4.5. Самостоятельный газовый разряд

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом.

Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались носители тока. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа, которая производится не только электронами, но еще и положительными ионами.

Рассмотрим влияние напряжения U между электродами газоразрядной трубки М (см. рис. 4.5) на проводимость газа и процессы, происходящие в нем при разряде. Если напряжение U достаточно велико, то электроны, возникающие в газе под действием внешнего ионизатора R, настолько сильно ускоряются электрическим полем, что при столкновениях с молекулами газа ионизируют их. При этом образуются вторичные электроны и ионы. Вторичные электроны тоже ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. Таким образом, число носителей тока в газе и его проводимость сильно возрастают. В этом и состоит причина резкого увеличения тока в начале области 4.

Однако ударная ионизация, производимая одними только электронами, недостаточна для поддержания разряда после удаления внешнего ионизатора, т. е. для осуществления самостоятельного разряда.

В самом деле, каждый электрон движется в электрическом поле газоразрядной трубки в направлении от катода к аноду. Поэтому он может ионизировать только те молекулы газа, которые лежат ближе к аноду по сравнению с местом его собственного возникновения. Иными словами, если энергия положительных ионов недостаточна для ударной ионизации молекул газа или для выбивания электронов из металлического катода газоразрядной трубки, то вблизи последнего свободные электроны могут возникать только благодаря действию внешнего ионизатора. В случае внезапного прекращения его действия область ударной ионизации газа электронами будет сокращаться, стягиваясь к аноду по мере движения к нему электронов, так что вскоре ударная ионизация газа и электрический разряд в нем прекратятся совсем.

Совершенно иная картина наблюдается, если напряжение U столь велико, что положительные ионы также приобретают способность порождать вторичные электроны. В этом случае образуется двухсторонняя лавина электронов и положительных ионов, возникающих во всех частях объема газа. Теперь внешний ионизатор уже не играет практически никакой роли в осуществлении газового разряда, так как число создаваемых им первичных электронов и ионов ничтожно мало по сравнению с числом вторичных электронов и ионов, образующихся благодаря указанным выше процессам.

Таким образом, при достаточно большом напряжении на электродах газоразрядной трубки несамостоятельный газовый разряд может перейти в самостоятельный. Этот переход называется электрическим пробоем газа, а соответствующее ему напряжение U_s напряжением зажигания, или напряжением пробоя.

Заметим, что в большинстве случаев для выбивания электрона из катода (ионно-электронная эмиссия) положительный ион должен совершать меньшую работу, чем для ударной ионизации молекул газа. Поэтому основной причиной появления вторичных электронов под действием положительных ионов является процесс выбивания электронов из катода газоразрядной трубки.

Из сказанного ясно, что для возникновения электрического пробоя газа необходимо, чтобы в газе имелось хотя бы небольшое начальное число свободных носителей заряда, способных сыграть роль «запала». Однако для этого не требуется применения специальных внешних ионизаторов (например, рентгеновского излучения), так как в естественных условиях газ всегда подвергается действию космических лучей и радиоактивного излучения Земли, вызывающих ионизацию небольшой части молекул газа.

Различают несколько форм существования самостоятельного разряда. Так тлеющий разряд наблюдается при низких давлениях газа порядка килопаскалей и меньше. Происходит в разрядных трубках с холодным катодом при малой плотности тока и напряжении в сотни вольт. При нормальном и большом давлениях возможны коронный, кистевой, искровой и дуговой разряды.