Сущность явления электрического пробоя газа

В самом общем смысле электрическим пробоем называется про­цесс превращения непроводящего вещества в проводник в результа­те приложения к нему достаточно сильного поля. Ионизированное состояние, в которое приходит газ при пробое, может возникать за разные промежутки времени - от 10^-9 с до секунд, но чаще всего это происходит за 10^-4 – 10^-8 с. Ионизация достигает заметной ве­личины, столь заметной, что пробой, как правило, сопровождается видимой невооруженным глазом световой вспышкой. Определенные ее варианты по-житейски называют «искрой». Если внешнее поле прикладывается на достаточно длительное время, в результате про­боя может зажечься разряд, который будет гореть, пока действует поле. Так происходит в любых электрических полях: постоянном, импульсном, периодическом, в поле электромагнитной волны, све­товой. Предел, до которого нарастает ионизация, диктуется кон­кретными условиями. Ее степень может быть порядка 10^-8, как при зажигании тлеющего разряда, ток которого ограничен большим сопротивлением внешней цепи. Первичным и главным элементом подчас комплексного и слож­ного процесса пробоя является электронная лавина, которая разви­вается в газе под действием поля. Лавина начинается с небольшого количества затравочных электронов, которые появля­ются случайно, скажем под действием космических лучей. Ее может начать даже один электрон. Достигая энергии, несколько превышающей потенциал ионизации, он ионизирует молекулу, теряя при этом свою энергию. В результате появляются два медленных электрона. Они снова ускоряются полем и также производят ионизацию – получается четыре электрона, и т.д. Происходит ли это в ходе систематического дрейфового сноса лави­ны, если поле постоянное, или электроны в основном «топчутся на месте», совершая колебания в быстропеременном поле, принци­пиального значения не имеет, хотя на деталях и внешней стороне процесса это существенным образом отражается.

Явление пробоя имеет резко выраженный пороговыйхарактер. Это значит, что пробой происходит только при полях, превышаю­щих определенное для каждых конкретных условий значение. Так, повышая напряжение на разрядном промежутке или интенсивность электромагнитного излучения, мы до поры до времени не замечаем каких-либо изменений в состоянии среды. И вдруг, при определен­ных значениях напряжения или интенсивности, бурно развивается ионизация, приборы регистрируют ток, наблюдается вспышка. Исчезновение электронов обрывает цепи, и это ставит предел самой возможности осуществления цепной реакции размножения. Значит, преобладание положительного или отрицательного факторов для развития лавины очень чувствительно к величине поля.

Порог пробоя определяется соотношением между скоростями рождения и гибели электронов лишь при достаточно длительном воздействии поля, когда заведомо хватает времени на рождение многих поколений электронов. В случае очень кратковременных импульсов поле должно быть настолько сильным,чтобы обеспечить рождение достаточного,«макроскопического» числа электронов за время импульса даже при полном отсутствии их потерь.Так,например,получается при пробое газа сфокусированными «гигантскими» лазерными импульсами,которые длятся всего (2-4)•10^-8 с. Видимая вспышка появляется, если в области фокуса нарождается около 10¹³ электронов.

Физика пробоя и зажигания самостоятельного разряда в постоянном однородном электрическом поле

Несамостоятельный ток в разрядном промежутке. Приложенное электрическое поле будем считать однородным: Е=U/d, где d – расстояние между электродами. Время от времени у катода появляются случайные электроны. Поле движет их к аноду.

Электрон может и не достичь анода: попасть на боковые стенки разрядного объема, прилипнуть к электроотрицательной молекуле. Ионы могут рекомбинировать. Гибнет по пути тем меньшая доля зарядов, чем быстрее они проходя промежуток, т.е. чем сильнее поле. Поэтому электрический ток в цепи i, который определяется числом зарядов, достигающих электродов в 1 с, растет с повышением U. Начиная с какого-то напряжения практически все заряды, электроны и ионы, рождающиеся иногда в объеме, попадают на электроды. Ток достигает насыщения и перестает зависеть от U. Он определяется скоростью появления зарядов под действием посторонних источников—космических лучей или искусственного ионизатора. Разряд этот является несамо­стоятельным. Его статическая вольт-амперная характеристика изображена на рис. 2.2. Статическая - значит отвечающая уста­новившемуся, стационарному состоянию

Рис.2.2. ВАХ несамостоятельного разряда между плоскими электродами

При еще больших напряжениях начинается ионизация молекул электронным ударом, что приводит к усилению тока, происходящего от внешних источников. При дальнейшем повышении напряжения вступают в игру вторичные процессы: рождение электронов под действием тех частиц, которые появляются в результате первичного процесса ионизации газа электронами. Особенно активно влияют вторичные процессы на усиление, если приводят к эмиссии электронов с катода. Эмиттированный электрон проходит весь путь от катода до анода и потому производит больше ионизаций, чем рожденный «на полпути». С учетом вторичной эмиссии стационарный разрядный ток определяется формулой

(*)

где  - эффективный коэффициент вторичной эмиссии с катода, которая происходит под действием положительных ионов, фотонов и метастабильных атомов,

рождающихся в газе в результате ионизации и возбуждения атомов, рождающихся в газе в результате ионизации и возбуждения атомов электронами. Ток по-прежнему

остается несамостоятельным, пока знаменатель положителен. Он нарастает с U еще круче, чем в области простого усиления, благодаря уменьшению знаменателя, равного единице при небольших коэффициентах усиления d.

Основы физики тлеющего разряда

Отличительные черты. Тлеющий разряд – это самоподдерживающийся разряд с холодным катодом, испускающим электроны в результате вторичной эмиссии, главным образом под действием положительных ионов. Его отличительным признаком является существование вблизи катода слоя определенной толщины с большим положительным объемным зарядом, сильным полем у поверхности и значительным падением потенциала 100 - 400 В (и более). Оно на­зывается катодным падением. Толщина слоя катодного падения обратно пропорциональна плотности (давлению) газа. В отличие от катодного слоя, без которого тлеющий разряд существовать не может, положительный столб не является его неотъемлемой частью.

Картина свечения. Наблюдать эту картину хорошо при низких давлениях, когда слои растянуты по длине трубки, - ведь все процессы в разряде связаны со столкновениями. Расстояния характерных точек от катода определяются числом укладывающихся на них длин пробега электронов l~p^-1. Поэтому координате границы какого-то слоя х₁ отвечает определенное значение рх₁. Слоистая картина растягивается на сантиметры при давлениях р~10^-1 тор. К катоду прилегает очень узкое астоново темное пространство. Затем следует тонкий слой катодного свечения. После него идет темное катодное прост-ранство. Следующая за ним область отрицательного свечения резко отделена от темного катодного пространства. В направлении анода отрицательное свечение затухает и переходит в темное фарадево пространство. За ним начинается светящийся положительный столб. Положительный столб иногда имеет правильную слоистую структуру — это так называемые страты, но страты образуются (или видны) далеко не всегда, и когда их нет, положительный столб светится однородно вплоть до анодной области. Там он иногда сме­няется небольшим темным анодным пространством, а у поверх­ности анода видна узкая пленка анодного свечения.

Рис.2.3. Картина тлеющего разряда в трубке

При низких давлениях (p~10^-2 тор) и не слишком больших расстояниях между электродами для положительного столба места нет и видна в основном область отрицательного (тлеющего) свечения. От нее разряд и получил свое название тлеющего (glow discharge).