Основные разновидности электрических разрядов в газе

МОДУЛЬ 7 ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия газоразрядных или ионных приборов основан на физических процессах, протекающих при прохождении электрического тока через газ. Прохождение тока через газо-вую среду называют газовым разрядом. При этом ток создается не только направленным пере-мещением электронов, но и встречным движением ионов.

Различают несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды. Если заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет внешних факторов (нагрев катода, радиоактивное облучение и т.д.), то газовый разряд называют несамостоятельным. Если газовый разряд поддерживается только за счет энергии электрического поля, возникающего при подаче напряжения на электроды, то разряд на-зывают самостоятельным. Возникновение и особенности основных видов газового разряда удобно про-следить, анализируя зависимость между напряжением на электродах и током в цепи газоразрядной трубки (вольтамперную характеристику). Схема для получения такой зависимости приведена на рис. 43, а,а вольтамперная характеристика газового разряда–на рис. 43, б.

С увеличением напряжения, подводимого к электродам газоразрядной трубки, ток I, протекающий через нее, увеличивается, так как все большее количество свободных электронов и ионов, образующих-ся, например, при космическом облучении, достигает поверхности электродов. При напряжении в не-сколько вольт (точка А) уже все носители зарядов участвуют в образовании тока и дальнейшее повы-шение напряжения до сотни вольт (участок 0Б) не приводит к увеличению I. Этот ток, называемый то-ком насыщения, зависит от интенсивности ионизирующих факторов и конструктивных особенностей газоразрядной трубки. Его значение порядка 10^–14 А.

		I,А
		10^2		З
					Ж
	10^–2
		Е
	10^–4
А	10^–6		Д
10–8			Г
		–10
V	10–12	А	Б	В
	10–14
					0 10 10^2	U,В
		а)			б)

Рис. 43 Исследование разряда в газе:

а – схема установки; б – вольтамперная характеристика газового разряда

При дальнейшем увеличении напряжения скорость дрейфа электронов навстречу электрическому полю (к аноду) возрастает и они приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа при столкновениях.

Количество заряженных частиц в газовой среде растет, что приводит к новому увеличению тока (уча-сток БВ). При этом скорость дрейфа положительных ионов к катоду возрастает настолько, что ионы, попа-дая на катод, могут, в свою очередь, выбить из него электроны. Точка Б соответствует такому состоянию процесса, когда излученные катодом электроны порождают столько ионов, что они, падая на катод, вновь выбивают не меньшее количество электронов. При этом разряд из несамостоятельного переходит в само-стоятельный и способен поддерживаться в отсутствие внешней ионизации. Напряжение, при котором воз-никает самостоятельный разряд, зависит от многих факторов. Чтобы снизить это напряжение, в некоторых ионных приборах катод покрывают веществами, уменьшающими работу выхода электронов (оксидами ба-рия, цезия и др.).

На участке ВГ ток возрастает при постоянном напряжении только за счет размножения носителей заря-да. На участке ГД лавинообразный рост количества заряженных частиц приводит к тому, что увеличение тока сопровождается снижением напряжения на электродах. Участок АБВГ соответствует темному разряду, который можно наблюдать только по показаниям амперметра.

На участке ГД осуществляется переход к тлеющему разряду. Насыщение разрядного промежутка большим количеством положительных ионов вызывает большой перепад потенциалов в небольшой облас-ти, непосредственно примыкающей к катоду. Это создает большую напряженность электрического поля вблизи поверхности катода. Именно в этой области электроны приобретают значительную энергию и ин-тенсивно ионизируют газ. Одновременно с ионизацией идет процесс рекомбинации: часть ионов захватыва-ет электроны и превращается в нейтральные молекулы. Процесс рекомбинации сопровождается излучением квантов света, и газ начинает светиться.

Поверхность катода всегда имеет небольшие структурные неоднородности, вблизи которых интенсив-ность ионизации газа несколько различна. Локальное увеличение ионизации вызывает некоторое повыше-ние температуры малого участка катода, что приводит к дальнейшему возрастанию количества ионов над этим участком. В результате разряд «стягивается» в трубку, основание которой размещается на ограничен-ном (рабочем) участке катода. Тонкий слой светящегося газа над этим участком образует катодное пятно.

Интервал ДЕ вольтамперной характеристики соответствует нормальному тлеющему разряду. Особен-ность этого разряда заключается в том, что рост тока происходит только за счет увеличения площади катод-ного пятна (при постоянной плотности тока).

В точке Е катодное пятно захватывает всю площадь катода и для дальнейшего роста тока необходимо снова увеличивать напряжение (участок ЕЖ). Разряд, соответствующий этому интервалу вольтамперной характеристики, называется аномальным тлеющим разрядом.

В точке Ж напряженность электрического поля вблизи катода достигает значений порядка 10⁸ В/м, при этом становится возможной автоэлектронная эмиссия, т.е. вырывание электрическим полем электронов из анода. Возникает дуговой разряд, сопровождаемый резким увеличением тока при снижении напряжения на электродах до нескольких вольт (точка З). Образуется яркое катодное пятно дугового разряда, и последую-щий рост тока происходит за счет увеличения площади этого пятна.

Если токи тлеющего разряда измеряются единицами миллиампер, то токи дугового разряда – десятками и сотнями ампер. Поэтому при работе в режиме дугового разряда в цепь газоразрядной трубки должно быть включено ограничительное сопротивление (рис. 43, а). Без этого сопротивле-ния небольшие колебания питающего напряжения могут привести к такому росту тока, что катод расплавится.

Кроме напряжения на ток газоразрядной трубки существенно влияют состав и плотность газа-наполнителя, размеры и конфигурация электродов, расстояние между электродами и материал, из которого они изготовлены.

Следует отметить, что в технике высоких напряжений существенную роль играют другие виды разря-

дов, в частности коронный и искровой.

Дата добавления: 2015-05-06