Лабы по плазменной электронике / ЛР4 о_О Расчет напряжения возникновения газового разряда кривые Пашена

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МВЭ

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника»

Тема: Расчёт напряжения возникновения газового разряда (кривые пашена)

Студенты гр.
Преподаватель		Марцынюков С.А.

Санкт-Петербург

202X

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.

Рис. 1. Обобщенная вольт-амперная 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 (Uв) является граничной, определяющей «несамостоятельный» разряд от «самостоятельного».

Расчетные 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 поля :

(3)

Таблица 1. Параметры материалов и газов, необходимые для расчёта

Газ
	13.2	245	100-600	0.022	0.23	0.031
	13.6	235		0.058	0.03	0.058
	5	130		0.061	0.02	0.053

Таблица 2. Варианты индивидуального задания

Студент	Газ	Металл

Обработка результатов эксперимента

1. Выведем зависимость

Подставим выражения (2) и (3) в условие самостоятельности. Полученное при этом уравнение (4)

. (4)

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

Графики зависимостей коэффициента объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа представлены на рис. 2-4.

Рис. 2. График зависимости коэффициента объемной ионизации неона ( )

Рис. 3. График зависимости коэффициента объемной ионизации водорода ( )

Рис. 4. График зависимости коэффициента объемной ионизации аргона ( )

3. Зависимости напряжения возникновения газового разряда от произведения при 3 материалах мишени (рис. 5-7).

Для неона (Ne):

Рис. 5. График зависимостей напряжения возникновения газового разряда неона

Для водорода ( :

Рис. 6. График зависимостей напряжения возникновения газового разряда водорода

Для аргона ( :

Рис. 7. График зависимостей напряжения возникновения газового разряда аргона

4. Зависимости для металла и 3 различных газов (рис. 8-10).

Для никеля (Ni):

Рис. 8. График зависимостей напряжения возникновения разряда для 3 различных газов и никелевой мишени

Для железа (Fe):

Рис. 9. График зависимостей напряжения возникновения разряда для 3 различных газов и железной мишени

Для платины (Pt):

Рис. 10. График зависимостей напряжения возникновения разряда для 3 различных газов и платиновой мишени

Выводы

В лабораторной работе мы исследовали возникновение газового разряда при разных материалах мишени, рассчитывали и строили кривые Пашена.

Мы получили графики теоретических зависимостей коэффициента объемной ионизации от напряженности поля для неона, водорода и аргона. Для проверки на графики были нанесены экспериментальные точки, которые оказались близкими по значениям.

Для построения расчетных зависимостей напряжения возникновения газового разряда мы вывели формулу U_в = f(pL) из условия самостоятельности и коэффициента объемной поляризации. Были построены расчетные зависимости для газа и трех материалов мишени (металлов), а также для материала и трех газов. На эти же графики мы нанесли экспериментальные точки. Отличие экспериментальных графиков от теоретических можно объяснить следующими факторами.

Во-первых, слева ветвь ограничена вакуумным пробоем и резко идет вверх, что проще показать на расчетном графике, чем на эксперименте.

Во-вторых, мы получили кривые Пашена для разных материалов мишени, в то время как экспериментальные зависимости могли быть получены для одного или усредненного материала.