Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.

Если электропроводность газа обусловлена только действием внешних ионизаторов, то электрический ток, возникающий в газе, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешнего ионизатора такой разряд прекращается.

Несамостоятельные токи пропорциональны числу первичных ионов. Это свойство используется в так называемых пропорциональных счетчиках.

Если напряжение не превышает некоторое критическое , то после выключения ионизатора ток прекращается (электроны уходят на анод). При определенном напряжении в газе начинает осуществляться процесс ударной ионизации, возникает электронная лавина, но ее возникновение не представляет собой самостоятельного газового разряда. Для его появления необходимо, чтобы в газе возникали новые электроны, восполняя потерю электронов, ушедших на анод, не засчет действия внешнего источника.

Если , то в газе происходят процессы образования ионов и электронов, необходимые для поддержания тока засчет самого разряда.

Одним из важнейших процессов, приводящих к возникновению дополнительных электронов, является вторичная электронная эмиссия – испускание электронов поверхностью твердого или жидкого тела при бомбардировке ее электронами или ионами. Отношение числа испущенных (вторичных) электронов к числу частиц, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной эмиссии.

В сильных полях ионы, достигающие катода, обладают значительной энергией и могут выбивать из катода некоторое количество электронов. Эти электроны будут создавать свои электронные лавины, увеличивая ток через газ. Из-за вторичной эмиссии разряд может поддерживать сам себя и внешней ионизатор становится ненужным – разряд превращается в самостоятельный.

Разряд становится самостоятельным, если один выходящий из катода электрон порождает такое количество ионов, которые подходя к катоду, вновь выбивают из него не менее одного электрона (условие стационарности разряда).

Виды разрядов.

Существует много типов разряда. Одними из главных признаков классификации разрядов являются состояние ионизованного газа и частотный диапазон поля.

По характеру состояния ионизованного газа различают: пробой газа, поддержание поля неравновесной плазмы, и поддержание равновесной плазмы.

По признаку частоты – постоянное (или низкочастотное) электрическое поле, высокочастотные поля, сверхвысокочастотные (СВЧ) и оптические. Рассмотрим некоторые из них.

Пробой - это существенно нестационарный процесс бурной ионизации газа, превращения неионизированного газа в проводящую плазму, которое происходит при быстром «включением» достаточно сильного внешнего электрического поля. Вероятно, почти каждому когда-либо приходилось быть свидетелем короткого замыкания. В момент пред соприкосновением проводов в воздухе между ними проскакивает искра. Это происходит пробой воздушного промежутка между проводами, которые находятся над напряжением.

С неравновесной газоразрядной плазмой мы имеем дело, например, в тлеющем разряде. Рассмотрим подробнее этот достаточно распространенный вид разряда (вспомним светящиеся рекламные трубки на улицах). Неравновесная газоразрядная плазма – это слабо ионизованный газ, в котором плотность заряженных частиц (электронов и ионов) много меньше плотности нейтральных частиц (атомов или молекул). При этом электроны, непосредственно приобретающие энергию от поля, обладают повышенной средней энергией («температурой»), а газ тяжелых частиц (атомов, молекул, ионов), остается холодным – отсюда и следует термин «неравновесная».

Рис. 21.2

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях (порядка нескольких мм рт. ст.). Его можно наблюдать в стеклянной трубке длиной около 0,5 м, с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 21.2).

В области 1 электроны, выбитые ионами с катода (К), ускоряются электрическим полем и в области 2 возбуждают молекулы (или атомы) газа.

( -возбужденный атом).

Возникает свечение (при девозбуждении). В области 3 происходит ионизация атомов газа (свечения почти нет). В области тлеющего свечения 4 электроны, возникающие при ионизации интенсивно рекомбинируют с ионами. Энергия выделяется в виде световых лучей.

В области 3 остаются малоподвижные положительные ионы, которые создают там пространственный положительный заряд. Наличие этого заряда обуславливает значительное падение потенциала в области между катодом и тлеющим свечением.

В области тлеющего свечения 4 суммарный заряд электронов и ионов близок к 0 и падение потенциала здесь невелико.

В область 5 электроны и ионы проникают вследствие диффузии, их концентрация здесь мала, что снижает интенсивность рекомбинации и свечения. В этой области имеется небольшое поле. Ускоряясь в нем, электроны в области 6 ионизируют и возбуждают атомы газа, который высвечивает полученную энергию. Область 6 называется областью положительного столба (область прилегает к положительному аноду А). Это состояние плазмы, концентрация электронов здесь равна концентрации ионов .

Положительный столб тлеющего разряда является активной средой в мощных электроразрядных газовых лазерах на углекислом газе ( -лазер).

В последнее время тлеющий разряд нашел новое применение - в плазменных мониторах. Его работа похожа на работу неоновой лампы. Каждая ячейка плазменной панели выполнена в виде плоской стеклянной трубки, заполненной инертным газом ( или ) под давлением. Внутри трубки помещены два электрода. При подаче напряжения между ними зажигается тлеющий разряд и возникает свечение. На стеклянную поверхность помещаются маленькие прозрачные электроды, на которые подается высокочастотное напряжение: образуется целое поле миниатюрных точечных неоновых лампочек. Плазменный разряд излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне спектра, а он, в свою очередь, вызывает свечение частиц люминофора в видимой человеком части спектра. То есть каждый пиксель (ячейка) на экране работает подобно маленькой лампе дневного света. Преимуществами плазменных экранов являются яркость, контрастность и очень большой угол обзора – до 180^о. Толщина плазменных экранов менее 10 см; монитор, как картину, можно повесить на стену.

Дуговой разряд.

Основная причина возникновения дугового разряда заключается в сильном разогреве катода вследствие ударов ионов. При больших токах температура катода повышается до нескольких тысяч градусов. В таких условиях резко возрастает термоэлектронная эмиссия с катода (испускание электронов сильно нагретой поверхностью), которая приводит к сильной ионизации газа между электродами и вызывает ослепительное свечение газа – дуговой разряд (рис. 21.3).

Рис. 21.3

При горизонтальном расположении электродов святящийся газ изгибается в виде дуги (откуда название, данное русским ученым В.В. Петровым).

Рабочее давление газа от мм. рт. ст. до сотен атмосфер. Применяется в электросварке, в плазмотронах для напыления на детали твердых, прочных покрытий, в импульсных лазерах на парах атомов металлов, в мощных источниках света и других областях.

1.