малая плотность тока на катоде и большое падение потенциала (порядка сотен вольт) в области разряда около катода рис. 4.6. Разряд заполняет всю газоразрядную трубку, но отдельные светящиеся участки разделены темными промежутками. Основными частями тлеющего разряда являются: а) катодное темное пространство (область 1), б) резко отделенное от него отрицательное, или тлеющее свечение (область 2), которое постепенно переходит в область (3) фарадеево темное пространство. Эти три области образуют катодные части разряда, за которыми следует основная часть разряда (область 4), называемая положительным столбом, определяющим его оптические свойства. Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда. Он образован из положительных ионов и электронов концентрации, которых сравнимы и очень большие. Такое состояние газа называется газоразрядной плазмой. Проводимость газоразрядной плазмы очень высока. Поэтому в данной области практически нет падения напряжения, и полностью отсутствует ударная ионизация. Резкое изменение потенциала вблизи анода связано с процессом генерации положительных ионов. Энергия, выделяемая молекулами газа при рекомбинации ионов и есть причина свечения газа. Поэтому свечение положительного столба (его цвет) зависит от природы газа. При уменьшении расстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается, и он может исчезнуть совсем.

Рис. 4.6. Распределение потенциала в газоразрядной трубке при развитии тлеющего разряда.

Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Резкое падение потенциала вблизи катода связано с большой концентрацией положительных ионов на границе областей (1-2), и обусловлено сравнительно малой скоростью движения ионов к катоду. Протяженность катодного темного пространства определяется природой газа и материала катода. Положительные ионы в катодном темном пространстве получают значительное ускорение и, бомбардируя катод, выбивают из него электроны, которые непосредственно над областью подвергающейся бомбардировке вызывают ударную ионизацию молекул и теряют свою энергию. Напряженность электрического поля в этой области мала. Здесь образуются положительные ионы необходимые для поддержания разряда. Ударная ионизация одновременно сопровождается и возбуждением определенного числа молекул, которые при переходе в исходное состояние излучают кванты света. Однако область (2) тлеющего свечения (холодное свечение газа, именуемое иногда катодным свечением) вызывается преимущественно рекомбинацией электронов и ионов.

Рассмотренные условия ударной ионизации приводят к стягиванию тлеющего разряда со всей поверхности к ограниченной рабочей области катода (поверхности катодного свечения) соответствующей конкретному значению тока нормального тлеющего разряда. Нормальный тлеющий разряд (участок ДЕ рис. 3.6,б) происходит при постоянном значении напряжения нормального катодного падения (табл. 2.6) зависящего только от состава газа и материала катода. Опытным путем установлено, что напряжение нормального катодного падения прямо пропорционально работе выхода электронов из материала катода.

Нормальный тлеющий разряд характеризуется постоянным значением плотности тока (J_т.н.) в рабочей области катода (рис. 3.6,б). Величина J_т.н. зависит от материала катода, состава газа и его давления. Поэтому минимальному значению тока нормального тлеющего разряда (J_min.тл) соответствует некоторая минимальная площадь катодного свечения определяемая равенством:

S_к.c=I_min.тл ∕ J_т.н. (29.6)

Таблица 2.6.

Величина нормального катодного падения напряжения (в вольтах) для различных комбинаций металл – газ.

Материал катода

Cu

Al

Ni

Fe

Газ

H2	He	Ne	Ar
214 172 211 198	177 141 - 161	- 120 - 152	131 100 131 131

Увеличение тока нормального тлеющего разряда, при постоянном значении анодного напряжения (U_а =U_а.тл.н рис. 3.6,б) происходит за счет расширения рабочей области катода (увеличения площади катодного свечения S_к.с.). В режиме, когда вся площадь катода становится рабочей (соответствует поверхности площади катодного свечения) достигается максимальный ток самостоятельного газового разряда:

I_тл.max=S_кат.J_т.н. (30.6)

Так как в рассматриваем режиме реализуется вся площадь катода (точка Е, рис 3.6.б), то увеличить ток тлеющего разряда можно только с помощью увеличения его плотности. Для этого необходимо сообщить бомбардирующим положительным ионам и вторичным электронам большую кинетическую энергию, что достигается только увеличением напряжения катодного падения при увеличении ускоряющего напряжения на электродах газоразрядного прибора. При достижении ускоряющего напряжения U_а ≥U_а.тл происходит постепенный переход нормального тлеющего разряда (участок EF, рис. 3.6,б) в аномальный тлеющий разряд с сложной зависимостью анодного тока. С увеличением напряжения на электродах газоразрядного прибора в режиме аномального тлеющего разряда (аномального катодного падения) напряженность электрического поля возле катода возрастает. При некотором критическом напряжении U_{з дуг}, (рис. 3.6,б) называемым напряжением зажигания дугового разряда развивается электростатическая эмиссия с поверхности катода. На участке ЕF (рис. 3.6,б) происходит постепенный переход аномального тлеющего разряда в дуговой разряд, при котором на электродах газоразрядного прибора устанавливается напряжение U_дуг =3-30 В.

Дуговой разряд на участке GH, как и нормальный тлеющий разряд осуществляется с постоянной плотностью тока. Поэтому при ограниченном токе дугового разряда работает лишь некоторая область катода, которая из-за своего яркого свечения получила название катодного пятна. С увеличением тока дугового разряда, что происходит при постоянном U_дуг, площадь катодного пятна расширяется и в точке Н это пятно полностью покрывает весь катод. Дальнейшее увеличение тока дугового разряда связано с увеличением напряжения катодного падения и анодного напряжения. При этом под действием бомбардировки ионов катод разогревается и к электростатической эмиссии добавляется термоэлектронная эмиссия. Режим, при котором I_aI_{a дуг} является аварийным, так как ионная бомбардировка сопровождается разогревом катода, что приводит к его быстрому разрушению.

Для гашения разряда необходимо отключить источник питания от прибора, или снизить анодное напряжение до U_a U_{а дуг}. При этом происходит деионизация плазмы. Время деионизации для различных газов находится в пределах 10^-4-10^-5 секунды.