Электрический разряд в газонаполненных элементах электронной цепи. Учебное пособие

1.4. Классификация электрических разрядов в газах

сопровождаться увеличением площади свечения. Поэтому начинают возрастать как плотность тока, так и катодное падение потенциала. Такой вид разряда называется аномальным тлеющим разрядом. Зависимость катодного падения потенциала от плотности тока в двухэлектродном приборе с газовым наполнением показана на рис. 14.

1 j / jн

1

Рис. 14. Участок вольт-амперной характеристики двухэлектродного газонаполненного элемента в режиме аномального тлеющего разряда

Кроме этих двух основных видов катодных частей, различают еще несколько разновидностей.

1.Затрудненный разряд – при расстоянии между катодом и анодом меньшим, чем длина катодных частей, при этом развитие лавинных процессов в разряде затрудняется, и для их поддержания требуется сильно увеличивать напряжение на разряднике.

2.Ограниченный разряд – заключенный между тесно расположенными изолирующими стенками, что увеличивает потери заряженных частиц

устенок вследствие двуполярной диффузии и вызывает необходимость в увеличении катодного падения потенциала для поддержания разряда.

3.Разряд в полом катоде, характеризующийся концентрацией катодных частей разряда в полости катода, так как при этом улучшается использование энергии электронов для ионизационных процессов.

Положительный столб тлеющего разряда играет роль проводника, соединяющего катодную часть разряда с анодом для замыкания тока в электронной цепи. Поэтому в положительном столбе существует некоторая напряженность поля, требуемая для ионизации газа, поддерживающей его электропроводимость.

41

1. Электрический разряд в газах

Положительный столб наблюдается в нескольких характерных вариантах.

1. Темный положительный столб с очень малой напряженностью поля, недостаточной даже для возбуждения атомов газа. Он наблюдается обычно в широких разрядниках, в которых потери заряженных частиц из разряда малы. В таком положительном столбе движение заряженных частиц происходит в основном по законам подвижности.

2. Однородный положительный столб, имеющий однородное свечение по всей длине и характеризующийся значительной ролью диффузии заряженных частиц к стенкам газонаполненного прибора. Так как происходящую при этом потерю заряженных частиц необходимо восстанавливать, чтобы сохранялась проводимость столба, то в нем устанавливается продольная (осевая) напряженность Ez электрического поля, тем большая, чем тоньше трубка, в которой происходит разряд и чем ниже давление газа. На рис. 15 показан общий вид зависимости Ez от r радиуса трубки. Для числовой характеристики падения напряжения Uz укажем, что в парах ртути при р =10–2 мм рт.ст. вдоль оси трубки радиусом r=1,6 см реализуется напряженность Ez ≈ 0,1 В/см.

Ez / p

p·r

Рис. 15. График зависимости осевой напряженности Ez электрического поля

вфункции давления p газа и радиуса r газоразрядной трубки

3.Слоистый положительный столб, имеющий узкие поперечные слои свечения, разделенные темными промежутками. Эти светящиеся слои появляются обычно в газах, загрязненных электроотрицательными частицами. В современной технической электронике и наноэлектронике слоистый столб практического применения не имеет.

42

1.4.Классификация электрических разрядов в газах

4.Отшнурованный положительный столб, имеющий вид тонкой ярко светящейся нити, расположенной либо вдоль оси столба, либо у стенок, причем в последнем случае он обычно перемещается в трубке. Отшнурованный столб на оси трубки создается обычно вследствие сильного нагревания газа в средней части трубки и понижения здесь плотности газа, что облегчает развитие разряда в средней части трубки. Отшнурованный столб около стенки положительный и образуется, как правило, при введении в трубку паров углеводородов (например, паров нафталина), обладающих легко ионизируемыми молекулами, конденсирующимися на наиболее холодных участках стенок.

5.Положительный столб с бегущими слоями, наблюдаемый только при помощи вращающегося зеркала или другого прибора для анализа быстро изменяющегося светового потока. Этот вид положительного столба также обычно не применяется на практике.

Так как для электронной техники наиболее интересны сплошной и темный положительные столбы, иногда также отшнурованный на оси столб, характеризующиеся постоянной вдоль них осевой напряженностью поля, то падение напряжения в таком столбе может быть вычислено как Uст = Ez·l, где l – длина положительного столба.

Ионизованное состояние газа в положительном столбе в широкой трубке обычно называют плазмой [4–17]. Специфику её свойств определяет малая напряженность электрического поля и почти полная компенсация объёмных зарядов обоих знаков (n+ = n–). Заряженные частицы движутся в плазме хаотически по законам "теплового" движения, т.е. так же, как молекулы газа, но соответственно температурам, характерным для частиц каждого рода. Например, для ионов температура примерно равна температуре газа, а электронная температура гораздо выше её, что следует из уравнения (19).

Вследствие большого различия в средних энергиях электронов и ионов у стенок и электродов образуются тонкие слои из избыточных объёмных зарядов, толщиной порядка 10–2÷10–3 см. В них создается электрическое поле такой напряженности E, чтобы:

1) отталкиванием электронов и притяжением ионов уравнять потоки зарядов на изолированные стенки;

43

1.Электрический разряд в газах

2)ограничить избыточный приток электронов к электродам величиной, нужной для поддержания тока в цепи.

Плазма как бы отделяет себя от стенок и электродов такими слоями, причем изолирующие стенки и катод всегда имеют отрицательный относительно плазмы потенциал, а анод – потенциал, также отрицательный относительно плазмы при малом токе газонаполненного элемента и положительный потенциал при большом токе через него. Любой, помещенный в плазму, электрод отделяется (экранируется) от неё своим объёмным зарядом, в изменения потенциала этого электрода только варьируют его толщину и падение потенциала в нем, но не влияют на поле в плазме, так как поле электрода в неё не проникает.

1.4.3.Элементарные процессы в дуговом разряде

Если ток в разряде увеличить так, чтобы плотность тока превысила 10 А/см2, то в разряде начинает выделяться столь значительная мощность, что нагревание газа и электродов (а также образование очень больших объёмных зарядов) снова существенно изменяют свойства разряда, который в этом случае называют дуговым.

Дуговой разряд имеет несколько форм:

1)термический дуговой разряд – разряд с самостоятельно накаливающимся катодом, испускающим электроны;

2)холодный дуговой разряд – разряд с холодным катодом, дающим автоэлектронную эмиссию вследствие накопления перед ним больших объёмных зарядов положительных ионов;

3)несамостоятельный дуговой разряд – разряд с искусственно накаленным катодом от внешнего источника напряжения.

В дуговом разряде, так же, как и в тлеющем разряде, можно различить катодную часть – область катодного падения потенциала, в которой наблюдаются уже не лавинные процессы (как в тлеющем разряде), а процессы сильной электронной эмиссии на катоде, значительно уменьшают катодное падение потенциала. Катодное падение потенциала в дугах обычно имеет величину порядка 10÷20 В, достаточную лишь для ионизации атомов газа – ударами электронов, которая пополняет прикатодную область необходимыми положительными ионами.

44

1.4. Классификация электрических разрядов в газах

Эти положительные ионы, бомбардируя катод, нагревают его до появления термоэлектронной эмиссии или создают плотный объёмный заряд, вызывающий связанным с ним сильным электрическим полем автоэлектронную эмиссию. Кроме того, они компенсируют объёмный заряд электронов у катода, который без них ограничивал бы ток катода [1, 2, 5, 17].

Компенсация объемного заряда электронов положительными ионами у катода позволяет пропустить значительные токи через разрядники с дуговым разрядом при малых анодных напряжениях, что невозможно при чисто электронном разряде.

Ua

Ia

Рис. 16. Вольт-амперная характеристика дугового разряда при высоком давлении газа

Ua

Ia

Рис. 17. Вольт-амперная характеристика дугового разряда при низком давлении газа

Положительный столб дуги может иметь либо очень высокую температуру (при высоких давлениях газа), либо он практически ничем не отличается от положительного столба в тлеющем разряде (при низких давлениях

45

1. Электрический разряд в газах

газа). На рис. 16 и 17 показаны типичные вольт-амперные характеристики дугового разряда при высоком и низком давлениях газа.

1.4.4. Анализ условий нестабильности газового разряда

Рассмотрим вопросы, связанные с стационарностью взаимодействия элементарных частиц в разряде.

Если газонаполненный элемент, вольт-амперная характеристика которого изображена на рис. 18, подключен к источнику питания Uб (рис.19), то постоянный ток Iа и падение напряжения Uа в электронной цепи при установившемся разряде удовлетворяют второму закону Кирхгофа

Решения равенства (54) будут справедливы лишь в точках 1, 2 и 3 на рис. 18, которые и определяют возможные стационарные величины тока Iа и напряжения Uа в разряде. Однако не всегда при этом бывает выполнено дополнительное условие устойчивости электрических процессов в нем. Можно доказать, что устойчивый режим электронной цепи реализуется лишь в точках 1 и 3, где вольт-амперная характеристика возрастает (точка 1) или её приращение менее резкое, чем спад нагрузочной прямой, зависящей от резистора R. Например, в точке 2, где производная напряже-

Рис. 18. Графическое определение устойчивых точек на нелинейной Iа = f(Uа) вольт-амперной характеристике газонаполненного элемента

Если сопротивление R сделать равным нулю, т.е. включить двухэлектродный элемент без резистора в электронную цепь, то точка 3 окажет-

46

1.4. Классификация электрических разрядов в газах

ся лежащей в бесконечности, что равнозначно короткому замыканию её нелинейной ветви и мгновенному разрушению двухэлектродный конструкции. Поэтому газонаполненные элементы с падающей вольт-амперной характеристикой, показанной на рис. 18, могут включаться лишь последовательно с сопротивлением R, в качестве которого может быть использована «полезная» нагрузка электронной цепи.

Ua

Рис. 19. Последовательная схема включения газонаполненного элемента, нагрузочного резистора R и источника Uб питания

Всякого рода изменения тока и напряжения на электродах газонаполненного элемента происходят очень быстро (если они не ограничены ёмкостями и сопротивлениями), так как время развития разряда определяется лишь временем перемещения электронов, ионов и перегруппировки объёмных зарядов.

Эти процессы происходят в сильных полях очень быстро, так что время установления разряда имеет порядок 10–7÷10–5 с (первая цифра относится к высоким давлениям газа, а вторая ближе соответствует низким давлениям).

Обратные процессы – прекращение разряда также происходят быстро, однако медленнее, чем возникновение разряда, так как при этом отсутствуют большие разности потенциалов между электродами, и перемещение элементарных частиц происходит только в результате процессов диффузии. Концентрация заряженных частиц падает со временем по закону, близкому к экспоненциальному:

47

1. Электрический разряд в газах

где n0 – начальная концентрация заряженных частиц; τ – постоянная времени деионизации, по порядку величины равная 10–5 ÷10–4 с.

Считают, что произошло восстановление газонаполненного элемента, если в результате деионизации концентрация заряженных частиц в нем упадет до величины, не влияющей на повторное развитие разряда, когда к нему вновь будет приложено напряжение, необходимое для возникновения разряда.

Среди нестационарных форм разряда большую роль играют высокочастотные разряды, происходящие при питании газонаполненных элементов переменным напряжением радиотехнических частот (106…109 рад/с). При высокой частоте за каждый полупериод переменного напряжения, тяжелые заряженные частицы (ионы), а при сверхвысокой частоте – электроны уже не успевают заметно сместиться из своего начального положения. Поэтому ионизация газа сильно затрудняется, а потенциал горения и зажигания начинает повышаться.

Uз

ω

Рис. 20. Частотная характеристика напряжения зажигания разряда

На рис. 20 показана примерная зависимость потенциала зажигания Uз от воздействия переменного электрического поля. Спад графика при частотах ω порядка 106…107 рад/с вызван тем, что в этой области имеет место своеобразный резонанс между частотой колебаний напряжения на электродах и средней частотой отражения электронов от атомов газа при столкновениях. В результате влияния этого фактора некоторые из них постепенно (и при выгодных условиях) накапливают электрическую энергию, необходимую для ионизации атомов газа.

48

1.5.Моделирование колебательного движения дискретного электрона и иона

1.5.Моделирование колебательного движения дискретного электрона и иона

На исходном этапе формализации циркуляции постоянного и переменного тока в газоразрядных приборах проанализируем воздействие электрического поля сверхвысокой частоты на элементарные заряженные частицы, образующие электронно-ионную плазму [11, 17]. Отметим, что аналогичный процесс наблюдается при передаче радиоволн в ионосфере и через плазменную оболочку у поверхности естественных и искусственных объектов, движущихся с большой скоростью, например, гиперзвуковых ракет, а также космических аппаратов при прохождении ими верхних слоев земной атмосферы.

Рассмотри случай, когда к электродам такого электровакуумного прибора [22, 23] приложен гармонический сигнал, идентифицируемый как электрическое E=Emsin(ω·t) воздействие, обусловленное возмущение электромагнитного поля потоком электронов в источниках колебательной энергии.

Первоначально считаем, что изучаемая область окружающего трехмерного пространства (рис. 21) заполнена однородной квазинейтральной плазмой. В ней наблюдается равенство концентраций элементарных зарядов, имеющих разные знаки. Однако соударение свободных электронов и ионов с нейтральными частицами (атомами и молекулами газа) не учитываем.

Тогда математическое выражение, детерминирующее движение точечного электрона без учета влияния магнитной составляющей электромагнитного поля, приобретает вид

Рис. 21. Электровакуумный прибор, заполненный электронно-ионной плазмой

Интегрируя дифференциальное уравнение второго порядка (56) два раза, находим

49

1. Электрический разряд в газах

В формулах (56)–(58) буквами υ0, e и m обозначены начальная скорость, заряд и масса электрона, находящегося в момент времени t0 в точке конденсаторного пространства с координатой x0.

Воспользовавшись выражением (57), можно получить значение наибольшей энергии, получаемой электроном в электромагнитном поле. Найдем величину скорости отрицательно заряженной частицы υэл.макс для микроволнового сигнала, при котором реализуется максимально благоприятная начальная фаза ωt0 воздействия. Абсолютное значение приобретаемой максимальной скорости заряженной частицы υэл.макс в области пробега равно

2eE

эл.м акс = m . (59)

m

Следовательно, формула, характеризующая наибольший уровень кинетической энергии электрона Wэл.макс, достигаемой под влиянием электрической компоненты СВЧ поля, имеет вид

Одновременно уравнение (58) устанавливает пределы перемещения электрона xэл.макс внутри плоского зазора (см. рис. 21). Для нахождения амплитуды xэл.макс смещения отрицательно заряженной элементарной микрочастицы в направлении, перпендикулярном электродам, не рассматриваем её дрейф между ними, обусловленный постоянным воздействием источника питания:

В случае колебательного движения иона буквенно-цифровые выражения для наибольшего значения кинетической энергии электрона и предельной амплитуды перемещения иона получаются аналогичным образом. При этом не учитываются его соударения с атомами и молекулами газа:

2e2 E 2

W = m , (62)

иона . макс 2 M

50