Самостоятельный разряд в газе

Самостоятельный разряд в газе происходит при холодном катоде. При отсутствии ионизации распределение потенциала между электродами аналогично распределению потенциала в конденсаторе, образованном этими электродами. Однако в реальной газовой среде всегда существует некоторое количество ионов и свободных электронов, образовавшихся под действием ионизирующих излучений космического пространства и реакций распада радиоактивных элементов. Поэтому при приложении напряжений, достаточных для лавинообразно нарастающей ионизации (обычно от 200 до 600 В) в приборе зажигается разряд. Образующиеся при разряде положительные ионы формируют распределение потенциала, подобное изображенному на рис. 17, они также бомбардируют холодный катод и вызывают эмиссию электронов. Тем самым обеспечиваются условия для поддержания стационарного разряда. Такой разряд, в отличие от разряда при накаленном катоде, который поддерживался за счет термоэлектронной эмиссии, называется самостоятельным. Разряд в приборе с накаленным катодом – несамостоятельный, так как энергия, необходимая для разогрева катода, поступает от внешнего источника.

Для существования самостоятельного разряда необходимо, чтобы каждый электрон, вылетающий с катода и попадающий на анод, в результате всех процессов, происходящих в разрядном пространстве, обеспечил бы выход из катода не менее одного нового электрона. Согласно теории, разность потенциалов, необходимая для возникновения самостоятельного разряда, иначе говоря, потенциала зажигания

U_з = U_ион pr/(const + ln (pr)),

где p – давление газа, r – расстояние между электродами.

Зависимость потенциала зажигания от произведения pr, называемая кривой Пашена, изображена на рис. 18. Кривая имеет минимум при оптимальном произведении pr. При больших, чем оптимальное, значениях произведения pr зажигание разряда затруднено вследствие того. что на пути к аноду электроны испытывают слишком большое число столкновений и поэтому на каждой длине свободного пробега приобретают меньшую энергию для ионизации атомов. Наличие восходящей левой ветви кривой объясняется тем, что при малых междуэлектродных расстояниях (или давлениях газа) электроны на пути к аноду испытывают слишком малое число столкновений, вследствие чего образование электронной лавины для зажигания разряда также затрудняется.

Примеси к данному газу других газов, даже в небольших количествах, существенно изменяют величину потенциала зажигания. Этим пользуются в ионных приборах для снижения этого потенциала.

Когда величина разрядного тока мала (порядка единиц или десятков миллиампер) вследствие ограничения ее включенным последовательно с прибором большим добавочным сопротивлением, возникающий самостоятельный разряд получается в виде тлеющего разряда. Выход электронов из катода при тлеющем разряде происходит под действием ударов положительных ионов о катод, то есть, имеет место вторичная электронно-ионная эмиссия.

Распределение потенциала и объемного заряда вдоль оси прибора при тлеющем разряде показано на рис. 17 б и в. Вблизи катода имеется избыточный положительный объемный заряд, а плазма, называемая часто положительным столбом, содержит небольшой избыток электронов. Основное падение напряжения, как и в приборе с накаленным катодом, сосредоточивается вблизи катода.

На рисунке 19 изображена вольт-амперная характеристика самостоятельного разряда в газе. Область I соответствует зажиганию разряда. Области II и III описывают поведение прибора при тлеющем разряде. После зажигания разряда напряжение между анодом и катодом снижается до уровня напряжения горения, так как из-за интенсификации процессов ионизации поддержание самостоятельного разряда становится возможным и при меньшем, чем U_з, напряжении.

Напряжение питания E_a перераспределяется между ионным прибором и добавочным сопротивлением R (см. рис.20). Это добавочное сопротивление часто называют балластом. В цепях переменного тока с целью экономии энергии предпочитают использовать реактивные (индуктивные, реже емкостные) балласты.

При большой величине R в цепи устанавливается незначительный ток, и катодное свечение покрывает не всю поверхность катода, а только часть ее. При повышении напряжения источника или уменьшении сопротивления светящаяся поверхность расширяется. В этом режиме, называемом режимом нормального катодного падения (участок II на рис. 19), пока не вся поверхность катода покрыта свечением, величина тока пропорциональна площади светящейся поверхности, а плотность тока и величина катодного падения остаются неизменными. Вольт-амперная характеристика в этом режиме близка к горизонтали: ток через прибор растет при почти постоянном падении напряжения. Величина нормального катодного падения определяется парой газ – металл катода, наименьшая она для металлов с малой работой выхода электрона.

Когда вся поверхность катода покроется свечением, дальнейшее увеличение тока потребует роста плотности тока на катоде, то есть, увеличения количества электронов, выбиваемых ионами с единицы площади катода. Для этого ионы должны иметь большие скорости, следовательно, должно быть и большее катодное падение. Этот режим называется режимом аномального катодного падения (область III на рис. 19) и характеризуется тем. что для увеличения тока нужно повышать разность потенциалов на электродах. Аномальное катодное падение может многократно превышать нормальное катодное падение.

При дальнейшем росте тока и напряжения на электродах ионного прибора разряд при некотором критическом напряжении переходит в дуговой, характеризующийся значительным снижением падения напряжения на приборе и резким ростом тока (область V на рис. 19). Образование дугового разряда происходит вследствие того, что при большой плотности тока и интенсивных процессах ионизации положительные ионы настолько близко подходят к катоду (на расстояние до 0,1…0,01 мкм), что уже при катодном падении порядка 10 В напряженность электрического поля около катода достигает величины порядка 10⁸ …10⁹ В/м. Этого достаточно для того, чтобы вызвать значительную автоэлектронную эмиссию катода, то есть, вырывать электроны из холодного катода электрическим полем. При дуговом разряде интенсивная автоэлектронная эмиссия происходит не равномерно со всей поверхности катода, а лишь с небольшого его участка – так называемого катодного пятна. Это пятно при разряде беспорядочно перемещается по поверхности катода. Плотность тока автоэлектронной эмиссии с катодного пятна достигает 10¹⁰ А/м² и более.

Дуговой разряд с холодным катодом называется автоэлектронной дугой. Он является самостоятельным. Полная разность потенциалов на электродах дуги невелика (10…30 В). Токи, проходящие через прибор при дуговом разряде, могут достигать десятков, сотен и даже тысяч ампер. При больших токах электроды интенсивно разогреваются, и, как следствие, имеет место значительная термоэлектронная эмиссия. Такой разряд называют термоэлектронной дугой.

Дата добавления: 2014-01-07