Что представляет собой дуговой и тлеющий разряды. Виды разрядов в газах

Исследование тлеющего разряда

Цель работы:

Ознакомиться с основными формами тлеющего разряда.

Исследование работы стабилизаторов тлеющего разряда.

Исследование работы цифро- знаковых индикаторов тлеющего разряда.

Введение.

Тлеющий разряд является самостоятельным разрядом с холодным катодом. Возникновению тлеющего разряда с холодными электродами обычно предшествует несамостоятельный разряд, поскольку в объеме газа всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц, обязанных своим происхождением какому- либо внешнему источнику ионизации. (космическое излучение, фон радиации Земли).

В установившемся режиме разряда пространство между катодом и анодом можно разбить на три основные области (рис. 1).

Протяженность катодного слоя (1) определяется давлением или, точнее, плотностью газа: она равна приблизительно трем длинам свободного пробега электрона; на этом участке, дви­гающиеся к катоду ионы приобретают за счет высо­кого градиента поля энер­гию, необходимую для вы­бивания из катода электронов. Вылетающие из ка­тода электроны также приобретают на этом учас­тке энергию и при столк­новениях с нейтральными атомами и молекулами газа совершают акты ионизации и возбуждения.

Длина области положительного столба (2) зависит от геомет­рии разрядной трубки. Падение напряжения на нем невелико. Поло­жительный столб не является обязательной составной частью раз­ряда.

Протяженность области анодного падения (3) зависит от дав­ления газа и приблизительно равна одной длине свободного пробега элек­трона. Величина и знак прианодного падения напряжения зависит от геометрии анода.

Особый интерес представляет область катодного падения напряжения. На этом отрезке разряда имеет место наиболь­ший градиент потенциала. Катодное падение напряжения составляет 100 - 180 вольт для катодов из чистых металлов и 40 - 100 волы для катодов, активированных пленками из электроположительных металлов. Катодное падение напряжения определяется в основном энергией ионов, необходимой для выбивания электронов из материа­лов катода: чем меньше работа выхода электронов из материала ка­тода, тем меньше величина катодного падения напряжения.

Величина катодного падения напряжения зависит также от ро­да газа, причем в довольно широких пределах (так как от рода газа зависит масса иона) и практически не зависит от давления газа.

Если сила ток через прибор не превышает некоторого значения, а именно: значения, при котором еще не вся поверхность катода участвует в электронной эмиссии (не вся покрыта свечением), то катодное падение напряжения не зависит от тока и остается постоянной (Закон Геля). Постоянство катодного падения напряжения объясняется наличием оптимальных условий обмена энергией между ионами, бомбардирующими катод, и электронами материала катода.

Катодное падение напряжения, соответствующее оптимальным условиям эмиссии с катода, принято называть нормальным катодным падением, а тлеющий разряд, с нормальным катодным падением - нор­мальным тлеющим разрядом.

Тлеющий разряд – слаботочный, при токе порядка 300 mA появляется тенденция к переходу в дуговой разряд. Поэтому приборы тлеющего разряда имеют максимальные токи в пределах до 100 mA.

Постоянство катодного падения напряжения в тлеющем разряде используется при конструировании газоразрядных стабилизаторов напряжения (стабилитронов).

Если в разряде участвует вся поверхность катода, то о уве­личением тока увеличивается и катодное падение напряжения, так как в этом случае обеспечивается большая эмиссия с единицы по­верхности катода. Такой разряд называют аномальным тлеющим.

При аномальном тлеющем разряде с увеличением тока возрастает яркость свечения на катоде и резко возрастает распыление материала катода.

Начальный участок аномально тлеющего разряда используется в цифро- знаковых индикаторах (ИН), широко применяемых в измерительной технике для отображения информации.

Расчет стабилизатора напряжения с лампой тлеющего разряда.

Д
ля расчета схемы включения, изображенной на рис. 2, рассмотрим работу стабилизатора напряжения. Для этого придется воспользоваться ВАХ стабилитрона, т.к. это нелинейный элемент схемы (рис. 3).

Допустим, что величина входного напряжения дана - , в этом случае прямая, проведенная через значение на оси ординат к оси абсцисс под углом (линия сопротивления) при пересечении с ВАХ дает точку устойчивого горения разряда в данном режиме. При этом будет и на нагрузке, т.к. она подключена параллельно стабилитрону, а - значение напряжения на балластном сопротивлении , создаваемое . При изменении величины входного напряжения например, в сторону увеличения, до значения линия сопротивления переместится параллельно себе самой и дает новую точку пересечения с ВАХ стабилитрона. При этом будет незначительно отличаться от , а падение напряжения на балластном сопротивлении изменится за счет увеличения . Таким образом, при работе стабилизатора напряжения рабочая точка будет перемещаться по ВАХ. Ограничив ее движение в пределах пологой части характеристики, достаточной для качественной стабилизации напряжения, получаем значение и , в пределах которых и будет работать стабилитрон.

Рассматривая схему рис. 2, можно записать:

; , отсюда

учитывая, что , можно записать:

Корректная величина выбирается в зависимости от того, как изменяется входное напряжение . Если изменение одинаково как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, то расчетная точка берется посередине рабочего участка ВАХ, и тогда , если же изменение входного напряжения несимметричны, то рабочая точка для расчета выбирается исходя из закона пропорциональности.

На рис. 2 приведена схема включения стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения, где:

Номинальное значение входного напряжения;

Номинальное значение выходного стабилизированного

напряжения;

Сопротивление нагрузки;

Балластное сопротивление;

Ток в общей цепи при номинальном значении входного

напряжения;

Номинальный ток нагрузки;

Ток через стабилизатор при нормальном значении входного

напряжения.

В предлагаемой работе схема лабораторного стенда (рис. 4) позволяет проводить исследование стабилизаторов тлеющего разряда типа СГ2С, СГ3С, СГ4С, СГ2П, СГ15П, СГ16П. Балластное сопротивление и сопротивление нагрузки выполнены так, что можно установить требуемое значение тока нагрузки и необходимую по расчету величину балластного сопротивления.

Цепь нагрузки точками 3 – 7 заводится на соответствующие гнезда ламповой панели стабилитрона. В цоколе стабилитронов штырьки 3 – 7 закорочены между собой перемычками. Это делается для того, чтобы в момент замены лампы, когда она вынимается из панели, нестабилизированное напряжение источника питания не могло воздействовать на нагрузку.

ЗНАКОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Цифровые и буквенные индикаторные неоновые лампы тлеющего разряда (серии ИН) нашли широкое применение в аппаратуре отоб­ражения информации, в счетно-решающих устройствах, вычислитель­ной технике: и измерительных приборах.

Отличительная особенность знаковых индикаторов тлеющего разряда состоят в том, что в одном баллоне помещается несколько катодов, а анод выполнен в виде тонкой сетки.

Форма катодов и их размеры выбираются так, чтобы создать лишь минимальное перекрытие цифр (букв), расположенных сзади. Этим же определяется порядок расположения цифр, букв, знаков, а также конструкция сетчатого анода. Свечение горящего катода имеет достаточную ширину (до 2 мм), поэтому остальные электро­да экранируют не более 20% светового потока, не ухудшая четкости индикации горящего светового знака.

Индикаторы отличаются высокой яркостью и контрастностью изображения, малой потребляемой мощностью, простотой и надежностью в работе.

Выпускаемые в настоящее вреди газоразрядные индикаторы тле­ющего разряда заполняются неоном и имеют оранжево- красный цвет свечения. В процессе эксплуатации рабочий ток не должен выхо­дить за пределы, указанные в справочных данных. При больших значениях тока возможен переход в область аномального тлеющего разряда, возрастает распыление материала катода и сокращается долговечность прибора. Снижение рабочего тока также недопусти­мо, так как в процессе работы поверхности катодов загрязняются, и для хорошего свечения всей поверхности катодов требуется несколько большее напряжение горения. Поэтому рабочий ток должен превышать значение тока индикации, (ток индикации - ток через прибор, при котором разрядное свечение полностью покрывает катоды- цифры, символы, буквы, знаки, т.е. создает надежную визу­альную индикацию).

В ряде случаев питание анода производится импульсным на­пряжением. В таком режиме длительность импульса напряжения должна быть не менее 100 мкс, при среднем токе 1 - 2 мА. С умень­шением длительности импульса резко возрастает ток индикации, что требует увеличения амплитудного значения рабочего тока. При частоте следования импульсов 20 - 50 Гц ток в импульсе может быть достаточно большим, кажущаяся яркость свечения повышается бла­годаря инерции зрения, хотя среднее значение тока оказывается ниже нормального. Благодаря этому поддерживается высокая яр­кость свечения и надежная индикация цифр (букв) катодов, в то же время долговечность индикатора не снижается.

Для нормальной работы индикатора тлеющего разряда необхо­димо создать начальную ионизацию, снижающую время запаздывания зажигания разряда. Эта ионизация обычно создается внешним осве­щением. В темноте время запаздывания увеличивается до 1 с.

По виду отображаемой информации индикаторы ИН условно можно разделить на несколько групп.

Цифровые индикаторы типа ИН-1, ИН-2, ИН-4, ИН-8, ИН-8-2, ИН-12А, ИН-12Б, ИН-14, ИН-16, ИН-17, ИН-18 имеют катоды в фор­ме арабских цифр от 0 до 9. Индикаторы с торцевой индикацией, где минимальное расстояние между осями расположенных рядом при­боров велико по отношению к размерам цифровых электродов, целе­сообразно применять в аппаратуре с небольшим количеством цифровых разрядов, а также в многоразрядных индикационных системах. В малогабаритной настольной аппаратуре можно использовать миниатюрный индикатор типа ИН-2.

Прямоугольный баллон индикаторов типа ИН-11, ИН-12А, ИН-12Б, ИН-15А, ИН-15Б позволяет более удобно производить компоновку многоразрядных систем, а сочетание цифр и букв в индикаторе позволяет уменьшить расстояние между соседними цифровыми и буквен­ными разрядами и соответственно улучшить удобочитаемость резуль­татов информации. Группа приборов с "боковой индикацией" ИН-8, ИН-8-2, ИН-14, ИН-16, ИН-18 широко применяется в многоразрядной аппаратуре, например в настольных счетно-клавишных машинах.

Знако - буквенные индикаторы типа ИН-5А, ИН-5Б, ИН-7, ИН-7А, ИН-7Б, ИН-11, ИН-15А, ИН-15Б, ИН-19А, ИН-19Б, ИН-19В значитель­но расширили диапазон применения газоразрядных индикаторов. В сочетании с цифровыми буквенные и знаковые индикаторы позволяют отобразить практически всю необходимую информацию. В индика­торах типа ИН-8-2, ИН-12Б, ИН-14 наличие дополнительного элект­рода - запятой - упрощает индикационный блок, отпадает необходимость в использовании отдельных элементов для индикации за­пятой.

В приборе типа ИН-14 имеется два знака запятая, одна из которых может быть использована для уменьшения времени запаз­дывания зажигания разряда (ток подготовки около 1мкА). Для уст­ройств, работающих в условиях повышенных климатических и меха­нических нагрузок, можно рекомендовать приборы типа ИН-1, ИН-8, ИН-8-2, ИН-12А, ИН-12Б.

Сигнальные газоразрядные приборы типа ИН-3, ИН-6, ИНС-1, ИН-ЗА, ИФ-1, ТНУ-2 предназначены для использования в качестве датчиков световых сигналов в самых разнообразных электротехни­ческих и радиотехнических устройствах широкого применения. Их характеризуют: высокая яркость свечения (десятки и сотни нит), относительно малая инерционность, простора конструкции, эконо­мичность (потребляемая мощность - доли ватт).

Линейные счетно-индикаторные приборы тлеющего разряда ти­па ИН-9, ИН-13, ИН-20 являются принципиально новыми разработками и предназначены для построения индикационных табло в систе­мах статистического анализа, в измерительных блоках, в различ­ных выходных устройствах индикации, в счетчиках импульсов с большой емкостью, для контроля сети переменного тока. Особен­ностью индикаторов типа ИН-9, ИН-13 является то, что длина светящегося столба изменяется пропорционально приложенному на­пряжению, а в индикаторе ИН-20 изменяется светящийся столб или светящаяся точка. Учитывая эти особенности, индикаторами ИН-9, ИН-13, ИН-20 можно заменить стрелочные электроизмерительные при­боры и другие электромеханические устройства (с классом точнос­ти 2,5 - 4) в любых системах промышленной автоматики.

К достоинствам приборов ИН-9, ИН-13, ИН-20 следует отнести: удобство формы индикации (светящиеся столб и точка), высокую частоту обновления информации и счета импульсов, малую инерцион­ность, большую долговечность, высокую яркость свечения и малую массу.

. Исследование работы стабилитронов напряжения коронного разряда . Введение Коронный разряд является самостоятельным разрядом в... и азота. Эти стабилитроны относительно стабилитронов тлеющего разряда имеют более пологие вольт-амперные...

Экспериментальное исследование параметров плазы емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР)

Дипломная работа >> Физика

... ; Объектом исследования является ЕВЧР в воздухе, аргоне. Предметом исследования являются параметры плазмы тлеющего разряда . Данная... ионизирована, неравновесна и подобна плазме тлеющего разряда . Интерес к исследованию ЕВЧР возрос в течение последних 20 ...

Линейные молнии, методы её исследования

Реферат >> Физика

Пальца. Одновременно с Франклином, исследованием электрической природы молнии занимались... начинается ионизация воздуха, возникает тлеющий разряд и появляются красноватые языки свечения... в коллекторы на земле для исследований и использования", - сообщил...

Современное состояние исследований в области функциональных конденсационных покрытий высокой проводимости

Дипломная работа >> Физика

Материалы. – 1981. – №6. – С. 3-6. Кабанченко М.П. Исследование износоустойчивости контактных площадок переменных непроволочных... и адгезионной активности поверхности оксида, модифицированной в тлеющем разряде / О.Н. Соловьева, А.И. Костржицкий // Физика и...

ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД

На рис. 3-26, а показан внешний вид тлеющего разряда, характеризующийся чередованием темных и светящихся слоев газа, носящих наззания:
1) первая катодная темная область;
2) первое катодное свечение;
3) вторая катодная темная область;
4) второе катодное свечение (катодное тлеющее свечение);
5) фарадеева темная область;
6) столб разряда;
7) анодная темная область;
8) анодное свечение.
Катодное падение потенциала при нормальном тлеющем разряде (свечением покрыта только часть поверхности катода) зависит от материала катода и рода газа и не зависит от давления газа и тока (табл. 3-16).
Ширина области нормального катодного падения потенциала зависит от материала катода и рода газа. Зависимость от давления газа определяется соотношением .
Для нормального тлеющего разряда характерна пропорциональность между площадью катода, покрытой свечением, и током, т. е. постоянная (нормальная) плотность тока на катоде (табл. 3-17).
При изменении давления газа р0 нормальная плотность тока изменяется по закону

где - нормальная плотность тока на катоде при ; - постояннная, зависящая от геометрии электродов и рода газа. При плоских электродах обычно (для Ne=1,5).
Когда при увеличении анодного тока вся поверхность катода покрывается свечением, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением плотности тока. Такое катодное падение называется аномальным катодным падением потенциала , а сам разряд называется аномальным тлеющим разрядом .
При аномальном тлеющем разряде увеличение плотности тока сопровождается уменьшением ширины участка катодного падения потенциала.
На рис. 3-27 приведены рассчитанные теоретически универсальные кривые зависимости аномального катодного падения потенциала и ширины участка катодного падения потенциала от плотности тока . Их совпадение с экспериментальными данными удовлетворительно для инженерных расчетов.
Прикатодные области разряда 1-4 (рис. 3-26), в которых сосредоточено катодное падение потенциала, являются жизненно необходимыми для существования тлеющего разряда. Участки 5 (фарадеева темная область) и 6 (столб разряда) являются пассивными участками разряда с хорошей электропроводностью, связывающими анод с катодными областями разряда.
В столбе разряда газ находится в сильно ионизированном состоянии, причем концентрации электронов и ионов примерно равны, т. е. объемный заряд компенсирован. Газ, находящийся в таком состоянии, называется плазмой .
Особенности и характеристики плазмы см. раздел .
При сближении анода с катодом сокращается, а затем исчезает столб разряда.
Дальнейшее сближение электродов на некоторое критическое расстояние приводит к исчезновению анодных участков разряда. При этом падение напряжения на разряде уменьшается на величину анодного падения потенциала, примерно равную ионизационному потенциалу газа.
Дальнейшее сближение электродов приводит к исчезновению фарадеевой темной области. Затем начинает исчезать тлеющее свечение. При этом падение напряжения на приборе резко возрастает (затрудненный разряд).

Процессы, рассмотренные выше, играют важную роль в возникновении и поддерживании так называемого тлеющего разряда (см. приложение 1.1).

Эту форму газового разряда удобно наблюдать при пониженном давлении газа. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30-50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдаются следующие явления. При атмосферном давлении приложенное напряжение недостаточно для пробоя газа и трубка остаётся тёмной. При уменьшении давления газа (около 5,3-6,7 кПа) в некоторый момент в трубке возникнет разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки. При дальнейшем уменьшении давления (около 1,3 Па) этот шнур расширяется и заполняет всё сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает.

При давлениях газа порядка 0,1-0,01 мм. рт. ст. разряд имеет вид на рис. 3.1.1.

Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 (первое катодное свечение, или катодная плёнка), за которым следует тёмный слой 2, получивший название катодного тёмного пространства. Это тёмное пространство затем переходит в светящийся слой 3 (тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. За тлеющим свечением наблюдается опять тёмный промежуток 4, называемый вторым или фарадеевым тёмным пространством. Указанные части называются катодными частями разряда. За вторым тёмным пространством лежит светящаяся область 5, простирающаяся до анода, или положительный столб. В некоторых случаях этот столб распадается на ряд слоёв, или страт.

Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части - катодное тёмное пространство и тлеющее свечение, в которых и происходят основные процессы, поддерживающие разряд. Если в газоразрядной трубке сделать анод подвижным и постепенно придвигать его к катоду (рис. 3.1.1), то все катодные части остаются неизменными, а укорачивается только положительный столб. При дальнейшем уменьшении длины разрядного промежутка начинает укорачиваться второе катодное тёмное пространство, и когда анод попадает в тлеющее свечение, оно исчезает вовсе. Однако при этом разряд продолжает существовать. Когда же анод при дальнейшем уменьшении расстояния подходит к границе между первым катодным пространством и тлеющим свечением, разряд гаснет.

Характерным для тлеющего разряда является особое распределение потенциала по длине трубки. Его можно определить, впаивая в трубку ряд дополнительных электродов - зондов, расположенных в различных местах трубки, и присоединяя между катодом и соответствующим зондом вольтметр с большим сопротивлением. Всё падение потенциала в разряде приходится на область катодного тёмного пространства. Эта разность потенциалов между катодом и границей тлеющего свечения получила название катодного падения потенциала. Опыт показывает, что если сила тока в разряде не очень велика, то величина катодного падения потенциала не зависит от силы тока (нормальное катодное падение потенциала). Изменение силы тока изменяет лишь величину светящейся поверхности на катоде, которая увеличивается с увеличением силы тока. Когда же сила тока достигает такой величины, что катодная плёнка покрывает всю поверхность катода, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением силы тока (аномальное катодное падение потенциала).

Существенным для понимания процессов в тлеющем разряде является то обстоятельство, что величина нормального катодного падения потенциала зависит лишь от материала катода и рода газа, причём катодное падение потенциала оказывается пропорциональным работе выхода электронов из катода.

Рассмотренные свойства тлеющего разряда приводят к следующей картине процессов, поддерживающих разряд. Положительные ионы, образующиеся в результате ионизации электронными ударами (в тлеющем свечении и в положительном столбе), движутся к катоду и, проходя через область катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию. Под действием интенсивной бомбардировки быстрыми положительными ионами (а также вследствие фотоэффекта, вызванного излучением разряда) с катодом вылетают электроны, которые движутся к аноду. Эти электроны в области катодного падения потенциала сильно ускоряются и при последующих соударениях с атомами газа их ионизируют. В результате опять появляются положительные ионы, которые, снова устремляясь на катод, производят новые электроны и т.д. Таким образом, основными процессами, поддерживающими разряд, являются ионизация электронными ударами в объёме и вторичная электронная эмиссия на катоде.

Существование катодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина катодного тёмного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов: она увеличивается с уменьшением давления газа. В катодном тёмном пространстве электроны, следовательно, движутся практически без соударений, образуя электронные, или катодные лучи. Если в катоде просверлить малые отверстия, то положительные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия проникают в пространство за катодом и образуют резко ограниченный пучок, получивший название каналовых (или положительных) лучей, названных по знаку заряда, который они несут.

Распределение концентраций положительных ионов и электронов в различных частях разряда весьма неодинаково. Так как положительные ионы движутся гораздо медленнее, нежели электроны, то у катода концентрация ионов значительно больше, чем концентрация электронов. Поэтому вблизи катода возникает сильный пространственный положительный заряд, который и вызывает появление катодного падения потенциала. Напротив, в области положительного столба концентрации положительных ионов и электронов почти одинаковы и здесь пространственного заряда нет. Благодаря большой концентрации электронов положительный столб обладает хорошей электропроводностью и поэтому падение напряжения на нем весьма мало.

Так как в положительном столбе имеются и положительные ионы, и электроны, то здесь происходит интенсивная рекомбинация ионов, чем и объясняется свечение положительного столба.

Мы видим, что катодное падение потенциалов необходимо для поддержания тлеющего разряда. Именно благодаря его наличию положительные ионы приобретают необходимую энергию для образования интенсивной вторичной электронной эмиссии с катода, без которой тлеющий разряд не мог бы существовать. Поэтому катодное падение потенциала есть наиболее характерный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда от всех других форм.

Тлеющий разряд широко используют в качестве источника света в различных газосветных трубках. В лампах дневного света излучение тлеющего разряда поглощается слоем специальных веществ, нанесённых на внутреннюю поверхность трубки, которые под действием поглощённого излучения в свою очередь начинают светиться. Подходящим подбором этих веществ (люминофоров)испускаемое ими излучение можно сделать близким к дневному свету. Такие трубки оказываются более экономичными, нежели обычные лампы накаливания.

Газосветные трубки применяются также для рекламных и декоративных целей, для чего им придают очертания различных фигур и букв. Наполняя трубки различными газами, можно получить свечение различной окраски (красное у неона, синевато-зеленое у аргона).

Пользуясь тем, что катодное падение потенциала зависит от материала катода, можно сделать газосветные трубки с малым напряжением зажигания. Так, например, в неоновой лампе, в которой электродами служат два железных листочка, покрытых слоем бария, вследствие малости работы выхода электронов у бария, катодное падение потенциала составляет только около 70 В. Поэтому лампа зажигается уже при включении в обычную осветительную сеть. Такие лампы употребляют для целей сигнализации в различной аппаратуре (индикаторные лампы).

В лабораторной практике используют тлеющий разряд для катодного распыления металлов, так как вещество катода в тлеющем разряде постепенно переходит в парообразное состояние и оседает в виде металлического налёта на стенках трубки.

Причина катодного распыления, по всей вероятности, заключается в том, что каждый положительный ион при соударении с катодом передаёт свою энергию сначала небольшой группе атомов катода. Это приводит к сильному местному повышению температуры, возникающему в отдельных микроскопических областях катода, которое и приводит к испарению металла в этих местах. Помещая в тлеющем разряде против катода различные предметы, оказывается возможным покрыть их равномерным и прочным слоем металла. Этим способом, в частности, пользуются для изготовления металлических зеркал высокого качества.

Этому виду разряда соответствует область между падающими участками ВАХ. Ток здесь на три-четыре порядка больше, чем ток темного разряда (миллиамперы вместо микроампер). Поэтому количество генерируемых разрядом фотонов соответственно увеличивается, что позволяет наблюдать свечение средней интенсивности, определившее название разряда. Вместе с электронными лавинами и -процессами в тлеющем разряде проявляется новый фактор: объемный заряд положительных ионов повышает потенциалы точек пространства между электродами (рис. 3.2). Заряд становится существенным в результате значительного увеличения тока.

Рис.3.2. Распределение потенциала в плоскопараллельном промежутке без пространственного заряда (1) и при действии положительного (ионного) пространственного заряда (2). Обозначения: х – расстояние от катода, d – межэлектродное расстояние, d к - ширина области катодного падения потенциала

В электронных лавинах ионы и электроны образуются в одинаковом количестве (парами), однако пространственный заряд ионов значительно больше, чем электронов. Такое положение определяется тем, что скорость движения ионов к катоду много меньше, чем электронов к аноду. В результате ионы накапливаются в объеме в течение времени установления стационарного режима. В нем потоки ионов на катод и электронов на анод равны частоте ионизаций молекул в промежутке. Равенство потоков при малой скорости ионов обеспечивается тем, что после накопления в движении участвует больше ионов, чем электронов. Существенное превышение количества ионов в промежутке над количеством электронов определяет положительный знак суммарного пространственного заряда.

Потенциалы точек пространства под действием объемного заряда ионов возрастают, но не превышают потенциал анода (иначе электроны не смогли бы доходить до анода из-за тормозящего электрического поля). Как следствие, прикатодный участок графика распределения потенциала между электродами (рис. 3.2) идёт значительно круче, чем в случае малого пространственного заряда, а прианодный участок практически горизонтален. Почти все приложенное к промежутку напряжение сосредоточено в катодной области. Усиление объемного заряда с ростом тока проявляется в большем повышении потенциалов у катода и соответственно в уменьшении протяжённости области катодного падения потенциала (d к на рис. 3.2).

Перераспределение потенциала в промежутке с ростом тока (переход от прямой 1 к кривой 2) приводит к тому, что при x > d к развитие лавин прекращается, так как в этой области напряженность поля близка к нулю и ускорение электронов недостаточно для ионизации. Протяженность электронных лавин уменьшается (отd до d к ). В условиях правой ветви кривой Пашена это ведет к снижению напряжения, обеспечивающего самовоспроизводство носителей тока. В результате на ВАХ (рис. 3.1) появляется первый падающий участок, на котором с ростом тока необходимое для его поддержания напряжение уменьшается. Подобным образом объясняется и следующий далее возрастающий участок ВАХ: с увеличением тока значениеd к сокращается настолько, что произведениеp d к становится меньше величины, соответствующей минимуму кривой Пашена, и напряжение поддержания разряда растёт.

Между падающим и возрастающим участками ВАХ расположен сравнительно протяженный почти горизонтальный участок. Он соответствует «нормальному» тлеющему разряду и обусловлен интересной способностью разряда автоматически локализоваться на части поверхности катода. В начале участка площадь, занимаемая разрядом на катоде (далее –площадь свечения), мала, а с ростом тока она пропорционально увеличивается, так что плотность тока остается постоянной. В конце участка разряд занимает всю площадь катода. Постоянство плотности тока («закон Геля») определяет неизменность напряжения на участке.

Значение плотности тока разряд «выбирает» таким, чтобы величина произведения p d к соответствовала минимуму кривой Пашена (чтобы напряжение поддержания разряда было минимальным). В этом режиме на поддержание разряда затрачивается наименьшая мощность, что можно считать одной из причин локализации разряда.

Более детально последовательность процессов, определяющих «стягивание» разряда на части поверхности катода, можно представить следующим образом. В исходном состоянии при определенном значении тока разряд занимает всю поверхность катода, поэтому плотность тока и плотность пространственного заряда ионов сравнительно малы. Распределение потенциала близко к прямой 1 на рис. 3.2, а напряжение поддержания разряда велико и соответствует темному разряду. При неизменном токе случайно уменьшается площадь катода, занимаемая разрядом, что приводит к росту плотности пространственного заряда ионов и формированию области катодного падения потенциала с шириной d к , несколько меньшей межэлектродного расстоянияd. Сокращается протяженность электронных лавин и в соответствии с кривой Пашена уменьшается напряжение, необходимое для поддержания разряда.

В то же время напряжение между электродами сохраняется на исходном уровне, поскольку оно равно разности напряжения источника питания и падения напряжения на ограничительном резисторе, которое осталось прежним, поскольку прежним остался ток. В результате того, что напряжение на промежутке оказалось больше необходимого для поддержания разряда, коэффициент ионизационного нарастания становится больше единицы, ток увеличивается и падение напряжения на промежутке снижается, уменьшая коэффициентдо единицы. Это соответствует новому стационарному состоянию системы, но уже в условиях, когда площадь свечения меньше площади катода.

Далее процессы повторяются до того, когда произведение p d к по мере уменьшенияd к достигнет значения, соответствующего минимуму кривой Пашена. При этом площадь свечения будет такой, чтобы плотность пространственного заряда, определяющаяся плотностью тока, обеспечивала необходимую ширину области катодного падения потенциалаd к .

С ростом давления газа площадь свечения на катоде автоматически уменьшается, плотность тока возрастает, величина d к уменьшается, а произведениеp d к не изменяется. Как следствие, разряд по-прежнему расходует наименьшую мощность, а напряжение горения разряда (нормальное катодное падение потенциала) не зависит от давления газа. Оно определяется лишь родом газа и материалом катода:

где e = 2,7,А и В - константы, характеризующие ионизацию газа электронами. Значения нормального катодного падения потенциала для ряда случаев представлены на с. 44.

Плотность тока нормального тлеющего разряда (нормальная плотность тока ) определяется следующим соотношением:

где - подвижность ионов (см. с. 44), а- диэлектрическая проницаемость вакуума.

Поскольку подвижность обратно пропорциональна давлению газа, соотношение (3.2) можно представить в виде:

, (3.3)

где
- нормальная плотность тока при единичном давлении (см. с. 44), которая, как следует из соотношения (3.2), зависит от рода газа (коэффициентыА и В ) и материала катода (коэффициентγ ). Увеличение нормальной плотности тока с ростом давления перемещает правую границу горизонтального участка ВАХ вправо, поскольку в его конце разряд распространяется по всей поверхности катода, и ток равен произведению плотности тока на площадь катода (кривая 2 на рис. 3.1 правее первой).

Возрастающий участок ВАХ соответствует «аномальному» тлеющему разряду, при котором площадь свечения равна площади катода и с ростом тока увеличивается плотность тока. Напряжение, необходимое для поддержки разряда, повышается при увеличении тока в связи с тем, что растет плотность пространственного заряда, уменьшается ширина области катодного падения потенциала d к и произведениеp d к становится меньше величины, соответствующей минимуму кривой Пашена.

Приведённые выше упрощённые объяснения физических процессов базируются на том, что электродная система близка к плоскопараллельной (одномерной). Между тем в начале участка ВАХ, соответствующего нормальному тлеющему разряду, где площадь разряда на катоде мала, поперечный размер свечения может оказаться соизмеримым с шириной области катодного падения потенциала d к . В этом случае влияние пространственного заряда на распределение потенциала в промежутке определяется решением двумерной задачи. Потенциалы точек в разрядном канале оказываются ниже, чем в одномерном случае. Это можно интерпретировать как рост величиныd к , что сопровождается увеличением напряжения поддержания разряда с уменьшением тока. Такой разряд называется поднормальным тлеющим, поскольку он предшествует нормальному разряду.

ДУГОВОЙ РАЗРЯД

С увеличением тока аномального тлеющего разряда рост напряжения замедляется, и на ВАХ вновь появляется падающий участок (в амперном диапазоне). Напряжение снижается в результате того, что бомбардирующие катод ионы разогревают его до высокой температуры, достаточной для существенной термоэлектронной эмиссии. Формально можно считать, что за счет термоэмиссии растет число электронов, выходящих из катода, в расчете на один ион, поступающий на катод. Иными словами, можно считать, что увеличивается коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии . Как следствие, для поддержания тока требуется меньшее количество ионов, а значит – менее интенсивное развитие электронных лавин и менее высокое напряжение.

Температура катода при амперных значениях тока увеличивается значительно (до 3000 К и более), термоэмиссия становится основным механизмом выхода электронов из катода, а коэффициент приближается к единице (возрастает на 1 – 2 порядка). Поэтому напряжение поддержания разряда снижается очень сильно – от сотен вольт при аномальном тлеющем разряде до десятков вольт. Электронные лавины развиваются весьма слабо: на один электрон, выходящий из катода, приходится лишь несколько электронов, попадающих на анод, что приблизительно на порядок меньше, чем в тлеющем разряде. Соответственно уменьшается количество ионов, образующихся в каждой лавине. Однако количество лавин при большом токе велико и ионы обеспечивают разогрев катода до высокой температуры, несмотря на падение их энергии в результате уменьшения напряжения.

Напряжение поддержания разряда с ростом тока уменьшается приблизительно до потенциала ионизации газа. Более низкое напряжение невозможно, поскольку ионизация принципиально необходима для существования разряда. В ряде случаев напряжение становится ниже потенциала ионизации за счет ступенчатой ионизации молекул газа электронами или за счет ионизации атомов металла, испарившихся с поверхности катода.

Положение второго падающего участка ВАХ, соответствующего переходу тлеющего разряда в дуговой, существенным образом зависит от давления газа. С ростом давления начало участка сдвигается вправо по оси тока и вниз по оси напряжения. Иными словами, вправо и вниз сдвигается максимум ВАХ в области перехода тлеющего разряда в дуговой (кривая 2 на рис. 3.1 правее и ниже кривой 1). Эффект объясняется следующим образом. Для разогрева катода до определенной температуры требуется определенная мощность, выделяющаяся на катоде в результате ионной бомбардировки. Мощность пропорциональна количеству ионов (приблизительно – току разряда) и энергии ионов (приблизительно – анодному напряжению). С ростом давления газа ток перехода нормального тлеющего разряда в аномальный увеличивается. Следовательно, уровень мощности, достаточный для разогрева катода, достигается при меньшем напряжении, и начало участка спада на ВАХ перемещается вправо и вниз.

Такое перемещение при увеличении давления до некоторого значения, очевидно, приведет к тому, что напряжение перехода аномального тлеющего разряда в дуговой уменьшится до нормального катодного падения потенциала. Это означает, что нормальный тлеющий разряд перейдет в дуговой, минуя стадию аномального тлеющего разряда (без повышения напряжения). Дальнейшее увеличение давления приведет к тому, что в дуговой разряд сможет переходить нормальный разряд, занимающий лишь часть поверхности катода.

Положение участка ВАХ, соответствующего переходу нормального тлеющего разряда в аномальный, зависит от площади катода: с её увеличением участок сдвигается в сторону больших токов (кривая 3 рис. 3.1 правее кривой 2). В результате аномальный тлеющий разряд переходит в дуговой при меньшем напряжении. Можно предполагать и противоположное изменение напряжения перехода, поскольку для разогрева катода большей площади, очевидно, требуется большая мощность. На практике это не подтверждается, так как дуговой разряд обычно развивается с локализацией на части поверхности катода и до высокой температуры разогревается лишь небольшой участок катода (формируется «катодное пятно»).

Изложенный механизм существования дугового разряда действует только в случаях, когда катод выполнен из тугоплавкого материала (W, Mo, C, Nb, Ta). Если материал катода легкоплавкий (Hg, Al, Cu, Ni), то уровень термоэмиссии, необходимый для дугового разряда, достигается, как показывает расчет, лишь после плавления катода. Однако эксперимент показывает, что на легкоплавких катодах дуговой разряд может развиваться и без плавления катода (кроме ртути). Для него также характерны низкое, порядка потенциала ионизации, напряжение горения и большие, десятки и сотни ампер, величины токов.

Выход электронов из катода в таком разряде обеспечивается за счет автоэлектронной эмиссии. Необходимые высокие значения напряженности электрического поля при низком анодном напряжении достигаются в результате сильного уменьшения ширины области катодного падения потенциала d к (рис. 3.2). Сокращение этой области обусловлено стягиванием разряда на катоде в узкое пятно с резким увеличением плотностей тока и пространственного заряда ионов. В пятне интенсивно испаряется материал катода, что уменьшает длину свободного пробега электронов и облегчает ионизацию, поскольку потенциалы ионизации металлов в парообразном состоянии существенно (в 2 раза) меньше потенциалов ионизации газов. Пятно обычно хаотически перемещается по катоду.

Разряд в промежутке с катодом из тугоплавкого металла называют «термоэлектронная дуга», а в случае легкоплавкого катода – «автоэлектронная дуга» (по механизму выхода электронов из катода).