11. Понятие газового усиления.

Ускоряя электрическим полем электроны, образовавшиеся при первичной ионизации, можно, оставаясь в режиме несамостоятельного разряда, получить большое газовое усиление.

Пробой разрядного промежутка

Принимая во внимание эмиссию электронов под действием ударов

положительных ионов, можно получить следующий закон нарастания тока вмеждуэлектродном промежутке:

Обычно – величина малая и произведение e^d1меньше единицы.

При этом уменьшение тока с катода под действием посторонних факторовбудет приводить к уменьшению анодного тока. При I_к= 0 окажется равнымнулю и ток на анод, что подтверждает несамостоятельность разряда.

Если при неизменномIкувеличивать анодный ток за счёт увеличенияe^dи уменьшения 1e^d1путём подбора соответствующих условий, это будет объясняться увеличением интенсивности электронных лавин, развивающихся между электродами.

Однако как бы ни была мала величина 1ed 1, анодный токбудет иметь место только при наличии эмиссионного тока под действиемвнешних факторов, т.е. разряд будет оставаться несамостоятельным.

Предположим, что в результате увеличения e^dчлен знаменателя e^d1станет равным единице, а весь знаменатель равным нулю. Формально этоозначает, что при I_к= 0 в правой части уравнения имеется неопределённость.

При этих условиях анодный ток будет иметь место даже при отсутствииэмиссии электронов из катода под действием внешних факторов. Электронные лавины становятся настолько мощными, количество ионов, возникающих в объёме столь велико, что эмиссия электронов из катода поддействием ионной бомбардировки обеспечивает разряд.

Таким образом, выражение

(5.7)

характеризует условие, при котором разряд переходит изнесамостоятельного в самостоятельный. Это условие имеет следующийфизический смысл: разряд становится самостоятельным, если одинвыходящий из катода электрон порождает такое количество положительныхионов, которые приходя к катоду, выбивают из него не менее одногоэлектрона.

Ранее было отмечено, что коэффициенты /Р и являются функциямиприведённой напряжённости поляЕ/Р. Учитывая это условие переходаразряда из несамостоятельного в самостоятельный, можно записать:

(5.8)

Напомним, что речь идёт о моменте, предшествующем развитиюразряда, когда объёмный заряд электронов и ионов ещё невелик исущественного влияния на распределение потенциала между электродами неоказывает. При этом распределение потенциала можно считать линейным инапряжённость поля постоянной:

(5.9)

Тогда уравнение можно переписать в виде:

(5.10)

Это уравнение показывает, что напряжение зажигания самостоятельногоразряда является функцией произведения давления на расстояние междуэлектродами U f P d з . Эта зависимость ещё до появления теорииТаунсенда была исследована экспериментально Пашеном в широкомдиапазоне условий, поэтому соответствующие кривые носят названиекривых Пашена. Типичный вид зависимости напряжения зажигания отпроизведения давления на расстояние между электродами приведён нарис. 5.2.

Наличие минимума на кривой связано с тем, что по мере увеличениявеличины Рdувеличивается частота столкновений электронов с молекуламигаза, что приводит к увеличению вероятности ионизации, но в то же времяуменьшается энергия, приобретаемая электронами между столкновениями, что вызывает уменьшение вероятности ионизации. Напряжение зажиганияразряда является одной из важнейших характеристик ионных приборов и этопослужило причиной многочисленных исследований по влиянию материалаэлектродов и состава газа на потенциал зажигания.

Рис. 5.2. Типичный вид кривой Пашена

Было найдено, что напряжение зажигания уменьшается приуменьшении работы выхода электронов из катода (коэффициент зависит отработы выхода). При изготовлении некоторых типов ионных приборов дляуменьшения потенциала зажигания разряда производится активация катодавеществами, снижающими работу выхода (например, барием, цезием и др.).

Напряжение зажигания сильно понижается при добавлении к основномугазу легкоионизируемой примеси. Это может быть связано как с меньшимпотенциалом ионизации примеси, так и с эффектом Пеннинга, когдаметастабильные атомы основного газа ионизируют атомы или молекулыпримеси. Закон Пашена может нарушаться при сильном уменьшениидавления газа, когда средняя длина свободного пробега становитсясоизмеримой с расстоянием между электродами. Кроме того, отклонения отзакона Пашена наблюдаются и при давлениях больше 1 атм, когда разрядразвивается в виде искры.