Plasma / KriviePashena / лаб4

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника»

Тема: РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

ГАЗОВОГО РАЗРЯДА (КРИВЫЕ ПАШЕНА)

Студенты гр. 22
Преподаватель		Марцынюков С.А.

Санкт-Петербург

2024

Цель работы: Расчет напряжения возникновения газового разряда при различных условиях.

Основные теоретические положения

Разность потенциалов между электродами, при которой разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный, называется пробивным напряжением, или напряжением возникновения газового разряда, и имеет большое значение при разработке плазменных приборов и устройств. Физический смысл напряжения возникновения иллюстрируется с помощью вольт-амперной характеристики двухэлектродного промежутка, показанной на рис.1, где j – плотность тока, протекающего между электродами; – приложенное к ним напряжение.

Рисунок 1 – Обобщенная вольтамперная характеристика

Область I обусловлена током частиц, образовавшихся в промежутке за счет объемной ионизации и вторичной эмиссии электронов поверхностью катода под действием достаточно жестких квантов и быстрых ядерных частиц, связанных с естественным (космическим) или искусственным фоном облучения. Если каким-то образом оградить промежуток внешнего ионизирующего воздействия, то ток между электродами в области I практически прекратится. По этой причине протекание тока на участке I вольт-амперной характеристики (ВАХ) называется «несамостоятельным» разрядом.

Совершенно иначе обстоят дела на II участке вольт-амперной характеристики. Здесь очень существенна вторичная эмиссия электронов катодом под действием бомбардирующих его ионов. За счет образования ионов в объеме и выбивания ими вторичных электронов разряд перестает зависеть от внешних ионизирующих воздействий, он переходит в режим самоподдержания – становится «самостоятельным». Показанная на рис.1 точка напряжения возникновения газового разряда является граничной, определяющей «несамостоятельный» разряд от «самостоятельного».

Основные расчётные формулы

• Условие самостоятельности:

, (1)

где коэффициент вторичной эмиссии ионно-электронного типа;

расстояние между электродами;

коэффициент объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами.

• Коэффициент объемной ионизации :

, (2)

где напряженность электрического поля;

р – давление газа (или пара) в промежутке;

А и В – константы, зависящие от рода газа.

• Напряженность для однородного поля:

, (3)

где напряжение возникновения заряда.

Расчет зависимостей

1. Вывод зависимости U_в=f(pL)

Подставляем (2) в (1)

Логарифмируем

(4)

2. Построение графиков зависимости коэффициента объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами .

Таблица 1 – Параметры материалов и газов, необходимых для расчета

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента объемной ионизации для водорода

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента объемной ионизации для неона

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента объемной ионизации для аргона

3. Зависимости для выбранного газа и различных материалов мишени.

Для водорода (H2)

Рисунок 5 – График зависимостей напряжения возникновения газового разряда от pL для водорода

Для неона (Ne)

Рисунок 6 – График зависимостей напряжения возникновения газового разряда от pL для неона

Для аргона (Ar)

Рисунок 7 – График зависимостей напряжения возникновения газового разряда от pL для аргона

4. Зависимости для выбранной мишени и различных газов.

Для никеля (Ni)

Рисунок 8 – График зависимостей напряжения возникновения разряда для 3 различных газов и никелевой мишени

Рисунок 9 – График зависимостей напряжения возникновения разряда для 3 различных газов и железной мишени

Рисунок 10 – График зависимостей напряжения возникновения разряда для 3 различных газов и платиновой мишени

Выводы

В данной лабораторной работе была изучена зависимость напряжения возникновения газового разряда от p*L. С помощью этой зависимости были построены теоретические зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв (кривые Пащена) для различных газов и материалов мишени. В результате можно заключить, что по характеру кривой – наличие минимума на зависимости, имеется такое соотношение давления и длины между электродами, что напряжение возникновения заряда минимальное.

Построенные зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв для различных материалов мишени показывают, что положения минимумов кривой Пашена отличаются. Это объясняется тем, что напряжение возникновения зависит и от коэффициента вторичной эмиссии ɣ, зависящего от материала. Таким образом, зная материал мишени и газ можно рассчитать и подобрать минимальное напряжение возникновения газового разряда.

По теоретической зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв для различных газов можно сделать вывод, что чем тяжелее газ, тем меньше минимальное напряжение возникновения разряда, кривая Пашена располагается ниже. Это связано с тем, что с увеличением порядкового номера элемента увеличивается количество уровней, поэтому электроны на последнем уровне обладают меньшей энергией связи с ядром. Таким образом, уменьшается энергия ионизации атома.

По зависимостям коэффициентов объемной ионизации от напряженности поля, можно сказать что они достаточно хорошо согласуются с экспериментом.