Електричний розряд в газах
Газорозрядними (іонними) називають електровакуумні прилади з електричним розрядом в газі або парах. Як правило, газ в таких приладах знаходиться під зниженим тиском. Електричний розряд в газі - це сукупність явищ, які супроводжують проходження електричного струму через газ (або пар). При такому розряді протікає кілька основних процесів.
Порушення атомів. При порушенні атома під ударом електрона один з електронів атома переходить на більш віддалену від ядра орбіту, т. Е. На більш
високий енергетичний рівень. Таке збуджений стан атома триває зазвичай 10 -7 -10 -9 с, після чого електрон повертається на нормальну орбіту і при цьому віддає у вигляді випромінювання енергію, яку атом отримав при порушенні від вдарив електрона. Випромінювання супроводжується світінням газу, якщо випускаються промені відносяться до видимої частини електромагнітного спектра.
Для того щоб відбулося порушення атома, ударяющий електрон повинен мати певну енергію, так звану енергію збудження.
Іонізація. Іонізація атомів (або молекул) газу відбувається при енергії вдаряє електрона більшою, ніж енергія збудження. В результаті іонізації з атома вибивається електрон. Отже, в просторі будуть два вільних електрона, а сам атом перетвориться в позитивний іон. Якщо ці два вільних електрона при русі в ускоряющем поле наберуть достатню енергію, то кожен з них може іонізувати новий атом. Тоді вільних електронів буде вже чотири, а іонів - три. Ці електрони знову можуть призвести іонізацію. Таким чином, відбувається лавиноподібне наростання числа електронів та іонів.
Можлива також ступінчаста іонізація. Від удару одного електрона атом переходить у збуджений стан і, не встигнувши повернутися в нормальний стан, іонізується від удару другого електрона. Збільшення в газі числа заряджених частинок за рахунок іонізації називають електризацією газу.
Нижче наведені значення енергії збудження і іонізації (в електрон-вольтах) для деяких газів:
Рекомбінація. Поряд з іонізацією в газі відбувається і зворотний процес нейтралізації протилежних за знаком зарядів. Позитивні іони і електрони здійснюють в газі безладне (теплове) рух і, наближаючись один до одного, можуть з'єднатися, утворюючи нейтральний атом. Цьому сприяє взаємне тяжіння різнойменно заряджених частинок. Відновлення нейтральних атомів називають рекомбінацією. Отриманий в результаті рекомбінації нейтральний атом може знову іонізуватися, а потім його складові частини - позитивний іон і електрон знову можуть рекомбінувати і т.д.
Рекомбінація призводить до зменшення числа заряджених частинок, тобто до деионизации газу. Залежно від переваги іонізації або рекомбінації відповідно збільшується або зменшується число заряджених частинок. У сталому режимі число електронів (або іонів), врзнікающіх за 1 з внаслідок іонізації, дорівнює числу нейтральних атомів, які утворюються за той же час в результаті рекомбінації. При виникненні електричного розряду в газі іонізація має перевагу над рекомбінацією. Навпаки, при зменшенні інтенсивності електричного розряду рекомбінація має перевагу над іонізацією. А з припиненням розряду іонізація зникає, і внаслідок рекомбінації відновлюється нейтральне стан газу.
Оскільки на іонізацію витрачається енергія, то позитивний іон і електрон, утворені після іонізації, мають в сумі енергію більшу, ніж нейтральний атом. Тому рекомбінація супроводжується виділенням променевої енергії. Зазвичай при цьому спостерігається світіння газу.
Для рекомбінації потрібно певний проміжок часу, і тому деионизация в залежності від роду газу і його тиску відбувається за 10 -5 - 10 -3 с, Таким чином, у порівнянні з електронними газорозрядні прилади значно більш інерційні та, як правило, не можуть працювати на високих частотах. Основна причина інерційності - саме мала Швидкість деионизации (час виникнення розряду становить 10 -7 - 10 -6 с, тобто електризація відбувається набагато швидше).
Види електричних розрядів в газах. Розрізняють самостійний і несамостійний розряд в газі. Самостійний розряд підтримується під дією тільки електричної напруги. Несамостійний розряд може існувати за умови, що крім електричної напруги діють ще якісь зовнішні іонізуючі фактори. Ними можуть бути промені світла, радіоактивне випромінювання, термоелектронна емісія напруженого електрода і ін. Розглянемо основні види електричних розрядів.
Темний, або тихий, розряд є несамостійним. Він характеризується щільністю струму в одиниці мікроампер на квадратний сантиметр і дуже малою щільністю об'ємного заряду. Поле, створене прикладеним напругою, при темному розряді практично не залежить від щільності об'ємного заряду, впливом якого можна знехтувати. Світіння газу зазвичай непомітно. У газорозрядних приладах для радіоелектроніки темний розряд не використовується, але він передує іншим видам розряду.
Тліючий розряд відноситься до самостійних. Для нього характерне світіння газу, що нагадує світіння тліючого вугілля. Щільність струму при цьому досягає одиниць і десятків міліампер на квадратний сантиметр, і утворюється об'ємний заряд, який впливає на електричне поле між електродами. Напруга для тліючого розряду становить десятки або сотні вольт. Розряд підтримується за рахунок електронної емісії катода під ударами іонів.
Основні прилади тліючого розряду - стабілітрони (газорозрядні стабілізатори напруги), газосветние лампи, тиратрони тліючого розряду, знакові індикаторні лампи і декатрони (газорозрядні рахункові прилади).
Дугового розряд виходить при щільності струму, значно більшою, ніж в тліючому розряді. До приладів несамостійного дугового розряду відносяться газотрони і тиратрони з напруженим катодом. У ртутних вентилях (ексітронах) і ігнітрони, що мають рідкий ртутний катод, а також в газових розрядниках відбувається самостійний дугового розряд.
При дуговому розряді щільність струму може доходити до сотень ампер на квадратний сантиметр і об'ємний заряд сильно впливає на процеси в газі. Струм дугового розряду підтримується за рахунок термоелектронної емісії напруженого твердого катода або електростатичного емісії рідкого ртутного катода. При дуговому розряді майже всю напругу (10 - 20 В) зосереджено близько катода. Мале падіння напруги при великому струмі - особливість дугового розряду. Цей розряд супроводжується інтенсивним світінням газу. Дугового розряд може бути не тільки при зниженому, але і при нормальному або підвищеному тиску, наприклад в кіноапаратах і прожекторах.
Іскровий розряд має схожість з дуговим. Він являє собою короткочасний (імпульсний) електричні-кий розряд при порівняно високому тиску газу, наприклад при нормальному атмосферному. Зазвичай в іскрі спостерігається ряд імпульсних розрядів, наступних один за одним. Іскровий розряд використовується в розрядниках, службовців для короткочасного замикання тих чи інших ланцюгів.
Високочастотні розряди можуть виникати в газі під дією змінного електромагнітного поля навіть при відсутності токоподводящих електродів (безелектродний розряд).
Коронний розряд є самостійним і використовується в газорозрядних приладах для стабілізації напруги. Він спостерігається при порівняно високому тиску газу в тих випадках, коли хоча б один з електродів має дуже малий радіус (вістря, загострений край, тонка зволікання і ін.). Тоді поле між електродами виходить неоднорідним і близько загостреного електрода, званого коронирующим, напруженість поля різко збільшується. Коронний розряд виникає при напрузі в сотні або тисячі вольт і характеризується малими струмами.
Розрядний проміжок при коронному розряді має дві області: коронирующий шар близько коронирующего електрода і решту, звану зовнішньої областю. У коронирующим шарі відбувається збудження й іонізація атомів, а також світіння газу. Зазвичай коронирующим електродом є анод. На кордоні коронирующего шару і зовнішньої області виникають вільні електрони за рахунок іонізації газу світловими квантами (фотонами), джерелом яких служить коронирующий шар. Потік електронів рухається до анода і на своєму шляху збуджує і іонізує атоми.
У зовнішній області, яка залишається темною, іонізація і збудження атомів відсутні внаслідок малої напруженості поля, а відбувається лише рух частинок, що мають заряд того ж знака, що і у коронирующего електрода. При коронирующим аноді у зовнішній області рухаються позитивні іони.
Оскільки при коронному розряді збудження й іонізація охоплюють тільки частина розрядного проміжку, цей розряд вважають неповним пробоєм газу (повним пробоєм є іскровий або дугового розряд). При збільшенні напруги струм зростає, коронирующий шар розширюється і розряд переходить в іскровий, якщо тиск газу значно, або тліючий, якщо тиск низький.
Розглянемо тліючий розряд між плоскими електродами (рис. 21.1). При відсутності розряду, коли об'ємного заряду немає, поле однорідно і потенціал між електродами розподілений по лінійному закону (крива 1). В електронному (вакуумному) приладі при наявності емісії існує негативний об'ємний заряд, який створює поблизу катода потенційний бар'єр (крива 2). Цей бар'єр перешкоджає отриманню великого анодного струму. У газорозрядному приладі, з тліючим розрядом за рахунок великого числа позитивних іонів створюється позитивний об'ємний заряд. Він викликає зміна потенціалу в просторі анод - катод в позитивну в сторону. Потенційна діаграма «вигинається» вниз (крива 3).
Як видно, в газорозрядному приладі розподіл потенціалу таке, що майже всі анодна напруга докладено до тонкого шару газу близько катода. Ця область, (I) називається областю катодного падіння потенціалу. Близько катода створюється сильне прискорює поле. Анод ніби наближається до катода. Роль анода виконує «нависло» над катодом іонну хмара з позитивним зарядом. В результаті цього дія негативного об'ємного заряду компенсується, тому потенційного бар'єру близько катода немає.
Інша частина розрядного проміжку (II) характеризується невеликою зміною напруги. Напруженість поля в ній мала. Її називають областю електронно-іонної плазми. Плазма - це сильно іонізований газ, в якому число електронів та іонів практично однаково. У плазмі безладне (теплове) рух частинок переважає над їх спрямованим рухом. Але все ж електрони рухаються до анода, а іони - до катода.
Сили поля, що діють на електрони і іони, однакові і лише протилежні за напрямком, так як заряди цих частинок рівні, але протилежні за знаком (нагадаємо, що сила, яка діє на заряд, F = їЇ, де Е - напруженість поля, е - заряд ). Але маса іона в тисячі разів більше маси електрона. Навіть у самого легкого газу - водню маса позитивного іона в 1840 разів перевищує масу електрона. Відповідно до цього іони отримують менші прискорення і набувають відносно малі швидкості. Отже, струм в іонних приладах практично створюється переміщенням електронів. Частка іонного струму дуже мала, і її можна не брати до уваги. Іони виконують свою задачу: вони створюють позитивний об'ємний заряд, який значно перевищує негативний об'ємний заряд і знищує потенційний бар'єр біля катода.
Сайт створено в системі uCoz