Электрический разряд в газах

Электрический разряд в газах возникает при прохождении электрического тока через ионизированные газы.

В зависимости от характера приложенного поля, от давления газа, формы и расположения электродов различают различные типы разрядов. При небольшом напряжении (*100 В) через газ наблюдается прохождение тока (*10¹⁵ А). Видимо, этот ток обусловлен слабой ионизацией газа космическими лучами. Разряды в постоянном поле возникают при прохождении тока в газе и могут быть представлены в виде вольтамперной характеристики (рис. 5.1).

При увеличении напряжения ток резко возрастает (участок 1—2 кривой на рис. 5.1) и достигает насыщения (участок 2—3). При небольших давлениях (*10"'—МТорр) и большом ограничительном сопротивлении R внешней цепи при токе «10^-6 А зажигается темный или таунсендовский разряд (участок 2—3).

Этот процесс характеризуется полным вытягиванием всех образовавшихся в газе зарядов.

Рис. 5.1. Вольтамперная характеристика газовых разрядов.

Двигаясь под действием электрического поля в газовой среде, электроны производят на своем пути ионизацию молекул газа. Мерой такой ионизации является степень ионизации а, определяемая как

где А [м~‘], В [В/ммм рт. ст.], EIр [кВ м ' мм рт. ст.] — константы, имеющие определенные табличные значения для различных газовых сред.

Вторичные электроны, появившиеся в результате ионизации газа, также движутся в электрическом поле и ионизируют газ. Лавинообразное размножение электронов приводит к тому, что поток в конце разрядного промежутка значительно больше потока электронов в его начале. Коэффициент к такого газового усиления в однородном поле определяется как.

где d— ширина разрядного промежутка.

Положительные ионы, возникшие в результате ионизации, выбивают на отрицательном электроде дополнительное количество электронов. Вклад вторичной ионно-электронной эмиссии увеличивает значение к:

где у — коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии материала катода, значения которого для различных газов и материалов можно найти в справочниках.

Обращение в нуль знаменателя в формуле (5.3) означает, что небольшой поток первичных электронов способен возбудить значительный разрядный ток и зажечь самостоятельный разряд.

В зависимости от типа газа, конфигурации электродов и расстояния между ними при дальнейшем небольшом увеличении напряжения наблюдается возникновение самостоятельного разряда. Этот тип разряда не зависит уже от внешних факторов и не нуждается во внешнем источнике ионизации (участок 3—4). При этом резко падает напряжение разряда. В этом случае говорят об электрическом пробое газового промежутка. При этом возникают новые электроны, которые под действием поля набирают энергию и ионизируют газ (участок 4—5).

Критерием возникновения самостоятельного разряда является условие.

Пробойным потенциалом или потенциалом зажигания является разность потенциалов, при котором выполняется условие (5.4), и определяется он из соотношения.

где константы А и В уже упоминались, а константа С = 1п (1 + 1/у).

При небольшом внешнем сопротивлении R возникает тлеющий разряд (участок 3—6) при токе * 10″ ⁶—10"' А и напряжении до 10³ В. Характерный поперечный размер разрядной трубки составляет «1 см. При этом образуется однородный светящийся столб. Это так называемый положительный столб разряда, который представляет собой плазму тлеющего разряда. Она является неравновесной с невысокой степенью ионизации, и ее электронная температура составляет Т_Л» 10⁴ К.

Если повышать напряжение дальше, то после газового пробоя зажигается дуговой разряд. Для него характерно высокое значение тока и достаточно низкое напряжение (участок 7—8). Дуговой разряд визуально представляет собой ярко светящийся газовый столб.

В дуговом разряде плазма равновесия такая, что температура электронов примерно равна температуре ионной составляющей Т<= Т, ъ 10⁴ К при достаточно высокой степени ионизации.

При резко неоднородном поле возникает коронный разряд. Ионизация и возбуждение молекул газа в коронном разряде наблюдается только в области, где поверхность электродов искривлена и возникает наибольшая напряженность электрического поля.

Для цилиндрической системы электродов возникновение коронного разряда происходит при напряженности поля, определяемой эмпирической формулой.

где Ец, — напряженность электрического поля, кВ/см; р— давление газа, атм.; г₀— радиус коронирующего электрода.

На рис. 5.1 изображена нагрузочная прямая Е — ЕIR, с помощью которой путем подбора сопротивления нагрузки R в нагрузочной прямой можно получить определенный тип газового разряда.

Разряды можно классифицировать по состоянию плазмы разряда и частоте электрического поля.

По характеру ионизационного состояния газа можно различать:

• ? пробой газа;
• ? поддержание электрическим полем неравновесной плазмы;
• ? поддержание равновесной плазмы.

В свою очередь электрические поля делятся по частотам:

• ? постоянные, включая низкочастотные;
• ? высокочастотные (ВЧ) с/" 10⁵—10* Гц;
• ? сверхвысокочастотные (СВЧ) с/" 10⁹—10^м Гц;
• ? оптические (от ультрафиолета до инфракрасного диапазона).

Все эти комбинации электрического поля применяются в плазменной электронике.

Если разрядный промежуток достаточно велик, то основную его часть занимает плазменный столб. Это относится как к тлеющему, так и к дуговому разряду. Параметры тлеющего столба зависят от условия стационарности, которое заключается в том, что должно соблюдаться равенство средней частоты ионизации и обратного времени жизни заряженных частиц.

Ионизация происходит под действием электронных ударов, а распределение электронов по энергии экспоненциально спадает. Средняя энергия электронов в столбе составляет порядка нескольких эВ.

При малых давлениях и токах величина температуры ионов порядка комнатной. В таком случае плазма неравновесная. Для такой плазмы характерны неустойчивости, которые выражаются в формировании страт — чередующихся светлых и темных полос в разряде, а также в шнуровании тока, что приводит к отрыву плазмы от стенок. Неустойчивости можно избежать, варьируя напряженность электрического поля и его частоту. Для создания электронных плазменных приборов важным моментом является получение стационарного газового разряда с равновесной плазмой.