Электрический разряд в газонаполненных элементах электронной цепи. Учебное пособие

1.3. Статистические явления в разрядах

При прекращении разряда возникшие заряженные частицы должны исчезнуть. Это явление носит название деионизации газа. Исчезновение зарядов происходит вследствие ряда причин:

−противоположно заряженные частицы могут сблизиться в газе и рекомбинировать, т.е. обменяться зарядами, если они будут иметь для этого достаточно времени;

−заряженные частиц могут продиффундировать к стенкам и там рекомбинировать;

−электроны могут рекомбинировать с положительными ионами непосредственно или предварительно присоединившись к какому-либо электроотрицательному атому и образовав отрицательный ион.

Во всех случаях рекомбинации зарядов выделяется энергия, так как при сближении противоположно заряженных частиц они совершают работу.

Если эту выделяющуюся энергию не отвести как-либо от рекомбинирующих частиц, то частицы снова должны распасться ввиду наличия у них достаточной для этого энергии. Отнять у рекомбинирующих частиц избыток энергии можно путем отдачи ее какому-либо третьему объекту: стенке разрядника, атому, молекуле или электрону в разряде или фотону, испускаемому атомом, образующимся в момент рекомбинации иона и электрона.

Рекомбинация заряженных частиц в газе описывается уравнением общего вида, в котором скорость исчезновения частиц считается пропорциональной концентрации как положительных, так и отрицательных частиц, так как чем больше тех и других, тем чаще их встречи между собой:

Знак минус здесь характеризует убыль частиц со временем, а коэффициент зависит от частных особенностей рекомбинирующих зарядов. Если рекомбинируют положительные и отрицательные ионы, то величина имеет порядок 10–6 см3/с. В случае рекомбинации электронов с положительными ионами, из-за большой скорости движения легких электро-

оказывается много меньшим – порядка 10–10÷10–12 см3/с.

В результате рекомбинации частиц в объёме, а особенно вследствие диффузии заряженных частиц к стенкам, где рекомбинация их происходит практически беспрепятственно, спад во времени концентрации зарядов в газе

31

1. Электрический разряд в газах

(его деионизация) происходит быстро и следует, как показали эксперименты и теоретические исследования, экспоненциальной зависимости вида

где – постоянная времени деионизации, равная по порядку величины

10–4÷10–5 с.

1.4. Классификация электрических разрядов в газах

Электрические разряды делятся на два типа.

1.Самостоятельные, т.е. существующие только под действием приложенной к электродам разности потенциалов и не требующие введения заряженных частиц для своего поддержания (например, посредством нагрева катода, его освещения светом, ионизации газа в объёме рентгеновскими лучами и т.п.).

2.Несамостоятельные, для поддержания которых, кроме разности потенциалов на электродах, требуется еще непрерывно вводить в разряд заряженные частицы (накаливать или освещать катод, ионизировать газ в объеме от внешнего источника и т.п.). Разряды, в которых ионизация газа производилась бы только под воздействием внешних источников (без развития ионизации в объёме газа за счет разности потенциалов на электродах), хотя и существует в природе, но в радиотехнических электровакуумных приборах практического значения не имеют.

1.4.1. Модель тихого (темного) разряда

Первоначально рассмотрим тихий или темный разряд, получивший свое название потому, что никаких оптических или акустических явлений

вгазе, где этот разряд имеет место, не наблюдается. Он реализуется только при малых плотностях тока в разряде, при которых объемные заряды ионов и электронов практически отсутствуют, а электрическое поле

вразряднике определяется в основном потенциалами, формой и расположением электродов.

Пусть из катода (рис. 10) за некоторый промежуток t времени вылетело Nэк электронов, некоторая доля которых n0 создана на катоде светом

32

1.4. Классификация электрических разрядов в газах

(или другим внешним фактором), а часть в числе γ·N+к обусловлена образовавшимися положительными ионами и фотонами в разряде. Здесь γ число электронов, вырываемых из катода ударом об него одного иона (считая эффективность иона несколько увеличенной за счет действия также и фотонов из разряда).

Рис. 10. Графическая модель процесса ионизации газа ударом

Отметим, что графическая модель (см. рис. 10) иллюстрирует ионизацию в газонаполненном элементе с плоскими параллельными электродами достаточно большой протяженности, чтобы не сказывался краевой эффект и при отсутствии объемного заряда.

В межэлектродной области число электронов по мере их продвижения от катода к аноду увеличивается за счет ионизации газа ударами электронов, каждый из которых создает на 1 см пути α новых электронов. Поток

электронов n x , в секунду проходящих через участок пространства площадью 1 см2 и толщиной dx, находящийся на расстоянии x от катода, со-

здает в этом объеме n x dx новых электронов. Таким образом, прирост потока электронов на этом пути будет равен

или, умножая правую и левую части уравнения (33) на заряд электрона е и

33

1. Электрический разряд в газах

Из уравнения (34) находим

Если напряженность электрического поля между электродами постоянна, то согласно уравнению (30), значение α фиксировано, и уравнение (35) принимает вид

где j – полная плотность тока, создаваемая как ионами, так и электронами. Кроме этого, примем во внимание, что на аноде (x = d) jэА = j, так как из анода положительные ионы не выходят и весь ток около него создается только электронами. При такой модели разряда имеем

34

Равенство (45) справедливо при условии напряженности E = const; если же электрическое поле в разряднике непостоянно, то вместо α·d в эту

Соотношение (45) показывает, что полный ток в разряднике при темном разряде пропорционален току j0, созданному действием внешнего фактора, а потому является несамостоятельным током. На рис. 11 показана зависимость тока j от разности потенциалов U между параллельными

значений тока, созданного внешними воздействиями на катод (j01>j02 >j03). Видно, что чем больше ток j0, тем больше, при прочих равных условиях, и полный ток j. С увеличением потенциала U ток j асимптотически

приближается к бесконечно большой величине Uз. Если полный ток j стремится к бесконечности при любых сколь угодно малых j0, то в пределе, при j0→0 и U→Uз, j становится независимым от значений j0, т.е. разряд становится самостоятельным.

U

Uз j03 j02

j01

j

Рис. 11. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) темного разряда

Таким образом, самостоятельный разряд характеризуется предельной прямой U=Uз. Ток j электронной цепи становится неопределенным, так

35

1. Электрический разряд в газах

как он зависит уже не от условий в межэлектродной области, а от начальных и граничных условий во внешнем её участке. Однако конечная величина тока j при значениях j0→0, может быть достигнута только при условии одновременного уменьшения до нуля знаменателя равенства (45). Следовательно, критерием самостоятельности для разряда является уравнение

В то же время условие (46) самостоятельности разряда справедливо лишь при предположениях, которые были положены в основу вывода формулы (45) – малый ток без объемных зарядов и равномерное электрическое поле. Если вспомнить, что в начальной стадии разряда ток в нем всегда мал, то можно утверждать, что формула (46) пригодна для описания возникновения условий самостоятельности разряда в момент зажигания разряда. Поэтому условие (46) иногда называют также условием зажигания разряда.

Поскольку коэффициент α определяется величиной E, и, следова-

возникает самостоятельный разряд в разряднике. Для определения напряжения зажигания разряда запишем уравнение (46) так:

После чего из уравнения (49) находим аналитическое выражение для напряжения зажигания разряда

36

1.4. Классификация электрических разрядов в газах

График на рис. 12 демонстрирует, что при определенном значении p·d потенциал зажигания Uз становится минимальным, равным

Из формулы (51) следует, что величина Uзм определяется только свойствами газа и электродов (от них зависят коэффициенты А, В и γ).

Uз

Uм p·d

Рис. 12. Зависимость напряжения Uз зажигания разряда от произведения величин p·d двухэлектродного газонаполненного элемента

Втабл. 6 приведены значения минимальных потенциалов зажигания

исоответствующих им произведений p·d для некоторых газов и электродов. Из этой таблицы видно, что чем меньше работа выхода (больше γ) и чем лучшие условия созданы в газе для ионизации (больше А и меньше В, например, за счет использования энергии метастабильных атомов Ne для ионизации примешанных в малом числе атомов Ar), тем ниже потенциал зажигания разряда.

Таблица 6

Значения минимальных потенциалов зажигания и соответствующих им произведений p·d

для некоторых газов и электродов

37

1. Электрический разряд в газах

Для несамостоятельного разряда иногда вводят еще понятие коэффициента «усиления» тока разрядом. Из формулы (45) видно, что ток j0, вызванный действием внешних причин, ионизацией газа увеличивается в

раз. Этот параметр и носит название коэффициента «усиления» тока. Он может быть очень большим – можно даже заставить его стремиться к бесконечности, если U→Uз. Однако в практике газонаполненных фотоэлементов, где как раз и используется увеличение силы фототока разрядом в газе, коэффициент k ограничивают величиной порядка 5÷20, так как дальше он начинает расти очень быстро. При этом разряд становится неустойчивым и может перейти в самостоятельный, уже не зависящий от j0, а значит, и от падающего светового потока.

1.4.2. Элементарные процессы в тлеющем разряде

Помимо темного разряда, практическое значение имеет тлеющий разряд, названный так потому, что в нем имеется видимое свечение, напоминающее тление угля. Свечение в этом разряде распределяется характерным образом в виде определенных областей, разделенных темными участками, зависящим от расположения в этом разряде объёмных зарядов вдоль газонаполненного элемента.

Тлеющий разряд наблюдается при плотностях тока в электронной цепи значительно больших, чем при темном разряде, в пределах примерно 10–5 А/см2 < j < 1А/см2. Поэтому в тлеющем разряде образуются значительные избыточные заряды, главным образом положительных ионов, из-за их

38

1.4. Классификация электрических разрядов в газах

малой подвижности. Так как положительные ионы движутся к катоду, а число электронов у катода наименьшее, то положительный объёмный заряд имеет наибольшую плотность у катода, где и образуется характерная для тлеющего разряда катодная часть разряда (рис. 13).

Рис. 13. Графическое изображение структуры тлеющего разряда

На рис. 13 буквами обозначены: а – прикатодная темная область; б – отрицательная темная область; в – фарадеево темное пространство; г – прикатодное (первое катодное) свечение; д – отрицательное тлеющее свечение; е – положительный столб разряда; ж – анодное свечение и з – анодное темное пространство. В катодной части разряда, которая заканчивается в середине фарадеева темного пространства, происходят в основном те же самые процессы, что и в темном разряде. Однако объёмные заряды здесь искажают электрическое поле, и оно вблизи катода непостоянно.

Лавинный процесс в катодных частях развивается обычно в виде самостоятельного разряда (j0 = 0). Электроны, выбитые ионами из катода, удаляясь от него, постепенно увеличивают скорость и начинают возбуждать атомы газа в результате чего появляется прикатодное свечение. Затем их скорость становится столь большой, что вероятность возбуждения падает (см. рис. 5), и начинается интенсивная ионизация газа (отрицательная темная область). Наконец, вследствие ослабления поля и уменьшения скорости электронов ионизация ослабляется и снова начинается возбуждение атомов газа (отрицательное тлеющее свечение). Когда электроны практически совсем истратят свою энергию и перестают ионизировать и возбуждать газ, создается фарадеево темное пространство.

Катодная часть разряда может иметь несколько характерных разновидностей. В частности, при достаточно высоком давлении газа, больших размерах катода и при небольших токах имеет место нормальный тлеющий

39

1. Электрический разряд в газах

разряд, катодная часть которого занимает на катоде ограниченную область, покрывая лишь часть поверхности катода. При изменении тока, проходящего через двухэлектродный прибор, пропорционально ему регулируется и величина площади свечения на катоде. Следовательно, плотность тока в области свечения остается постоянной, имея характерную для газа и катода величину. Катодное падение потенциала (т.е. падение потенциала в разряде, приходящееся на катодную часть его) также остается при этом неизменным и характерным для газа и электродов. Поскольку явления в катодной части тлеющего разряда те же, что и в самостоятельном темном разряде, то естественно, что катодное падение потенциала по величине близко к потенциалу зажигания (потенциалу самостоятельного разряда). Теория дает величину нормального катодного падения потенциала [4, 17], равную

При увеличении тока до значений, при которых весь катод оказывается покрытым свечением, дальнейшее увеличение тока уже не может

40