§ 11.3. Тлеющий и дуговой разряды

Тлеющий разряд. Плотность тока в самостоятельном темном (таунсендовском) разряде имеет порядок 10^-11 – 10^-2 А/м², поэтому объемный заряд в разрядном промежутке настолько мал, что не искажает распределения электрического поля. При уменьшении балластного сопротивления во внешней цепи разрядный ток, а вместе с ним и объемный заряд нарастают и при достижении определенного значения тока начинается быстрый переход к тлеющему разряду с достаточно высокой плотностью объемного заряда и резко неравномерным распределением поля вдоль разрядного промежутка. Одновременно напряжение на разрядной трубке падает от нескольких сотен или даже тысяч вольт до 70 – 300 В.

Нормальному тлеющему разряду соответствует участок 4 вольт-амперной характеристики, изображенной на рис. 11.6. Разряд возникает, как правило, при давлениях 1 – 100 Па и характеризуется довольно малым током (10^-4 – 1 А) и сравнительно большим напряжением на разрядной трубке (сотни вольт). Как видно из рис. 11.5, почти все падение напряжения сосредоточено на участке d_k, который называется участком катодного падения напряжения.

Тлеющий разряд существует и при атмосферном давлении, однако во избежание разогрева катода и перехода к дуговому разряду катод разрядной трубки должен иметь охлаждение.

В тлеющем разряде можно различить несколько чередующихся областей с различно протекающими процессами возбуждения, ионизации и рекомбинации зарядов. В длинных трубках в условиях низкого давления эти области можно наблюдать непосредственно по различной интенсивности свечения газа. На рис. 11.7 показаны области тлеющего разряда и приведены картина свечения (а), а также распределение интенсивности свечения J (б), потенциала V (в), напряженности поля (г) и плотности заряда ρ (д) между катодом К и анодом А.

Рис. 11.7

Физика явлений, происходящих в различных областях тлеющего разряда, может быть качественно описана следующим образом (номера областей соответствуют номерам на рис. 11.7).

1. Тонкая область, примыкающая к катоду, называется первым катодным или астоновым темным пространством. Электроны, выбитые потоком ионов из катода, обладают малыми скоростями и участвуют лишь в упругих столкновениях с атомами газа, так что в этой области атомы находятся в невозбужденном состоянии и свечение отсутствует.

2. Ускоряясь в сильном электрическом поле, электроны набирают энергию, достаточную для возбуждения атомов газа, которые затем переходят снова в невозбужденное состояние с излучением, образуя резко ограниченный участок первого катодного свечения. Чем ближе к аноду произошло неупругое столкновение электрона, тем большую он имел энергию и тем сильнее возбудил атом. Поэтому энергия квантов, испускаемых возбужденными атомами, и частота излучения увеличиваются в той части участка первого катодного свечения, которая расположена ближе к аноду.

3. Когда электроны набирают энергию, достаточную для ионизации атомов газа, интенсивность свечения уменьшается, образуя второе катодное или круксово темное пространство. Отсюда начинаются электронные лавины. Здесь мало возбужденных атомов, поскольку мала вероятность возбуждения при таких энергиях электронов. Рекомбинация электронов и ионов также маловероятна ввиду их большой относительной скорости. Подвижность электронов значительно выше подвижности положительных ионов, поэтому в области второго катодного темного пространства преобладает положительный заряд медленно движущихся ионов.

4. Развивающиеся электронные лавины создают высокую степень ионизации газа, поэтому проводимость остальных участков разряда значительно выше, чем в области катодного падения напряжения, и изменение потенциала в них невелико, так что заряды движутся, почти не ускоряясь полем. Их направленное движение быстро сменяется хаотическим, средняя энергия уменьшается и ее уже недостаточно для ионизации атомов. При этом вероятность возбуждения атомов вторичными электронами, появившимися в результате ионизации, и первичными электронами, сохранившими часть энергии после акта ионизации, снова увеличивается и свечение нарастает (отрицательное или катодное свечение). Свечение обусловлено не только высвечиванием возбужденных атомов, но и рекомбинацией медленно движущихся электронов и положительных ионов (это свечение называют также тлеющим). По мере удаления от катода скорость электронов постепенно снижается, что уменьшает вероятность возбуждения и интенсивность свечения. Правую границу тлеющего свечения можно считать пределом, до которого долетают быстрые электроны, разогнавшиеся на участке второго катодного темного пространства. Резкая граница тлеющего свечения со стороны катода представляет собой предел, до которого диффундируют медленные электроны в направлении катода. У границы тлеющего свечения они останавливаются сильным электрическим полем второго катодного темного пространства. Накопление медленных электронов в области тлеющего свечения приводит к компенсации положительного заряда ионов (рис. 11.7) и некоторому снижению потенциала.

5. В результате неупругих столкновений энергия электронов уменьшается настолько, что они становятся способными совершать лишь упругие столкновения. Свечение вновь падает (фарадеево темное пространство).

6. Наибольший объем в разрядном промежутке занят столбом (остовом) разряда – участком высокоионизированного газа (плазмы) с примерно равной концентрацией положительных и отрицательных зарядов. Диффузия носителей заряда на стенки в области фарадеева темного пространства и остова разряда вызывает уменьшение их концентрации в объеме и снижение проводимости. Поэтому вдоль всего столба разряда потенциал несколько повышается (рис. 11.7, в) и электронный газ разогревается в электрическом поле до температур, при которых энергия электронов становится достаточной для ионизации газа в той мере, чтобы восполнять убыль зарядов на стенки. Чем больше диаметр разрядной трубки, тем меньше диффузия зарядов к стенкам и градиент потенциала вдоль столба разряда, а следовательно, температура электронного газа. Соответственно уменьшается и интенсивность свечения газоразрядной плазмы, возбуждаемой электронными ударами (более подробное описание процессов в столбе разряда приведено в § 11.4).

7, 8. Если в столбе разряда концентрации положительных и отрицательных зарядов примерно одинаковы, то вблизи анода это равенство нарушается за счет движения положительных ионов к катоду, а электронов - к аноду. В результате возрастает напряженность электрического поля между столбом разряда и анодом и появляется анодное падение напряжения, необходимое для обеспечения постоянства полного тока на этом участке разряда. Знак анодного падения напряжения зависит от размеров анода. Ток на анод определяется количеством электронов, диффундирующих из остова разряда; при малых размерах анода он может оказаться меньше тока электронов, отходящих от анода во внешнюю цепь. В этом случае потенциал анода повышается настолько, чтобы увеличился отбор электронов из остова и число вытягиваемых к аноду из плазмы электронов равнялось числу электронов, отбираемых от анода во внешнюю цепь (положительное анодное падение напряжения). При больших размерах анода ток электронов, приходящих на анод из разряда, превышает ток во внешней цепи, и для устранения этого неравенства потенциал анода автоматически снижается (отрицательное анодное падение напряжения). Знак анодного падения напряжения в значительной степени зависит также от формы поверхности анода и степени компенсации отрицательного объемного заряда электронов положительными ионами вблизи анода.

При положительном анодном падении напряжения электроны на пути к аноду ускоряются и приобретают энергию, достаточную для возбуждения и даже ионизации газа. Поэтому около анода появляется участок анодного свечения (8), отделенный от столба разряда темным анодным пространством (7).

Для поддержания тлеющего разряда необходимы лишь его катодные участки (1 – 4), обеспечивающие ионизацию газа. Столб разряда представляет собой участок с повышенной проводимостью, соединяющий катодные участки разряда с анодом. В катодных участках разряда направленное движение электронов преобладает над хаотическим, поэтому при повороте катода относительно анода катодные участки разряда не изменяют своего положения относительно катода, а остальная часть разряда заполняется столбом произвольной формы, в котором движение зарядов носит в основном диффузионный характер. При сокращении расстояния между анодом и катодом протяженность столба уменьшается и он может исчезнуть совсем. По мере приближения анода к катоду вслед за столбом исчезает фарадеево темное пространство и катодное тлеющее свечение. При подходе анода к границе тлеющего свечения, расположенной ближе к катоду, т.е. при введении его в область, где формируются электронные лавины (область 3 на рис. 11.7), разряд исчезает, либо для его поддержания необходимо повысить эффективность процессов ионизации увеличением напряжения на трубке (затрудненный разряд).

При переходе от темного разряда к тлеющему протяженность области, в которой происходит нарастание напряжения, резко сокращается за счет развития объемного заряда, и напряженность поля в ней возрастает. В результате облегчаются условия образования электронных лавин на катодных участках разряда и он может поддерживаться при напряжениях, меньших напряжения зажигания. Напряжение, при котором существует разряд, близко к падению напряжения на катодном участке разряда (нормальному катодному падению напряжения V_кн) и отличается от него на величину анодного падения и падения напряжения на столбе разряда.

Нормальное катодное падение в тлеющем разряде не зависит от тока и определяется типом газа и материалом катода. Приближенно можно считать, что

(11.49)

где . Как показывают результаты экспериментов, в одном и том же газе при разных катодах выполняется равенство

φ, (11.50)

где К – коэффициент пропорциональности, определяемый типом газа; eφ - работа выхода из катода.

В режиме нормального тлеющего разряда плотность тока j_н также постоянна, а ток I определяется площадью части катода, занятой разрядом. При небольших токах разряд занимает лишь часть поверхности катода. С ростом тока площадь, занятая разрядом, увеличивается, пока не станет равной площади поверхности катода. Природа сил, вызывающих это явление, пока неясна.

Как следует из закона подобия разрядов, плотность тока в нормальном тлеющем разряде j_н пропорциональна квадрату давления газа, поскольку отношение j_н / p² является инвариантой подобного преобразования. Из этого же закона следует постоянство произведения давления на длину участка катодного падения напряжения для данного газа и материала катода.

Когда вся площадь катода занята разрядом, дальнейшее возрастание разрядного тока возможно лишь за счет повышения интенсивности γ-процессов на катоде, а для этого необходимо увеличение катодного падения напряжения и соответственно напряжения на разрядной трубке. Разряд переходит в аномальный тлеющий разряд, а катодное падение V_ка может возрасти до 10³ В. Увеличение плотности тока в аномальном тлеющем разряде j_а обусловлено бомбардировкой катода быстрыми ионами и нейтральными атомами, а главным образом фотоэлектронной эмиссией с катода под действием ультрафиолетового излучения из катодных участков разряда. При этом область тлеющего свечения расширяется, а ее яркость возрастает за счет увеличения количества и энергии электронов.

Аномальное катодное падение напряжения связано с нормальным катодным падением эмпирической зависимостью

(11.51)

где С – константа, определяемая типом газа и материалом катода.

При достижении определенной величины тока, зависящей от материала и формы катода, а также от типа и давления газа, аномальный тлеющий разряд скачком переходит в самостоятельный дуговой разряд.

Самостоятельный дуговой разряд. При уменьшении балластного сопротивления во внешней цепи разрядной трубки анодный ток возрастает, а d_к уменьшается настолько, что энергии и количества ионов, бомбардирующих катод, становится достаточно для заметного повышения его температуры. С некоторой точки поверхности катода, нагретой сильнее остальных точек, появляется термоэлектронная эмиссия, дающая начало новым электронным лавинам и соответственно вызывающая усиление потока ионов, бомбардирующих катод. Увеличение тока разряда приводит к повышению напряжения на балластном сопротивлении и снижению напряжения на трубке, в результате условия образования лавин ухудшаются и разряд может поддерживаться лишь с более нагретого участка катода. Разряд будет ограничен по сечению именно этой областью (катодным пятном) с очень высокой плотностью тока – до 10¹¹ А/м². Теперь причина вылета электронов с катода в отличие от тлеющего разряда заключена не в γ-процессах, а в термоэлектронной эмиссии. Разрядный ток резко возрастает, а разряд превращается в самостоятельный дуговой разряд.

Термоэлектронная эмиссия является одной из возможных причин возникновения дугового разряда. Теория катодного пятна до конца не разработана, а в отношении механизма эмиссии с катода существуют различные точки зрения. Наиболее вероятным механизмом вырывания электронов с катода представляется термоавтоэлектронная эмиссия – сочетание термического возбуждения электронов тела с сильным электрическим полем в катодной области разряда, изменяющим форму потенциального барьера у поверхности катода. При определенных условиях термоавтоэлектронная эмиссия уступает место термоэлектронной эмиссии (при высоких давлениях газа и тугоплавких катодах) или автоэлектронной эмиссии (при наличии диэлектрических пленок на поверхности катода, а также при сильно испаряющихся катодах).

В отличие от тлеющего разряда протяженность участка катодного падения напряжения ограничена средней длиной свободного пробега электрона, а катодное падение примерно равно потенциалу ионизации атомов газа V_i (рис. 11.8). При высокой плотности тока этой разности потенциалов достаточно для поддержания необходимой температуры катодного пятна с помощью ионной бомбардировки. С другой стороны, ее достаточно для того, чтобы электроны, вылетевшие с катода, успели набрать энергию, необходимую для ионизации атомов газа. Протяженность участка катодного падения напряжения столь мала (10^-8 – 10^-6 м), что даже при небольшом катодном падении напряженность поля достигает величин, способных вызвать автоэлектронную эмиссию.

На участке катодного падения напряжения электроны практически не сталкиваются с атомами газа и движутся по тем же законам, что и в электровакуумном диоде.

За пределами участка катодного падения располагается столб дугового разряда, отличающийся от столба тлеющего разряда более высокой плотностью тока. В зависимости от давления газа столб разряда имеет свои особенности, о которых более подробно будет сказано в § 11.4.

Полное падение напряжения на разряде складывается из катодного падения, разности потенциалов на столбе разряда и анодного падения. Анодное падение напряжения, как и в тлеющем разряде, может быть положительным и отрицательным в зависимости от размеров и формы анода.

Несамостоятельный дуговой разряд. В ионных приборах с накаленным за счет внешнего источника термоэмиссионным катодом возникает несамостоятельный дуговой разряд. Процессы ионизации и распределение потенциала в разрядном промежутке сходны с аналогичными процессами в самостоятельном дуговом разряде. На рис. 11.9 изображена вольт-амперная характеристика несамостоятельного дугового разряда.

Рис. 11.8 Рис. 11.9

При низких анодных напряжениях (менее V_i) между катодом и анодом протекает лишь электронный ток, аналогичный току в электровакуумном диоде (с поправкой на упругие столкновения электронов с атомами газа) – участок 1. При повышении анодного напряжения до величины порядка потенциала ионизации атомов газа V_i начинается образование плазменного столба, как и в самостоятельном разряде, и распределение потенциала становится близким к изображенному на рис. 11.8.

После зажигания несамостоятельного дугового разряда напряжение на разрядной трубке несколько снижается по сравнению с V_i (участок 2). Возможность протекания разряда при V < V_i связана с повышением вероятности ступенчатой ионизации в газе при достаточно большой плотности тока.

Электронная составляющая тока, на несколько порядков превышающая ионную составляющую, ограничена отрицательным объемным зарядом электронов вблизи катода. Рост тока на участке 3 вольт-амперной характеристики связан с постепенной нейтрализацией поля объемного заряда полем положительных ионов, возрастающим по мере увеличения тока, и связанного с ним усиления процесса ионизации. Отрицательный объемный заряд электронов создает минимум потенциала вблизи катода, задерживающий электроны. С ростом тока величина минимума снижается, что обеспечивает управление электронным током без необходимости изменения анодного напряжения, которое вследствие этого остается постоянным. Когда же минимум потенциала у катода исчезает под действием поля положительных ионов, электронный ток с катода становится равным току эмиссии и дальнейшее увеличение тока невозможно без повышения анодного напряжения для усиления γ-процессов и процессов ионизации (участок 4). При значительном усилении тока разряда возможен переход к самостоятельному дуговому разряду с появлением падающего участка на вольт-амперной характеристике.

Дуговой разряд в трубке с накаленным катодом может существовать и при очень низких анодных напряжениях, ниже потенциала возбуждения атомов газа. Возможность ионизации газа а таких условиях определяется тем, что за счет объемного заряда положительных ионов вблизи катода образуется максимум потенциала, близкий к потенциалу возбуждения, чем обеспечивается возможность ступенчатой ионизации.