КУРСАЧ

Рисунок 6. Экспериментальный стенд

21

1.3. ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА

Основные понятия и определения.

Электрический ток в газах (электрический разряд) подразделяется на самостоятельный и несамостоятельный. К несамостоятельным токам (разрядам) относятся все виды тока, в которых участвуют процессы ионизации как на электродах, так и в объеме газа, вызванные внешним ионизатором: термоэмиссия, фотоэффект, внешнее корпускулярное или электромагнитное излучение. К самостоятельным разрядам относятся разряды, в которых процессы ионизации, обеспечивающие создание носителей тока, обеспечивающих существование разряда, происходят в самом разряде и, соответственно, нет необходимости во внешнем ионизаторе. Самостоятельные разряды в свою очередь подразделяются на стационарные

инестационарные. К нестационарным относят разряды, в которых изменяется как величина тока разряда, так и процессы ионизации в объеме газа и на электродах. К стационарным разрядам относят разряды с постоянным во времени током. Самостоятельный разряд низкого давления при увеличении тока принимает формы таунсендовского (тихого), тлеющего

идугового разрядов. Вольтамперная характеристика самостоятельного разряда представлена на рис.7. Область токов А-В соответствует таунсендовскому разряду, В-С переходной стадии к тлеющему разряду, С-Д нормальному тлеющему разряду, Д-Е аномальному тлеющему разряду и Е-F дуговому разряду.

22

Рисунок 7. ВАХ самостоятельного разряда в неоне при давлении 1 мм.рт.ст с медными электродами

1.Тлеющий разряд.

1.1.Характерные признаки и составные части разряда.

Отличительным признаком тлеющего разряда является распределение потенциала в газе, характеризуемое катодным падением потенциала порядка несколько сотен вольт. Это распределение потенциала (рис.8, кривая 1) обусловлено типичным для тлеющего разряда расположением пространственных зарядов. Следствием такого распределения потенциала является поток ускоренных положительных ионов, движущихся в сторону катода. Вследствие вторичной эмиссии под действием положительных ионов

скатода выделяются электроны в количестве, необходимом для поддержания разряда. От таунсендовского разряда тлеющий отличается тем, что распределение потенциала в разрядном промежутке обусловлено пространственными зарядами, а от дугового - большим катодным падением потенциала и тем, что основным механизмом эмиссии электронов с катода является вторичная эмиссия.

Вследствие характерного распределения потенциала тлеющий разряд состоит из нескольких характерных областей, отличающихся элементарными процессами и, соответственно, излучательными свойствами. Области тлеющего разряда показаны на рис.8. В порядке следования от катода к аноду расположены:

23

1.Астоново темное пространство;

2.I- е катодное свечение (катодная светящаяся пленка);

3.Круксово темное пространство;

4.Отрицательное тлеющее свечение;

5.Фарадеево темное пространство;

6.Положительный столб (остов разряда);

7.Анодное темное пространство;

8.Анодное свечение.

Механизм образования областей тлеющего разряда можно качественно представить на основе пространственного распределения потенциала между катодом и анодом и зависимостей вероятностей ионизации Wi и возбуждения Wв атомов газа от энергии электронов (рис.3). Медленные электроны, покидающие катод в результате вторичной эмиссии ( - процессов), попадают в ускоряющее электрическое поле, обусловленное прикатодным падением потенциала Dк. Однако, вблизи катода энергия вторичных электронов недостаточна для возбуждения и ионизации атомов газа. Столкновения электронов с атомами в этой области являются упругими. Поэтому в области Астонова темного пространства свечение отсутствует. На некотором расстоянии от катода энергия электронов вследствие ускорения в электрическом поле возрастает настолько, что становятся возможными неупругие столкновения с возбуждением атомов. Излучение возбужденных атомов является причиной возникновения I-го катодного свечения (катодной светящейся пленки). Вследствие изменения энергии электронов по мере удаления от катода возбуждаются все более высокие возбужденные состояния атомов газа. Поэтому закономерно изменяется спектр излучения. Первыми возбуждаются резонансные уровни, поэтому со стороны катода превалируют резонансные линии свечения, а затем усиливаются более высокоэнергетические переходы.

24

Рисунок 8. Распределение потенциала U, напряжённости электрического поля E, плотности суммарного пространственного заряда, яркости свечения J, плотности тока электронов и полного тока j по длине тлеющего разряда

Дальнейшее продвижение электронов по направлению к аноду сопровождается увеличением энергии и уменьшению вероятности возбуждения, что приводит к уменьшению интенсивности свечения и образованию Круксова темного пространства. Слабое свечение в области Круксова темного пространства определяется с одной стороны излучением возбужденных атомов, с другой - излучением, возникающим при рекомбинации низкоэнергетических электронов, возникающих вследствие неупругих столкновений с возбуждением атомов с ионами.

25

Рисунок 9. Функции возбуждения и ионизации атомов

По мере ускоренного движения в области Круксова пространства электроны, не потерявшие энергию на неупругие столкновения, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов газа. Таким образом к концу Круксова пространства происходит образование и развитие электронных лавин. Слабое свечение в этой области обусловлено излучением возбужденных атомов, и излучением, возникающим при рекомбинации электронов и ионов. Вследствие этого спектр излучения состоит из линейчатого спектра и наложенного на него сплошного рекомбинационного фона.

Наибольшее количество электронов и ионов генерируется на границе Круксова темного пространства и области отрицательного тлеющего свечения. Значительная степень ионизации, и, следовательно, высокая электропроводность газа в этой области, определяет почти горизонтальный ход кривой распределения потенциала. В этих условиях преобладающим видом движения электронов и ионов является хаотическое движение с наложенным на него двуполярной диффузией во все стороны как к ограничивающим стенкам, так и в направлении к аноду. Наличие этих процессов приводит к появлению слабого спада потенциала в области тлеющего свечения и части Фарадеева темного пространства. Интенсивная потеря энергии электронами на ионизацию и возбуждение атомов в области тлеющего свечения приводит к уменьшению средней энергии электронов, т.е. к спаду электронной температуры. В связи с этим уменьшается

26

эффективность неупругих процессов возбуждения и ионизации, что приводит к уменьшению интенсивности излучения в области Фарадеева темного пространства.

Параллельно спаду энергии электронов идет и спад концентрации электронов и ионов из-за ухода и рекомбинации их на ограничивающих стенках трубки. Уменьшение электропроводности газа приводит к появлению перепада потенциала в конце Фарадеева темного пространства. Это электрическое поле приводит к ускорению электронов, обеспечивая эффективность ионизации, обеспечивающую компенсацию потерь заряженных частиц и поддержания определенной степени ионизации газа. В узких трубках, где идет интенсивный уход электронов и ионов на стенки трубки, устанавливается и больший градиент потенциала в положительном столбе разряда, обеспечивающий более высокую температуру электронов. Увеличение температуры приводит не только к увеличению частоты ионизации, но и возбуждения, что приводит к увеличению интенсивности свечения положительного столба. Теория положительного столба среднего давления дает следующее соотношение для величины продольного градиента

потенциала: = 2.4 1 2, (1)

где: R- радиус разрядной трубки; Ui - потенциал ионизации атомов; Da , Ke - коэффициент двуполярной диффузии и подвижность электронов при данном давлении газа; hi - доля энергии электронов, расходуемая на ионизацию атомов газа. Данное соотношение показывает, что напряженность поля в столбе обратно пропорциональна радиусу трубки. Уменьшение градиента потенциала сопровождается уменьшением средней энергии электронов в столбе и, как следствие, уменьшением интенсивности излучения. Соотношение (1) получено в предположении одноступенчатого процесса ионизации атомов при столкновении с электронами. Однако, при увеличении разрядного тока увеличивается концентрация электронов и частота

27

неупругих столкновений. Это приводит к тому, что атомы могут ионизоваться в результате столкновения электрона с возбужденным атомом (например, находящемся в метастабильном состоянии и имеющем большое время жизни). Поэтому потери энергии при ступенчатом механизме ионизации могут быть меньше, чем энергия ионизации. Если уменьшать расстояние между катодом и анодом (например, с помощью подвижного анода), то наблюдается уменьшение длины положительного столба, а катодные части разряда остаются неизменными. Это обстоятельство используется для измерения градиента потенциала в положительном столбе путем измерения изменения падения напряжения на разрядном промежутке при изменении длины столба.

1.2.Процессы в прикатодной области разряда.

Воснове построения количественной теории катодной области тлеющего разряда рассматривается уравнение Пуассона, в котором учитывается как

Выражая плотность объемного заряда через плотность тока и скорость направленного движения электронов и ионов, а последние через

28

Рисунок 10. Распределение напряжённости электрического поля в катодной области тлеющего разряда

Эмиссия электронов из катода происходит вследствие вторичных процессов. Выражение (3) можно преобразовать к виду:

Используя условие стационарности разряда в катодной области

0 − 1 = 1, (5)

и зависимость коэффициента объемной ионизации от напряженности

электрического поля и давления газа

= 1exp [ − 2( ) ], (6)

рассчитывают зависимость величины катодного падения потенциала от величины плотности тока на катоде (рис.11). Анализ зависимости позволяет сделать следующие выводы. Для тлеющего разряда характерно наличие некоторой оптимальной плотности тока на катоде, зависящей от рода газа, материала катода и пропорциональной квадрату давления газа, при которой падение потенциала наименьшее. Эта плотность тока называется нормальной плотностью тока, а соответствующее ей катодное падение потенциала - нормальным катодным падением.

29

Рисунок 11. Теоретическая зависимость падения потенциала U от плотности тока на катоде j

Нормальная плотность тока для разряда в коротких трубках определяет участок ВАХ, соответствующей постоянному катодному падению потенциала. Уменьшение разрядного тока сопровождается уменьшением плотности только до тех пор, пока весь катод остается покрытым пленкой тлеющего свечения. При дальнейшем уменьшении разрядного тока происходит уменьшение размера катодной пленки при неизменной плотности тока и катодного падения потенциала.

Техническое описание

Выполнение лабораторной работы производится на установке, блоксхема которой представлена на рис.12. Электрическая схема установки показана на рис.13. В состав установки входят монохроматор УМ-2 с устройством автоматической развертки спектра, ртутно-кварцевая лампа ДРШ-250 с блоком питания, блок питания газоразрядной трубки (ГРТ), каретка с механизмом передвижения трубки и блоком питания, блок приемника излучения с регистрацией выходного сигнала с помощью вольтметра ВУ-15 или автоматической записью выходного сигнала на ЛКС4003.

30