§7. Классификация электрических разрядов.

Электрические разряды в газах протекают по-разному, т.е. в разряде реализуется те или иные фундаментальные (элементарные) процессы, которые являются для данного вида разряда и определяют его форму; его характерные особенности.

Как мы уже знаем, имеется ограниченное число элементарных процессов, которые могут реализоваться в объеме газового разряда, еще раз перечислим эти процессы:

1) Столкновения частиц газа результат: обмен энергиями, импульсом, возбуждение атомов, ионизация.

2) Присоединение электронов результат: возникает отрицательный ион, уменьшается концентрации электронов.

3) Рекомбинация результат: рождается излучение (фотон).

4) Получение и испускание излучения в объеме разряда.

5) Диффузия заряженных частиц.

6) Электродные эффекты: термоэлектронная эмиссия; внешний фотоэффект, эмиссия при электронном ударе, эмиссия при ударе положительных ионов: эмиссия при ударе нейтральных атомов; автоэлектронная эмиссия.

Одновременно все эти элементарные – фундаментальные процессы в разрядах не реализуются. В зависимости от условий реализуются только некоторые процессы, и этот набор элементарных процессов определяет основные свойства разряда, т.е. данный вид разряда отличается от другого набором элементарных процессов. Сам этот набор или вид разряда определяется следующими параметрами системы: величиной тока напряжением между электродами; давлением газа, геометрией разрядной камеры, материалом электродов и состоянием их поверхности, температурой электродов и др.

Вид разряда в основном определяется напряжением на электродах, величиной тока разряда и давлением в разрядной камере. При этом напряжение и ток является независимым параметрами системы.

Таким образом, зависимость напряжения от тока становится наиболее важной интегральной характеристикой электрического разряда U = f(I) еще называется вольт-амперной характеристикой разряда. Она формируется в зависимости от внутренних процессов, следовательно, по ней можно определить вид разряда.

Итак, рассмотрим, как один вид разряда переходим в другой вид с помощью вольт-амперной характеристики.

Участок ОВ − несамостоятельный темный разряд, образование носителей тока происходит лишь за счет внешнего ионизатора, на участке ОА реализуется рекомбинация, на АВ − все заряды достигают электродов, рекомбинацией зарядов можно пренебречь.

За точкой В начинается ионизация нейтральных частиц электронным ударом, возникают лавины электронов и ионов. Однако если убрать внешний ионизатор, разряд прекращается. Это несамостоятельный таунсендовский разряд − это участок ВС.

На участок СD заметную роль играют вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, световыми квантами, возбужденными молекулами. Необходимость в поддержании ионизации за счет энергии внешних источников отпадает − разряд становится самостоятельным, его еще называют самостоятельным таунсендовским разрядом (это участок СЕ).

На участке EF таунсендовский разряд переходит в нормальный тлеющий разряд, которому соответствует участок FH. На участок НК с ростом повышается и напряжение. Разряд, соответствующий участку НК называется аномальном тлеющим разрядом.

Далее с ростом тока увеличивается температура катода, усиливается роль термоэлектронной эмиссии, разряд контрагируется и образуется дуговой разряд. Дуговой разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с катода.

Стационарный тлеющий разряд при низком давлении.

С ростом тока самостоятельный таунселовский разряд (участок СЕF) может развивается по-разному и иметь несколько форм. Если при давлении около 1 мм. рт. ст. разряд происходит между электродами, подключенными к источнику постоянного тока, то реализуется нормальный разряд.

Участок FH вольт-амперной характеристики соответствует тлеющему разряду. Отличительным признаком тлеющего разряда является своеобразное распределение потенциала вдоль длины межэлектродного промежутка. Распределение потенциала приводит к тому, что тлеющий разряд имеет характерный неоднородный вид, следовательно, и неоднородную структуру, разряд кажется как бы разделенным на части. Тлеющий разряд состоит из прикатодной области, и положительного столба.

Рассмотрим различные части разряда. Начиная от катода к аноду.

Катодная область разряда.

Электроны, необходимые для поддержания разряда, в основном эмитируется при бомбардировке катода положительными ионами. Вторичные электроны выходят, из катода имея, малые скорости, вследствие этого они (вблизи поверхности образуют отрицательный пространственный заряд) еще не имеют достаточные энергии для возбуждения молекул газа, поэтому молекулы не излучают, и непосредственно у поверхности катода образуется темное пространственно, заполненное медленными электронами. Этот очень тонкий несветящийся слой газа называется - темное пространство Астона. Ток в этой области в основном создается положительными ионами.

Далее электрона ускоряются полем, кинетическая энергия электронов становится достаточной для возбуждения молекул газа и это служит причиной возникновения тонкого светящего слоя газа, называемого первым катодным свечением. В этой области электроны при столкновениях частичного или полностью теряют скорость. Поэтому за первым катодным свечением образуется следующее темное катодное пространство. В этой области происходит слабая рекомбинация электронов с положительными ионами, поэтому здесь происходит очень слабое излучение. В темном катодном пространстве электроны сильно разгоняются до скоростей, при которых они интенсивно ионизуют молекул газа, а следовательно, и размножаются.

В конце второго темного катодного пространства число электронов уже настолько велико, что ток почти полностью переносится электронами, и они заметно уменьшают положительный пространственный заряд, даже образуют область отрицательного пространственного заряда. В этой области прекращается дальнейшее ускорение электронов, а энергия накопленная в области второго катодного темного пространства расходуется в основном на интенсивное возбуждение и ионизации молекул. Это происходит в области второго катодного свечения (отрицательное катодное свечение). В результате энергия электронов уменьшается, постепенно в интенсивность возбуждения и ионизации также уменьшается, следовательно, падает число электронов (и за счет рекомбинации и диффузии), настолько, что отрицательный пространственный заряд обращается в ноль. Соответственно изменяется напряженность электрического поля и в точке исчезновения отрицательного заряда Е принимает постоянное значение (около 1 В/см) и не меняется до прианодной области заряда. В этом месте начинается положительный столб тлеющего разряда.

Пространство, занимаемое темным пространством Астона первым катодным свечением и вторым темным пространством, называется областью катодного падения потенциала. Как видно из рисунка, падение потенциала между электродами почти полностью реализуется на незначительном участке у катода. Длина этого участка изменяется обратно пропорционального давления газа. При P = 1 мм рт.ст. dc составляет около 10 мм, а U=100-250 В.

В нормальном тлеющем разряде плотностью тока при увеличение или уменьшение тока разряда остается постоянной. Но зависит от давления Р и изменяется по закону P². Например, при P = 1 мм рт.cт. плотность в среднем j = 0,1 мА/см² = 1·10⁴ А/см². Но j зависит еще от природы газа и от материала катода. Из I=jS следует, что при малом токе часть площади принимает участие в разряде.

В этих условиях остается постоянным и катодное падение потенциала U_k. Для диапазона давлений от 1-10 мм рт.cт. значение U_k не зависит от давления и однозначно определяется природой газа и материала катода. Примеры

Материал катода	Значение катодного падения потенциала Uk , В
	воздух	Кислород О2	Азот N2	Гелий He
Натрий Na Медь Cu Плюмбум Al Железо Fe Никель Ni	200 252 229 269 226	− − 311 343 −	178 208 179 215 197	80 177 141 161 158

С ростом тока разряда наступает момент, когда вся площадь катода принимает участие в разряде, с этого момента с дальнейшим ростом тока начинается увеличение катодного падения потенциала. Напряженность поля Е возрастает до тех пор, пока не обеспечивается необходимая ионизация для поддержания роста тока. В этих условиях нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный тлеющий разряд.

где, k − константа, зависящая от вида газа и материала катода.

Положительный столб.

Положительный столб состоит из плазмы, а плазма является нейтральной электропроводящей средой. Поэтому положительный столб тлеющего выполняет роль обыкновенного проводника, соединяющего прикатодную область с прианодной частью разряда. В отличие от остальных частей тлеющего разряда, которые имеют конкретные размеры, и структуру, зависящие от вида газа, его давления и плотности разрядного тока, длина положительного столба определяется размерами разрядной камеры, а по структуре столб представляет собой ионизированный газ (n_e ≈ n_i ), т.е. он может иметь любую длину. Напряженность поля порядка 1 В/см, с ростом давления имеет тенденцию возрастать. Напряженность изменяется также при изменении радиуса камеры (трубки) − сжатие разряда увеличивает поле: Е всегда принимает значение, как раз достаточное для поддержания в столбе той степени ионизации, которая нужна для стационарного горения разряда. Энергия в столбе достаточна для ионизации. И процесс ионизации компенсирует убыль электронов и ионов за счет рекомбинации и диффузии с последующей нейтрализация на электродах и на стенках камеры свечение положительного столба связано всеми этими процессами. В отличие от других частей, положительном столбе тлеющего разряда хаотическое движение заряженных частиц преобладает над направленным.

Анодная область.

Анод притягивает электроны из положительного столба и около места привязки образуется отрицательный пространственный заряд и рост напряженности поля, в результате этого происходит перенос тока разряда к поверхности анода. Область анодного падения является пассивной частью разряда. Анод не эмитирует зарядов. Тлеющий разряд может существовать без анодной области, так же без положительного столба. Положительный столб разряда не зависит от приэлектродных процессов. Отличием катодных частей является преобладающе направленное движение электронов и ионов.

Применение тлеющего разряда.

Тлеющий разряд в разряженных газах находит разнообразное применение в газонаполненных выпрямителях, преобразователях, индикаторах, стабилизаторах напряжения, газосветных лампах дневного света. Например, в неоновых лампах (для целей сигнализации) тлеющий разряд используется в неоне, электроды покрывают слоем бария и они имеют катодное падение потенциала порядка 70 В и зажигаются при включении в осветительную сеть.

В лампах дневного света тлеющий разряд происходит в парах ртути. Излучение ртутного пара поглощается слоем люминофора, которым покрыта внутренняя поверхность газосветной трубки.

Тлеющий разряд используется также для катодного распыления металлов. Поверхность катода при тлеющем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами газа сильно нагревается в отдельных малых участках и поэтому постепенно переходит в парообразное состояние. Помещая предметы вблизи катода разряда, их можно покрыть равномерным слоем металла.

В последние годы тлеющий разряд находит применение в плазмохимии и лазерной технике. В них тлеющий разряд используется в аномальном режиме при повышенном давлении.

1. p = 6,7 кПа ≈ 50 мм. рт. ст.

v = 15,7 м/c

a = 30 мм

2. p = 8 кПа ≈ 60 мм. рт. ст.

v = 21м/c

а = 20 мм.

Типичные вольт - амперные характеристики тлеющего разряда в поперечном потоке воздуха.

1 мм. рт. ст. = 133 Па. 1кПа=1000/133 = 8мм.рт.ст.