книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

уровень энергии, то для перехода к нормальному уровню нужно предварительно поднять его электрон на более высокий уро­ вень энергии, с которого прямой переход к нормальному со­ стоянию возможен. В метастабильном состоянии атомы могут существовать относительно долгое время (тысячные и сотые доли секунды), вследствие чего велика вероятность их ступен­ чатой ионизации. Наличие метастабильных атомов увеличи­ вает и вероятность неупругих столкновений второго рода, про­ исходящих в том случае, когда возбуждённый атом, сталкиваясь с электроном или другим атомом, отдаёт этой частице свою энергию.

При некоторой приложенной извне разности потенциалов между электродами ионного прибора возникает газовый разряд. Этот разряд может происходить как при накалённом, так и при холодном катоде.

§ 19.3. Несамостоятельный разряд в газе при накалённом катоде

Пусть в диод с накалённым катодом введено некоторое ко­

их ударную ионизацию и возбуждение. Положительные ионы, образовавшиеся при ионизации, направляются к катоду и час­ тично нейтрализуют электронный пространственный заряд в лампе, имеющий наибольшую плотность около катода. В ре­

ми скоростями продвигаются к аноду, положительные ионы, яв­ ляющиеся крупными частицами с большой массой, приобретают под действием поля анод — катод относительно небольшие ско­ рости и, медленно двигаясь к катоду, находятся в междуэлектродном пространстве более длительное время, чем электроны. Поэтому каждый положительный ион при своём движении к ка-

530

тоду может нейтрализовать отрицательный заряд большого чис­ ла проходящих мимо него электронов. Увеличение анодного тока кз-за частичной нейтрализации прикатодного электронного про­ странственного заряда приводит к росту интенсивности иониза­ ции, т. е. к увеличению числа положительных ионов, а это, в свою очередь, вызывает рост анодного тока благодаря более полной нейтрализации электронного пространственного заряда около катода положительными ионами.

Если давление газа невелико (например, не превышает

Ю-4 мм рт. ст), то при анодных напряжениях Ua , даже в де­ сятки раз превышающих величину потенциала ионизации lfa0Hi количество возникающих ионов обычно бывает недостаточным для того, чтобы полностью компенсировать объёмный заряд электронов. Минимум потенциала у ктгода остаётся и характе­ ристики лампы, как и при самом высоком вакууме, в основном определяются законом степени 3/2.

Если же в лампу введено большее количество газа, соответ-

этом электронный пространственный заряд около катода пол­ ностью компенсируется зарядом положительных ионов и в этой области даже образуется избыточный положительный объём­ ный заряд. Минимум потенциала у катода исчезает, а вместе с этим прекращается и ограничение анодного тока полем элект­ ронного объёмного заряда, прекращается действие закона сте­ пени 3/2. Ток в таком приборе уже не может ограничиваться самим прибором (вплоть до анодных токов, равных току эмис­ сии катода), а зависит от величины добавочного сопротивле­ ния Гдоо, включаемого во внешнюю цепь лампы последователь­ но с источником анодного напряжения Е а. I

После зажигания разряда изменяет свой характер и газо­ вая среда в ионном приборе: за исключением прикатодной об­ ласти, всё остальное междуэлектродное пространство заполне­ но сильно ионизированным газом, в котором концентраций по­ ложительных ионов и электронов весьма велики (порядка 1012 -Е

Ю13 1/см3) и приблизительно одинаковы. Такой сил'ьнб иони­ зированный газ называется электронно-ионной плазмой' (илй просто плазмой) и является смесью нейтрального газа, газа' по-

.ложительных ионов и «электронного» газа; некоторое количе­ ство частиц нейтрального газа находится в возбуждённом со­ стоянии.

В электронно-ионной плазме наряду с процессами возбуж­ дения и ионизации происходят и обратные процессы: переход возбуждённых атомов в нормальное состояние и рекомбинация

электронов и ионов с образованием нейтральных атомов1). В каждом данном (стационарном) режиме ионного прибора в нём устанавливается динамическое равновесие между прямыми и обратными процессами и некоторая определённая концентра­ ция ионов и электронов в каждом элементе объёма внутри при­ бора.

На ионизацию и возбуждение атома при столкновении элек­ трон затрачивает определённое количество энергии, получен­ ной им от внешнего источника питания прибора. При рекомби­ нации и переходах электронов на более низкие (нормальные)

• энергетические уровни энергия выделяется в виде квантов све­ та определённой частоты й обычно наблюдается свечение газа

и ионов под действием электрического поля значительно сла­ бее беспорядочного (хаотического) движения этих заряженных частиц, которое им присуще так же, как и нейтральным части­ цам газа.

Основное падение напряжения при разряде в газе сосредо­ точивается в области положительного объёмного заряда около катода (рис. 19.2). Оно называется катодным падением ( UK). Незначительное падение напряжения может наблюдаться около

отбор с катода значительных токов, близких к его току эмис­ сии. Вследствие этого сопротивление ионных приборов с нака­ лённым катодом доходит до нескольких ом и даже долей ома.

Другая функция положительных ионов — их участие наря­ ду с электронами в переносе тока — не является в количест­ венном отношении существенной. При разряде в ртутных парах лишь около 0,25% конвекционного тока переносится ионами, а весь остальной ток — электронами. Объясняется это значитель­ но меньшей подвижностью ионов по сравнению с подвижностью

*) Р е к о м б и н а ц и я в о с н о вн о м п р о и сх о д и т на с те н к ах п р и б о р а .

532

электронов. Следовательно, и в ионных приборах роль электро­ нов является весьма существенной.

Процессы зажигания газового разряда и деионизации по­ сле прекращения разряда, в которых участвуют наряду с элек­ тронами также ионы газа, являются значительно более инер­ ционными, чем электронные процессы в высоковакуумных при­ борах. Для возникновения разряда в ионных приборах обычно

требуется время порядка 10 6 10 7 сек, а на деионизацию

значительно большее — до 10- 4 -М 0~3 сек. Поэтому наиболь­ шая рабочая частота в ионных приборах часто ограничивается величиной 1 -г- 10 кгц. Кроме того, характеристики ионных при­ боров, как правило, менее стабильны, чем у электронных при­ боров. В ионных приборах с накалённым катодом неблагопри­ ятным является также то, что активированный катод при раз­ ряде подвергается бомбардировке относительно тяжёлыми (по сравнению с электронами) положительными ионами, что легко может вывести катод из строя. При разряде в инертных газах предельно допустимая величина анодного напряжения, которую может выдержать оксидный катод без повреждения, не превы­ шает 30 е, а в ртутных парах— 18-f- 24 в.

Наличие накалённого катода облегчает зажигание и под­ держание газового разряда. Но накалённый катод не является обязательным для ионных приборов: под действием положи­ тельных ионов электронная эмиссия может осуществляться и при холодном катоде.

§ 19.4. Самостоятельный разряд в газе

Тлеющий разряд

Примером ионных приборов, в которых газовый разряд про­ исходит при холодном катоде, может служить разрядная труб­ ка (рис. 19.3а), наполненная разре­ женным газом и имеющая два элек­ трода в виде плоских металлических дисков— катод (К) и анод (А)- При включении анодного напряжения и отсутствии ионизации распределе­ ние потенциала в такой трубке было

окружающем нас пространстве, всег­ да • имеется некоторое,' хотя и небрлыпое, количество электронов и исщов (например, из-за ионизирую-. ш;его действия космических лучей и радиоактивного излучения), то мож­ но считать, что в любом ионном при-

■533

боре предварительная ионизация газа всегда существует. По­ этому при приложении анодных напряжений, достаточных для осуществления лавинообразно нарастающей ионизации (прак­ тически для этого здесь требуются Uа порядка 200-н 600 в), в трубке зажигается газовый разряд. Образовавшиеся при иони­ зации положительные ионы своим пространственным зарядом существенно изменяют картину распределения потенциала в междуэлектродном пространстве (кривая ОВС на рис. 19.36). При этом положительные ионы выполняют не только функции нейтрализации электронного пространственного заряда и уча­ стия в переносе тока, но, подходя близко к катоду и бомбарди­ руя его, они также вызывают электронную эмиссию из холодно­ го катода. Тем самым обеспечиваются условия для поддержа­ ния стационарного разряда в трубке. Такой разряд, в отличие от рассмотренного ранее разряда в газе при накалённом катоде, называется самостоятельным. Разряд же при накалённом като­ де, как и другие виды газового разряда, при которых энергия, необходимая для эмиссии катода, получается от отдельного внешнего источника, называют несамостоятельным.

Для существования самостоятельного разряда необходимо, чтобы каждый электрон, выходящий с катода и попадающий на анод, в результате всех процессов, происходящих в разрядном пространстве, обеспечил бы выход из катода не менее одного нового электрона. Теоретический расчёт показывает, что вели­ чина разности потенциалов, необходимая для возникновения самостоятельного разряда, или величина так называемого по­ тенциала зажигания U3, равна

Выражение (19.2) показывает, что потенциал зажигания для данного газа зависит от произведения давления газа р на рас­ стояние между электродами г. Вид функции U3=f(pr) (её назы­ вают «кривой Пашена») показан на рис. 19.4, из которого вид­ но, что для определённого оптимального значения рг потенциал

При больших, чем оптимальное, зна­ чениях произведения рг зажигание разря­ да затруднено вследствие того, что элек­ троны на пути к аноду испытывают слиш­ ком большое число столкновений и по­ этому на каждой длине свободного про­

бега приобретают, при данной разности потенциалов между электродами U, меньшую энергию для ионизации атомов. .На­ личие восходящей левой ветви кривой Пашена объясняется тем,

534

что при малых междуэлектродных расстояниях ( или давлениях газа) электроны на пути к аноду испытывают слишком малое число столкновений, вследствие чего образование электронных лавин для зажигания разряда также затрудняется.

Примеси к данному газу дру­ гих газов, даже в небольших ко­ личествах, значительно изменяют величину потенциала зажигания. Этим широко пользуются в тех­

ния для смеси неона с водородом объясняется тем, что при напря­ жении между электродами 150-*- -5-200 в ионизация атомов чисто­

го неона ещё не возникает, но уже образуются метастабильные атомы пеона с большой энергией, которые, сталкиваясь с атома­ ми водорода и отдавая им свою энергию, легко ионизируют их, что и приводит к зажиганию разряда в трубке. Отсюда следует, что для уменьшения U3 необходимо в качестве примесей брать газы с меньшими потенциалами ионизации, чем у основного газа.

Когда величина разрядного тока в трубке мала (порядка единиц или десятков миллиампер) вследствие ограничения её включённым в цепь Трубки большим добавочным сопротивле­ нием, возникающий самостоятельный разряд получается в виде тлеющего разряда. Выход электронов из катода при тлеющем разряде происходит под действием ударов положительных ионов о катод (вторичная электронно-ионная эмиссия).

Распределение потенциала и объёмного заряда вдоль оси трубки при тлеющем разряде показано на рис. 19.36 и в. Вбли* зи катода имеется избыточный положительный объёмный заряд, а плазма (или, как её часто называют — положительный столб), будучи близкой к электрически нейтральной, содержит неболь­ шой избыток электронов. Основное падение напряжения, как и при разряде с накалённым катодом (рис. 19.2), сосредоточи­ вается вблизи катода. Но при тлеющем разряде величина ка­ тодного падения значительно (обычно в десятки раз) превы­ шает величину UK при разряде с накалённым катодом.

Наиболее важной для существования тлеющего разряда яв­ ляется область катодного падения. Объясняется это тем, что именно на этом участке электроны, выбиваемые из катода, при­ обретают направленные к аноду скорости и вызывают, иониза­ цию газа, а образующиеся здесь положительные ионы, двигаясь

535

к катоду, приобретают большие скорости, при которых выби­ вание электронов с катода происходит в количестве, требуемом для поддержания самостоятельного разряда.

Вольтамперная характеристика ионного прибора при тлею­

пока падение напряжения на сопротивлении rgo6 не станет рав­

При большой величине Гдоб в анодной цепи устанавливает­ ся незначительный ток 1а , и катодное свечение покрывает не Rcro поверхность катода, а только часть её. Увеличение тока, создаваемое уменьшением добавочного сопротивления Гд0в или увеличением напряжения источника Еа, сопровождается рас­ ширением свечения на поверхности катода. В таком режиме, пока не вся поверхность катода покрыта свечением, величина разрядного тока пропорциональна размерам светящейся по­ верхности катода, плотность же тока и величина катодного па­ дения при этом остаются постоянными. Этот режим называется режимом - нормальногокатодного -падения. Вольтамперная ха­ рактеристика в режиме нормального катодного падения близка к горизонтальной — рост тока через прибор происходит при почти постоянном напряжениимежду электродами U.a .

При давлениях газа' порядка нескольких десятков' милли­ метров ртутного столба величина нормального катодного па­ дения зависит только от материала катода и рода газ.а и для определённой пары металл — газ. остаётся постоянной. . В табл. 19.2 указаны значения Нормального катодного падения в вольтах для р-азличных материалов. Как показывают экспери­ ментальные исследования, нормальное катодное падение в од­ ном и том же газе при разных катодах прямо пропорционально

536

Из табл. 19.2 видно, что для получения меньшего значения нормального катодного падения следует применять металлы с малой работой Еыхода; для этой цели в ряде приборов с тлею­ щим разрядом применяют катоды с активированными поверхно­ стями, используя для этого торий, барий или цезий.

Нормальное катодное падение сильно зависит от примесей, содержащихся в газе, чем также пользуются для снижения его величины. В процессе работы прибора с тлеющим разрядом нормальное катодное падение может изменяться вследствие из­ менения свойств поверхности катода из-за распыления или хи­ мических реакций между веществом катода и газом. Неболь­ шое влияние на величину нормального катодного падения ока­ зывает также повышение температуры катода вследствие бом­ бардировки его ионами и связанное с этим уменьшение плот­ ности газа у катода.

Плотность тока в режиме нормального катодного падения зависит от материала катода и рода газа. На её величину влияет давление газа (чем больше давление, тем больше нормальная плотность тока) и форма катода. При катоде, имеющем вогну­ тую поверхность, плотность тока получается в десятки раз боль­ ше, чем при плоских катодах.

Когда при увеличении тока вся. поверхность катода покроет­ ся свечением, дальнейшее повышение величины тока требует уёеличения плотности тока на, катоде, т. е.. увеличения, количе­ ства электронов, выбиваемых ионами с каждого квадратного сантиметра поверхности катода. Для этого ионы должны обла­ дать большими скоростями, что может быть получено. только при большей величине катодного падения. Этот режим назы­ вается режимом аномального катодного падения и характери­ зуется тем, что для увеличения тока необходимо повышать раз­ ность потенциалов на электродах разрядной трубки, беличциа аномального катодного падения зависит от плотности тока и от

:537

давления газа и может быть выражена следующей формулой:

тодное падение и плотность тока в аномальном режиме. Ано­ мальное катодное падение может во много раз превышать ве­ личину нормального катодного падения UKH .

Дуговой разряд

Если увеличивать ток и напряжение на электродах газораз­ рядной трубки с аномальным тлеющим разрядом, то разряд при некоторой критической величине анодного напряжения скачком переходит в дуговой, характеризующийся значительным умень­ шением напряжения на зажимах трубки и резким ростом тока (рис. 19.6) '). Образование дугового разряда происходит вслед­ ствие того, что при большой плотности тока и интенсивных про­ цессах ионизации положительные ионы настолько близко под­

ходят к катоду (на расстояние d= 10 5 —г—10 6 см), что уже при катодном падении Ок ~10 в напряжённость электрического по­

-5- 107 в!см, достаточных для того, чтобы вызвать значительную автоэлектронную эмиссию катода — вырывать электроны из холодного катода полем. При дуговом разряде интенсивная автоэлектронная эмиссия происходит не равномерно со всей по­ верхности катода, а лишь с небольшого его участка — так на­ зываемого катодного пятна. Это пятно при разряде беспорядоч­ но перемещается по поверхности катода. Плотность тока автоэлектронной эмиссии с катодного пятна, как показывают экс­ перименты, достигает весьма больших значений (105 106 а[см2 и более).

Дуговой разряд с холодным катодом называется автоэлект- ронной дугой. Этот разряд, в отличие от рассмотренного в § 19.3 разряда при накалённом катоде, является самостоятель­ ным. Полная разность потенциалов на электродах дуги относи­ тельно невелика (10 30 «). Она равна сумме катодного паде­ ния, падения потенциала в столбе дуги и падения около анода (как это было показано на рис. 19.2). Токи, проходящие через прибор при дуговом разряде, могут достигать десятков, сотен и даже тысяч ампер. Сопротивление приборов с дуговым разря-

■) Для удобства и большей наглядности чертежа в этой характеристике масштабы тока и напряжения взяты на разных участках различные. Пункти­ ром показаны режимы, соответствующиепереходным, в обычных условиях трудно наблюдаемым, формам разряда.

538