Лекция 6. Газоразрядные приборы

Газоразрядными называют электровакуумные приборы с электрическим разря­дом в газе или парах. Конструктивно газоразрядные приборы представляют сис­тему электродов, помещенных в баллон, заполненный инертным газом (аргон, неон, криптон), водородом или парами ртути. Давление газа в баллоне составля­ет от 10^-1 до 10³ Па.

Электрический разряд в газе

Рассмотрим гипотетическую модель, состоящую из двух параллельных пластин, расположенных в баллоне, наполненном инертным газом. К этим пластинам через резистор R_a с большим сопротивлением подводится напряжение от источника питания E_и.п (рис. 10.29, а). Одну из пластин, к которой подключен отрицатель­ный полюс источника питания, условно назовем катодом, другую — анодом. По­вышая напряжение источника питания E_и.п, будем наблюдать, как изменяется ток i_а и напряжение между электродами u_а.

Рис. 10.29

Если E_и.п = 0, то в разрядном промежутке между катодом и анодом существует не­большое число свободных электронов и ионов, возникших в результате внешней ионизации газа световым потоком, космическим излучением и другими воздей­ствиями. Электроны и положительные ионы совершают беспорядочное (тепло­вое) движение и, приближаясь друг к другу, могут соединяться, образуя нейт­ральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Процессы ионизации и рекомбинации находятся в динамическом равновесии, поэтому число электронов и ионов сохраняется неизменным.

При увеличении напряжения Е_и.п между электродами возникнет электрическое поле, под действием которого положительные ионы начнут перемещаться к като­ду, а свободные электроны — к аноду, то есть в разрядном промежутке, а следова­тельно, и во внешней цепи возникнет незначительный электрический ток. Пока напряжение Е_и.п невелико, этот ток мал и не создает значительного падения на­пряжения на резисторе R_a, поэтому можно считать, что u_а≈Е_и.п. Зависимость тока от напряжения показана на рис. 10.29, б.

При малых значениях u_а ток обусловлен носителями заряда, возникшими в ре­зультате внешней ионизации, и практически сохраняется неизменным (учас­ток А на рис. 10.29, б).

По мере увеличения напряжения Е_и.п возрастает скорость движения электронов и ионов, соответственно увеличивается их кинетическая энергия. При движении электронов к аноду они сталкиваются с атомами газа. При небольшой скорости эти столкновения являются упругими, и величина энергии сталкивающихся час­тиц не изменяется. При определенной скорости соударения становятся неупру­гими. В результате таких столкновений электроны атома могут перейти на более высокие энергетические уровни, то есть происходит возбуждение атома. Возбуж­денное состояние атома длится от 10^-7 до 10^-9 с, после чего электрон возвращается на исходный энергетический уровень, испуская квант энергии излучения. При незначительном числе столкновений свечение газа незаметно. При достаточ­но большой скорости электронов происходит отделение электронов от атомов, в результате чего образуются новые свободные электроны и положительные ионы. Образовавшиеся электроны, двигаясь к аноду, совершают новые иониза­ции, а ионы перемещаются к катоду и выбивают из него вторичные электроны, которые, двигаясь к аноду, также совершают новые ионизации и т. д. Вследствие этого происходит размножение носителей заряда и увеличение тока (участок АВ на рис. 10.29, б).

Процесс образования новых электронов и ионов в результате столкновений с ато­мами газа называется объемной ионизацией газа и оценивается коэффициентом объемной ионизации а, который показывает, какое количество ионизации совер­шает один электрон на пути длиной в 1 см. Количество выбиваемых из катода электронов оценивается коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Каждый электрон, проходя от катода до анода путь длиной r_к-а, совершает αr_к-а иониза­ции, а количество электронов, попадающих на анод при выходе из катода одного электрона, оказывается равным ехр(αr_к-а). Если из катода в единицу времени вы­ходит N₀ электронов, созданных внешней ионизацией, то на анод в результате раз­множения попадает N₀exp(αr_к-а) электронов. Число ионов, образующихся при объемной ионизации, равно N₀[exp(αr_к-а)-l], а число выбиваемых из катода элект­ронов — σN₀[exp(αr_к-а)-l], где σ — коэффициент вторичной электронной эмиссии. Пока количество вторичных электронов, выбиваемых из катода, меньше количе­ства электронов, созданных внешней ионизацией, разряд является несамостоя­тельным, то есть зависящим от внешней ионизации. При прекращении внешней ионизации разряд прекращается. При некоторой величине U_з, называемой напря­жением зажигания, каждый электрон, выбитый из катода, создает на своем пути к аноду столько электронов, сколько необходимо для выбивания нового электрона. В этом случае разряд становится самостоятельным, то есть он может существо­вать независимо от внешнего источника ионизации. После наступления само­стоятельного разряда (точка В) наступает лавинообразное увеличение числа носителей заряда, и ток резко возрастает. Однако рост тока ограничивается ре­зистором R, на котором по мере роста тока возрастает падение напряжения и, соответственно, снижается напряжение U_a. Величина этого напряжения самопро­извольно устанавливается такой, чтобы в процессе ионизации создавалось требу­емое для получения заданного тока количество носителей заряда, то есть разность потенциалов между электродами ионного прибора зависит от состояния ионизи­рованного газа. В связи с этим целесообразно рассмотреть зависимость напряже­ния от тока (рис. 10.29, в).

Область ВС на рис. 10.29, в называется областью темного самостоятельного разря­да. Электрическое поле в этой области создается в основном зарядами на электро­дах, пространственный заряд пренебрежимо мал и распределение потенциала между катодом и анодом близко к линейному. По мере роста тока возрастает объемный заряд и поле искажается. У катода скапливается большое число ионов, поэтому можно считать, что практически все приложенное напряжение падает в узкой облас­ти вблизи катода, называемой областью катодного падения напряжения (рис. 10.30).

Рис. 10.30

Область разряда с почти неизменным потенциалом носит название положитель­ного столба. Электроны ускоряются в области катодного падения напряжения, поэтому там и происходит основная ионизация. Интенсивность ионизации в этой области больше первоначальной, поэтому напряжение, при котором поддержива­ется разряд, с ростом тока снижается. В точке С наступает тлеющий разряд, отли­чительной особенностью которого является свечение газа, напоминающее свече­ние тлеющих углей. Этот разряд бывает трех видов: поднормальный, нормальный и аномальный.

Поднормальный тлеющий разряд (участок CD на рис. 10.29, в) характеризуется уменьшением напряжения, при котором поддерживается разряд при увеличении тока, и шнурованием (стягиванием) разряда. Шнурование обусловлено тем, что с ростом тока сужается область катодного падения напряжения. Она становится столь узкой, что начинают сказываться шероховатости поверхности катода, в ре­зультате чего появляются локальные участки, в пределах которых напряженность поля оказывается более высокой. Поэтому на этих участках ионизация возраста­ет, что приводит, как отмечено ранее, к снижению напряжения, в результате чего на тех участках, где напряженность поля более низкая, разряд прекращается. Чем больше ток, тем меньше область, охваченная ионизацией.

Процесс шнурования происходит до тех пор, пока область катодного падения на­пряжения не станет столь узкой, что электроны окажутся неспособными создать требуемое количество ионов, необходимое для выбивания новых электронов на смену ушедшим. Поэтому дальнейший рост тока становится возможным лишь при увеличении поверхности катода, охваченной ионизацией. Наступает область нормального тлеющего разряда (участок DE на рис. 10.29, в). После того как вся поверхность катода окажется охваченной ионизацией, для увеличения тока по­требуются дополнительные носители заряда, возникновение которых возможно при увеличении напряжения. Такой разряд (область EF на рис. 10.29, в) называ­ется аномальным тлеющим разрядом.

Увеличение напряжения на ионном приборе, работающем в режиме аномального тлеющего разряда, ведет к увеличению интенсивности бомбардировки катода ионами, в результате чего на поверхности катода возникает термоэлектронная эмиссия. Кроме того, ионы, находясь очень близко к поверхности катода, создают сильное электрическое поле, вызывающее электростатическую эмиссию. Поэто­му число электронов в приборе резко увеличивается, их объемный заряд компен­сирует положительный объемный заряд ионов и напряжение на приборе умень­шается (участок FG на рис. 10.29, в), наступает дуговой разряд. Уменьшение напряжения сопровождается шнурованием разряда и образованием ярко светя­щегося катодного пятна. Шнурование продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, равной 10-20 В, необходимой для поддержания эмиссии электронов. Дальнейшее увеличение тока (участок GH) происходит за счет рас­ширения области, охваченной электронной эмиссией.