8. Самостоятельный разряд

Самостоятельный разряд – это разряд, в котором электроны и ионы, необходимые для поддержания разряда, создаются им самим в объеме газа или на электродах.

8.1. Лавинный разряд при объемной ионизации электронами и гамма-процессах на катоде

В лавинном процессе, рассмотренном ранее, роль положительных ионов ограничивалась лишь переносом зарядов. Однако при повышении напряженности поля возникают новые процессы, в которых положительные ионы принимают более активное участие. При этом возникают новые процессы, такие как:

1. ионизация атомов (молекул) ионными ударами;

2. эмиссия вторичных электронов из катода при бомбардировке катода ионами – вторичная электронная эмиссия из катода;

3. фотоэлектронная эмиссия катода, вызванная излучением самого разряда.

Ионизация газа ионами (процесс 1) играет заметную роль только при очень больших энергиях ионов. Поэтому в теории разряда ею часто пренебрегают. Так далее мы и поступим.

Процесс 2, приводящий к вторичной электронной эмиссии, называется гамма-процессом. Действие гамма-процесса учитывается с помощью коэффициента γ:

( – число выбитых электронов, – число положительных ионов) –

– числом электронов, выбиваемых из катода одним ионом. Величина γ зависит от скорости ионов, то есть от напряженности электрического поля Ɛ, давления газа p, а также от материала катода.

Получим выражение для тока через газ, учитывая:

1) ионизацию газа электронами,

2) γ-процессы,

3) фотоэффект.

Рассмотрим следующую модель:

• электроды плоские;

• фотоэлектронная эмиссия осуществляется потоком фотонов постоянной интенсивности.

– число электронов, образуемых в результате фотоэффекта в единицу времени;

– число γ-электронов, образуемых при бомбардировке катода положительными ионами в единицу времени;

– число электронов, пришедших на анод в единицу времени;

– число положительных ионов, проходящих через поперечное сечение в единицу времени.

Обозначим сумму как :

.

В результате объемной ионизации (в результате лавинного процесса) число электронов, попадающих на анод, возрастает от до согласно закону:

. (16)

Число новых электронов – электронов, возникших в лавине, будет равно:

. (17)

Оно равно числу возникших ионов .

Положительные ионы, обрушившиеся на катод, выбивают электронов:

. (18)

Полное число электронов, вышедших из катода, равно:

. (19)

Откуда

. (20)

Подставляя (20) в (16), получаем число электронов, приходящих в единицу времени на анод:

. (21)

Умножая (21) на заряд e, получаем плотность тока:

. (22)

Формула (22) показывает, что ток разряда пропорционален фототоку . Коэффициент при :

называется коэффициентом газового усиления.

Из изложенного выше следует, что γ-процессы приводят к еще большему увеличению тока, чем увеличение тока только за счет лавинообразного процесса.

8.2. Зажигание самостоятельного разряда

8.2.1. Условия зажигания самостоятельного разряда

Если увеличивать напряженность поля Ɛ (увеличивая, например, напряжение V), то будут возрастать α и γ, и ток будет возрастать. Опыт показывает, что при увеличении напряжения V на разрядном промежутке наступает такой момент, когда ток резко возрастает и одновременно так же резко усиливается свечение разряда. В этом случае разряд переходит в одну из форм самостоятельного разряда.

Из выражения (22) следует, что неограниченно возрастает при приближении его знаменателя к нулю:

. (23)

Эта формула и представляет собой искомое условие зажигания самостоятельного разряда. Впервые это условие было сформулировано Таунсендом.

Обозначим второе слагаемое в (23)

.

Тогда условие зажигания самостоятельного разряда перепишется в виде

. (24)

Величина μ называется коэффициентом ионизационного нарастания.