2. Газоразрядная электроника

2.1. Электрические явления в газах. Типы газовых разрядов

Плазменная электроника

Плазмой называют особое состояние вещества, находящегося в газообразной форме. Следовательно, приборы плазменной электроники являются газонаполненными приборами. Для получения плазмы необходима сильная ионизация газа, причем, суммарный заряд ионов и электронов в каждом элементарном объеме должен быть близок или равен нулю, а, следовательно, равен нулю и градиент потенциала в нем. Только при этом условии можно говорить о существовании плазмы. Плазма может возникнуть при высокой температуре вещества – так называемая высокотемпературная плазма. Например, в состоянии плазмы находится вещество в недрах Солнца, его «осколки», называемые «солнечным ветром», были доставлены на Землю американским космическим аппаратом в 2004г. Состояние плазмы может быть получено при некоторых видах газового разряда. В этом случае плазму называют газоразрядной.

Газовый разряд и его разновидности

Газовым разрядом называют процесс прохождения электрического тока через газы. На практике используют такие газы как неон, аргон, ксенон, криптон и др. В условиях, когда газы изолированы от внешних источников энергии, они являются изоляторами, т.е. носители тока в газах отсутствуют. Появление носителей в газе возможно лишь при ионизации его атомов и молекул, которая может возникнуть при внешнем энергетическом воздействии на газ. Источники энергии, вызывающие появление в объеме газа носителей тока, называют ионизирующими агентами или ионизаторами. Таким образом, если сосуд с газом поместить в замкнутую свинцовую оболочку для предотвращения действия таких ионизаторов как естественная радиоактивность и электромагнитное излучение оптического диапазона и охладить до температуры абсолютного нуля, то при наложении электрического поля ток в газе не возникнет вследствие отсутствия в нем носителей заряда. Однако, при повышении температуры, причем она может быть достаточно низкой, допустим, минус 60⁰С, в объёме газа появляются носители тока, и при наличии электрического поля возникает электрический ток. Для создания электрического поля в объём газа вводят металлические электроды, к которым прикладывают напряжение.

Если носители тока возникают в результате действия ионизаторов, то в этом случае говорят о несамостоятельном газовом разряде и несамостоятельной проводимости. При таком воздействии в объёме газа образуются ионы и электроны, следовательно, может возникнуть газовый разряд. Однако, при прекращении действия внешних ионизаторов процесс ионизации, а, значит, и газовый разряд, прекращаются. Вместе с тем, поскольку термическая ионизация газа возможна при любой земной температуре, кроме того, на постоянной основе имеет место естественная радиоактивность земной коры и космическое излучение, то можно считать, что и в обычных условиях существуют предпосылки для возникновения несамостоятельной проводимости, за исключением тех случаев, когда газ изолируют от указанных воздействий. Вместе с тем, при определенных условиях, связанных с действием электрического поля, возникает генерация носителей заряда, не зависящая от ионизаторов, т.е. действие ионизаторов можно прекратить, но воспроизводство носителей остаётся за счет внутренних явлений, обусловленных электрическим полем. Такой газовый разряд и соответствующую проводимость называют самостоятельными. Однако, надо полагать, что она возникает на основе несамостоятельного газового разряда как первопричины, поскольку приложение напряжения к изолятору не приводит к появлению в нем электрического тока проводимости. Но, после возникновения самостоятельной проводимости, прекращение действия внешних ионизаторов – путем охлаждения газа, экранирования от внешних излучений и т.п. – не приводит к прекращению самостоятельного газового разряда, что является основным его отличительным признаком при сравнении с несамостоятельной формой разряда в газе.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов газоразрядных приборов, параметров их внешних цепей различают несколько видов самостоятельного газового разряда: тлеющий, дуговой, искровой и коронный.

Несамостоятельный газовый разряд

Действие ионизаторов вызывает отделение от молекул газа одного или нескольких электронов от каждой молекулы, т.е. в объёме газа появляются разноименные заряды – положительные ионы и электроны. При достаточно высоком давлении газа возможен захват электронов нейтральными молекулами, которые при этом становятся отрицательно заряженными частицами.

Наряду с процессами ионизации газа происходят и процессы рекомбинации, т.е. нейтрализация разнополярных ионов или образование нейтральной молекулы при воссоединении положительного иона и электрона вследствие действия кулоновских сил. Чем выше концентрация заряженных частиц, тем больше вероятность их сближения с последующей рекомбинацией. Процесс уменьшения числа заряженных частиц в результате рекомбинации называют деионизацией газа. Процесс рекомбинации происходит не мгновенно, а поэтому деионизация осуществляется за время порядка 10^-5- 10^-3с и зависит от рода газа и его давления. Следовательно, газоразрядные приборы в сравнении с вакуумными гораздо более инерционны.

Поскольку процесс ионизации происходит с затратой энергии, то положительный ион и электрон, возникающие в результате ионизации в сумме имеют энергию большую, чем нейтральный атом или молекула газа.

Если в объём ионизированного газа ввести электроды и подать на них постоянное напряжение, то убыль ионов будет происходить не только вследствие процессов рекомбинации, но и за счет их дрейфа (дрейф – направленное движение носителей вследствие действия на них сил электрического поля) к электродам прибора. Однако в случае наложения слабого поля определяющими будут процессы рекомбинации и плотность тока в межэлектродном промежутке составит:

, (28)

где – число пар ионов, возникающих под действием ионизатора в одну секунду в единице объёма; r – коэффициент пропорциональности; μ⁺, μ^- - подвижности положительных и отрицательных ионов; ε - напряженность электрического поля. Под подвижностью заряженной частицы, помещённой в электрическое поле, понимают величину, равную отношению ее скорости v, которую она приобретает под действием сил этого поля, к его напряженности, т.е. μ = v/ε. Поскольку множитель при ε от напряженности поля не зависит, то в случае слабых полей несамостоятельный разряд подчиняется закону Ома. Иными словами, ток разряда пропорционален напряжению на разрядном промежутке.

В случае сильных полей практически все возникающие вследствие действия ионизатора ионы достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Плотность тока в этом случае:

г де l – расстояние между электродами. Следовательно, если расстояние между электродами постоянно, то и ток разряда тоже постоянен, т.е. имеет место режим насыщения. Величина тока насыщения, например, для атмосферного воздуха состаавляет ~10^-17А/см², т.е. очень мала.

По мере роста напряженности поля растет и энергия частиц. Длина свободного пробега электрона вследствие малости его размеров больше, чем у иона. Поэтому он быстрее увеличивает свою энергию, и при столкновении с молекулой может вызвать ее ионизацию. Возникшие в результате такого взаимодействия свободные электроны, разогнавшись, также могут вызвать ионизацию газа. Таким образом происходит лавинообразное размножение носителей – ионов и электронов, следствием которого является резкий рост тока (Рис ). Однако, после прекращения действия внешнего ионизатора разряд будет продолжаться только до тех пор, пока все электроны – как первичные, порожденные ионизатором, так и вторичные, возникшие в процессе ионизации молекул – не достигнут положительно заряженного электрода – анода, внедрившись в его электронную подсистему. Воспроизводство электронов (или как говорят - электронных лавин) могло иметь место и без ионизатора за счет явления вторичной эмиссии, которая могла бы возникнуть при бомбардировке отрицательно заряженного электрода – катода положительными ионами, но у них для этого не хватает энергии.

Несамостоятельный разряд находит практическое применение в ионизационных камерах и счетчиках, например в счетчиках Гейгера, предназначенных для обнаружения и счета элементарных частиц и измерения интенсивности рентгеновского и гамма-излучения. Счетчик Гейгера как элемент электрической цепи представляет собой конденсатор, поскольку имеет металлический замкнутый корпус, заполненный газом, и центральный металлический электрод, изолированный от корпуса. На электроды прибора подается постоянное напряжение порядка 10¹В от источника. Пронизывающая газ частица вызывает его ионизацию, носители заряда перемещаются полем к электродам прибора, отдавая им свой заряд q, в результате чего в цепи источника постоянного напряжения возникает импульс электрического тока I. Этот ток, проходя по нагрузочному резистору R, включенному последовательно со счетчиком и источником напряжения, создаёт на нем импульсы напряжения, количество которых подсчитывается в вышеуказанных целях. На рис. представлена схема замещения счетчика, в которой источник напряжения отсутствует, поскольку для приращений токов и напряжений имеет нулевое внутреннее сопротивление, а, значит, при составлении схемы замещения его выводы следует закоротить.

Установим закон изменения тока, протекающего по цепи. Напряжение н электродах счетчика ; Выразим ток как производную заряда по времени со знаком «минус», поскольку со временем заряд убывает и Очевидно, что относительное приращение заряда равно относительному приращению тока, поэтому После интегрирования окончательно получим . Здесь - начальное значение тока разряда в момент времени t=0, когда частица пронизывает объём газа в счетчике, а величина τ = RC называется постоянной времени перезаряда конденсатора С. Анализ выражения для тока счетчика показывает, что при большом значении постоянной времени произойдет наложение импульсов друг на друга из-за того, что конденсатор не будет успевать разряжаться, поэтому нельзя будет подсчитать количество частиц. Однако, поскольку межэлектродная емкость счетчика является конструктивной константой, то уменьшить постоянную времени можно только за счет уменьшения сопротивления резистора нагрузки R. При этом уменьшится и амплитуда импульсов напряжения, что не всегда приемлемо.

Самостоятельный разряд

Существование газового разряда в отсутствие внешних ионизаторов возможно при «воспроизводстве» электронных лавин. Только в этом случае будет иметь место «воспроизводство» процессов ударной ионизации молекул газа и, следовательно, генерация положительных ионов и электронов. В ряде приборов (газотроны и тиратроны с «горячим» катодом) для компенсации потерь носителей вследствие процессов рекомбинации и дрейфа использовались термокатоды, восполнявшие убыль электронов вследствие вышеуказанных процессов за счет ТЭЭ. Помимо них существуют и приборы с «холодным» катодом, у которых пополнение электронов осуществляется за счет явления вторичной эмиссии из катода - обычного металлического электрода различных размеров и конфигураций. Однако, для получения ВЭЭ необходимо иметь высокую энергию положительных ионов, что возможно лишь при высоких напряженностях электрического поля, которые могут быть получены при подаче на электроды прибора напряжений – порядка 10²В. В результате, положительные ионы, обладающие меньшей, чем у электронов, длиной свободного пробега, могут не только вызвать вторичную эмиссию, но и ионизировать молекулы газа при своем движении к катоду. Описанные процессы в совокупности обеспечивают - за счет ионизации молекул - воспроизводство носителей заряда без внешних ионизаторов, т.е. разряд становится самостоятельным. Однако, надо иметь в виду, что для получения самостоятельной проводимости в приборах с «холодным» катодом необходимо, чтобы электроны и ионы, возникшие в процессе несамостоятельного разряда, приобрели энергию, достаточную для воспроизводства себе подобных. Напряжение на электродах прибора (анодное напряжение), при котором несамостоятельный разряд становится самостоятельным, называется напряжением зажигания – U_з или напряжением возникновения разряда – U_вр.

Дополнительным фактором, влияющим на ситуацию в межэлектродном промежутке, является давление газа, определяемое концентрацией его частиц. При высокой концентрации носители заряда могут не разогнаться до высокой энергии, теряя её на столкновения первого рода (упругие), не приводящие к ионизации. Следовательно, при прочих равных условиях вероятность возникновения самостоятельного разряды выше у газа с меньшим давлением.

Тлеющий разряд

Тлеющий разряд (ТР) является самостоятельной формой разряда в газах при давлении 1 – 100Па. Столь низкое давление необходимо, чтобы обеспечить ионам возможность разогнаться до значений энергии, достаточной для возникновения ВЭЭ, используя не очень высокие значения анодных напряжений – 10¹ – 10²В. В основном ТР используется ради получения квантов энергии в результате процессов рекомбинации. Переходя из возбужденного в основное состояние, атомы газа испускают фотоны, частота которых соответствует оптическому диапазону, как видимой его части, так и невидимой – ультрафиолетовой. В видимой части спектра в основном используется участок красного свечения, что предопределило название этого вида разряда, цвет свечения которого такой же, как у тлеющих углей. Ультрафиолетовая часть спектра используется в газоразрядных ячейках плазменных экранов для возбуждения люминофоров, излучающих в видимом диапазоне длин волн. Приборы тлеющего разряда – это приборы с холодным катодом, выполненным из материала с относительно небольшой работой выхода и обладающего устойчивостью к ионной бомбардировке.

Когда анодное напряжение достигает величины напряжения зажигания, начинается вторичная эмиссия из вещества катода как следствие ионной его бомбардировки. Электроны, начиная своё движение к аноду, не сразу набирают скорость, достаточную для ионизации атомов газа при столкновении с ними. Поэтому такие взаимодействия (столкновения) носят упругий характер, не приводящий к испусканию фотонов, и в области, непосредственно примыкающей к поверхности катода, свечение отсутствует. Эту область называют астоновым темным пространством. По мере удаления от катода энергия электронов растет и на некотором от него расстоянии становится достаточной для ионизации атомов газа. Появившиеся в результате ионизации электроны, имея малую энергию, устремляются к аноду, а положительные ионы – к катоду для пополнения концентрации электронов за счет ВЭЭ. С этого момента разряд становится самостоятельным, поскольку имеет место воспроизводство носителей заряда, и внешний ионизатор в принципе не нужен. Он выполнил свою работу – создал начальную концентрацию заряженных частиц, и теперь его можно убрать.

Наряду с процессами ионизации происходят процессы рекомбинации, обусловленные действием кулоновских сил. Ионы и электроны воссоединяются, образуя нейтральный атом, при этом энергия, затраченная на ионизацию атома, выделяется в виде электромагнитного излучения, спектральный состав которого определяется величиной выделяемой энергии. Таким образом, в области, в которой происходят указанные процессы, наблюдается свечение, называемое тлеющим. Поскольку по мере удаления от катода скорость электронов продолжает нарастать, то время, в течение которого электрон находится в окрестностях молекулы и может взаимодействовать с ней, вызывая ее ионизацию с последующей рекомбинацией – уменьшается. Поэтому вслед за областью тлеющего свечения, по направлению к аноду, располагается темное пространство, которое называют круксовым.

Астоново – тонкое, поэтому невидимое, т.к. его закрывает тлеющее свечение и создается впечатление, что свечение как-бы обволакивает катод.

Предисловие

Курс «Квантовая и оптическая электроника» является федеральным компонентом Государственного образовательного стандарта и читается в восьмом семестре. Основополагающей дисциплиной для усвоения данного курса является «Физика»: разделы «Оптика», «Квантовая механика».

Оптическая электроника – это направление в науке и технике, связанное с исследованием и применением процессов взаимодействия оптического излучения с веществом в целях передачи, приема, переработки и отображения информации. Таким образом, оптическая электроника или оптоэлектроника, если судить по названию, находится на «стыке» таких направлений в физике как оптика и электроника. Впервые название «оптоэлектроника», появилось в 1955г. и было связано с электронными схемами с оптической связью, которые сейчас называют оптоэлектронными приборами или оптронами. Как следует из вышесказанного, оптическая электроника не занимается вопросами генерации излучения оптического диапазона, а рассматривает его как данность.

Квантовая электроника - это направление в науке и технике, связанное с исследованием и применением явлений квантового характера в целях усиления, генерации и преобразования когерентного оптического излучения. Когерентное излучение используется в промышленности (резка и плавка металлических объектов), в измерительной технике (различного рода датчики размеров, перемещений, уровней и др.), в устройствах хранения информации и обработки цифровых данных (голография, компакт-диски, оптические компьютеры), в военных целях (как оружие) и других областях. Особо следует отметить роль квантовой электроники в такой чрезвычайно важной области как передача информации. Благодаря когерентному излучению информация может быть передана на огромные расстояния с колоссальной скоростью по так называемым волоконно-оптическим линиям связи (кабелям). Как научно-техническое направление квантовая электроника возникла в 1960г., когда был изобретен лазер – устройство, позволяющее генерировать когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона.

Введение

Оптика, как известно, это раздел физики, в котором рассматриваются вопросы, связанные с распространением, поглощением, отражением и преломлением света.

Свет как физическое явление занимал умы ученых достаточно давно. Еще в ХVΙΙ веке Исаак Ньютон, учитывая прямолинейный характер распространения света, высказал предположение, что свет–это поток особых частиц – корпускул (от лат. сorpusculum – тельце). На основе своей теории Ньютон смог объяснить законы отражения и преломления света. В то же время современник Ньютона Христиан Гюйгенс полагал, что свет является волновым процессом, и на основе волновых представлений также смог дать объяснение законам отражения и преломления света.

Корпускулярная теория существовала до тех пор, пока Томас Юнг (1773 – 1829) а затем и Огюстен Френель (1788 - 1827) не установили, что свет способен огибать непрозрачные препятствия, а наложение световых пучков друг на друга приводит к их взаимному усилению или ослаблению. Подобные явления были хорошо изучены на примере акустических (звуковых) волн и волн, образующихся на поверхности воды, и носили названия дифракции и интерференции соответственно. Данные явления корпускулярная теория объяснить не смогла. Отсюда возникла и надолго получила широкое распространение в классической (в смысле – доквантовой) физике волновая теория света, согласно которой свет рассматривался как волновой процесс, имеющий непрерывный характер. Долгое время полагали, что свет распространяется как звук, т.е. представляет собой продольные колебания некоего «эфира». Однако эксперименты с прозрачными кристаллами (чаще всего использовался так называемый исландский шпат– углекислый кальций) привели к пониманию того, что свет представляет собой поперечные колебания – как тогда считали - «светоносного эфира», лежащие в плоскости перпендикулярной к направлению распространения света (светового луча). Причем, эти колебания могут происходить в ней под самыми разными углами. Свет, у которого эти колебания совершаются в рассматриваемой плоскости в различных направлениях, беспорядочно, называют естественным или неполяризованным. Свет, у которого колебания имеют только одно направление, называют линейно - поляризованным (термин «поляризация» ввел французский физик Этьен-Луи Малюс). Свет может иметь также круговую, либо эллиптическую поляризацию, если направление колебаний регулярно изменяется по определенному закону.

В 1845г. Майкл Фарадей установил, что различные прозрачные вещества, помещенные внутри электромагнита и освещаемые поляризованным светом, при возникновении поля начинали вдруг вращать плоскость поляризации, что приводило к изменению интенсивности света. Обдумывая результаты этих опытов, Джемс Максвелл (1868) пришел к выводу, что столь явное взаимодействие света и магнитного поля происходит по той причине, что свет – это электромагнитные волны (ЭМВ), рождаемые движением заряженных частиц, вокруг которых, как следствие этого движения, возникает электромагнитное поле. Однажды возникнув, поле перемещается в пространстве в виде электромагнитных колебаний, колебаний электрического и магнитного полей, поперечных направлению распространения волны, волны колебаний. Такие колебания могут перемещаться в пустоте, им не нужен эфир, и они могут взаимодействовать с другими электромагнитными колебаниями. Причем, по мнению Максвелла, свет – лишь один из видов электромагнитных колебаний, существующих в природе.

В 1888г. Генрих Герц опытным путём обнаружил существование ЭМВ и показал, что их свойства подобны свойствам световых волн, поскольку скорость их распространения такая же, как у света, а на границе раздела они (ЭМВ) претерпевают отражение и преломление и для них, как и для света, характерно явление поляризации.

Однако, результаты последующих исследований позволили усомниться в исключительности волновых представлений. Так, в 1887г. Генрих Герц (1857-1894) в процессе эксперимента установил, что при облучении светом газоразрядного прибора меняется величина напряжения возникновения разряда. Таким образом было открыто явление внешнего фотоэффекта, который по расчетам, если использовать волновую теорию, не должен был иметь место. Основываясь на полученных результатах, в 1900г. Макс Планк (1858 – 1947) для того, чтобы ликвидировать так называемую ультрафиолетовую катастрофу [2,§6] высказал предположение совершенно чуждое классическим представлениям, а именно, что электромагнитное излучение (ЭМИ) испускается в виде отдельных порций энергии – квантов (от лат. квантум – количество), величина которых пропорциональна частоте излучения. Расчёты, выполненные на основе данных предположений находились в полном согласии с результатами выполненными ранее экспериментов во всём диапазоне изменения их параметров, то время как волновая теория соответствовала им лишь частично. Наконец, в 1923г. американским физиком Арнольдом Комптоном (1892–1962), было установлено (и получило название Комтон-эффекта), что в процессе рассеяния монохромного рентгеновского излучения наряду с излучением волны первоначальной длины наблюдается и более длинноволновое излучение. Комтон-эффект также не мог быть объяснён волновой теорией, поскольку в соответствии с ней длина волны в процессе рассеяния меняться не должна.

В итоге стало понятно, что такое явление как свет не может трактоваться однозначно, что он представляет собой сложное физическое явление, имеет двойственный характер, обладая так называемым корпускулярно-волновымм дуализмом (от англ. dual – двойственный, двойной), но в зависимости от частоты колебаний (или длины волны) наблюдается преобладание одних свойств света над другими. Например, одним из основных параметров движущейся частицы является её импульс, который даже для электрона может быть измерен, но длина волны электрона, найденная расчётом, не поддаётся непосредственному измерению из-за несовершенства измерительных приборов.

Ещё пример: передачи коротковолновых радиостанций можно принимать на значительном удалении от передатчика, даже на другом конце земного шара, телевизионные же передачи можно принимать лишь в пределах прямой видимости телепередатчика. И в том, и в другом случае мы имеем дело с ЭМИ, но в первом примере излучение может огибать препятствия и тем самым в большей степени проявляет волновые свойства, во втором же – корпускулярные, поскольку огибать препятствия не может. Причина – в различных частотах колебаний или длинах волн: порядка метра в первом случае, порядка дециметра - во втором.