Темный (таунсендовский) разряд.

Темный (таунсендовский) разряд – это электрический разряд в газах при низком давлении (порядка нескольких торр) и очень малых токах (менее 10^-5 А). Электрическое поле в разрядном промежутке однородно или слабо неоднородно, и не искажается пространственным зарядом, который пренебрежимо мал. Назван по имени Таунсенда, который в 1900 г. создал теорию электронных лавин, по которой при условии выполнения развития самостоятельного разряда (8.19) ток разряда должен неограниченно возрастать со временем. Реально же ток ограничен параметрами цепи. Очень малый ток таунсендовского разряда обусловлен большим сопротивлением внешней цепи. Если сопротивление внешней цепи снижать, увеличивая ток, то таунсендовский разряд переходит в тлеющий.

Тлеющий разряд.

Тлеющий разряд – это электрический разряд в газе, характеризующийся термодинамической неравновесностью и квазинейтральностью, возникающий в разряде плазмы. Эффективная температура электронов существенно выше температуры газа и электродов. Термоэмиссия практически отсутствует (электроды холодные). Свое название разряд получил из-за наличия около катода так называемого тлеющего свечения. Благодаря свечению газа тлеющий разряд нашел широкое применение в лампах дневного света, различных осветительных приборах и т. п. Классическая схема установки для изучения тлеющего разряда изображена на рис. 8.3, где 1 – стеклянный баллон, диаметром 1-3 см, длинной до 1 м; 2 – катод; 3 – анод; 4 – балластное сопротивление (обязательный элемент); А – микро-, милли-, или просто амперметр.

Рис. 8.3. Классическая схема для изучения газового разряда.

Баллон 1 можно откачать и затем заполнить выбранным газом до заданного давления. Обычно в разряде наблюдаются три визуально различимые области: а) прикатодная область, на ней падает напряжение U_к, как правило 200 ÷ 700 В; б) положительный столб – в физике теющего разряда пассивный элемент: сближая анод и катод можно ликвидировать положительный столб, разряд будет гореть; однако в технике положительный столб – полезный элемент: он светится в рекламных трубках. он и есть активная среда в газовых лазерах, напряжение на нем определяется именно техническими требованиями, например, длиной рекламных трубок; в) прианодный слой обычно очень тонкий, состоят из светящейся «пленки», и тонкого темного участка. Долго считали, что он тоже «пассивный», однако теперь доказано, что некоторые неустойчивости прямо связаны с ним. Падение напряжения на анодном слое U_а невелико (10 ÷ 20 В) и обычно близко к потенциалу ионизации газа (очень чувствительно к состоянию поверхности анода).

Прикатодная область.

Прикатодная область физически наиболее важный элемент тлеющего разряда: именно в нем образуется электронная лавина. В данном газе при данном давлении формируется длина прикатодной области d_к, равная нескольким длинам ионизации. Установившаяся длина d_к, обратно пропорциональная давлению p, такова, чтобы величина pd_к соответствовала минимальному значению U_к (природа экономна!). Основной характерной особенностью тлеющего разряда является большое падение потенциала в прикатодной области U_к – сотни вольт. Из катодного слоя в положительный столб уходит некоторое количество электронов с такой энергией, чтобы ионизовать в столбе достаточно атомов (молекул) для компенсации теряемых электронов, то есть U_к должно быть много больше потенциала ионизации атомов газа. Катодная область как бы «приклеена» к поверхности катода: если проводящей является только одна его поверхность, то при любом повороте катода разряд приходит только на нее – даже если ее повернуть на 180°, как бы спиной к аноду. Свечение катодной области «слоистое» (рис.1). У самого катода находится темное «астоново пространство», связанное с тем, что электроны, вышедшие с катода, еще не набрали достаточной энергии для возбуждения энергии атомов и молекул газа. Затем располагается область катодного свечения, в которой происходит интенсивное возбуждение различных уровней. Катодное темное пространство возникает там, где энергия ускоренных электронов «переваливает» через значение в максимуме функции возбуждения, сечения возбуждения уменьшаются, количество возбужденных атомов падает. Далее электроны преимущественно ионизуют атомы, происходит лавинообразное размножение электронов, которые ускоряясь вновь вызывают возбуждение атомов. Появляется «тлеющее отрицательное свечение», благодаря которому тлеющий разряд и получил свое название. В возникающей в разряде плазме электрическое поле резко падает, электроны, растрачивая свою энергию, не приобретают в слабом поле достаточной для возбуждения атомов, возникает темное «фарадеево пространство». В области тлеющего свечения (ρ ≈ 0) наиболее идеальная плазма. Так как электрическое поле Е ≈ 0, электроны переходят из области тлеющего свечения в фарадеево пространство главным образом за счет диффузии. Ионы попадают в прикатодную область также за счет диффузии. Ускоренные к катоду ионы выбивают вторичные электроны. Темное фарадеево пространство – это переходная область, в которой нет ионизации и возбуждения. По мере приближения к положительному столбу беспорядочное тепловое движение электронов все более преобладает над направленным движением. Описание всех процессов, объясняющих эту «слоистость» (и некоторые более тонкие эффекты), и сейчас является далеко не полным.

Р

ис.1. Картина тлеющего разряда в трубке и распределения интенсивности свечения J, потенциала U, продольного поля Е, плотностей электронного и ионного токов j_e, j₊, концентраций n_e, n₊ и объемного заряда  = e (n_e - n₊ ).

Непонятно и еще одно явление: площадь токового пятна S_п на катоде в нормальном режиме всегда определяется из соотношения S_п = I / j_п, где I – полный ток, а j_п – некоторая «нормальная плотность тока», постоянная для данного разряда. Это важное свойство тлеющего разряда называется законом нормальной плотности тока. При увеличении I (например, при снижении внешнего сопротивления R или повышении ЭДС источника ε) S_п растет пропорционально току до тех пор, пока токовое пятно не займет всю проводящую поверхность катода (и подводящих голых проводов). При этом катодное падение напряжения U_к остается постоянным. Дальнейшее повышение I приводит к росту U_к – это «аномальный режим» с аномальным катодным падением потенциала, а сам разряд переходит к аномальному тлеющему разряду. Почему j_п = const – остается неизвестным.