11.1. Несамостоятельный и самостоятельный разряды и их характеристики

Разряд и ток в газах можно рассмотреть на примере простейшей газоразрядной трубки (рис. 11.1). Газоразрядная трубка представляет собой стеклянный баллон с впаянными электродами: анодом и катодом. Объем баллона заполняется газом. Внешний ионизатор в объеме газа генерирует положительные и отрицательные ионы газа, которые под действием электрического поля дрейфуют: положительные ионы к катоду, отрицательные – к аноду. Возникший в объеме газа электрический ток называется несамостоятельным электрическим разрядом, так как для его поддержания необходим внешний ионизатор. Результирующий ток рассматриваемого газового разряда состоит из двух компонент: тока положительных и отрицательных ионов. Если предположить, что заряды положительных и отрицательных ионов по абсолютной величине одинаковы (e⁺ = e^- = e) и имеют одинаковую и однородную по всему объему газоразрядной трубки концентрацию (n⁺ = n^- = n), то суммарную плотность тока можно записать следующим образом:

(11.6)

где ⁺,  ^- - подвижность соответственно положительных и отрицательных ионов,

–напряженность электрического поля.

Уравнение баланса по сравнению с 11.1 в этом случае должно содержать компоненту, описывающую убыль ионов через электроды

В уравнении S – площадь электродов, l – длина газоразрядной трубки. S j/e – слагаемое, равное числу пар ионов, уносимых ежесекундно через электроды.

После сокращения

(11.7)

Для стационарных токов dn/dt = 0

(11.8)

Рассмотрим решение уравнения 11.7 в двух предельных случаях.

Во-первых, предположим, что плотность тока настолько мала, что членом j/e l можно пренебречь по сравнению с n².

Тогда и формула 11.6 дает

т.е. плотность тока пропорциональна электрическому полю . Таким образом, в слабых электрических полях выполняется закон Ома.

Во-вторых, предположим, что концентрация ионов n мала и приложено напряжение, создающее сильное электрическое поле . В этом случае можно пренебречь рекомбинацией, так как все ионы, производимые ионизатором, уходят на электроды. Ежесекундно на электрод поступает заряд S l q e. Это и есть сила тока, текущего через газ. Величина I_S = S l q e называется током насыщения, а величина j_S = q l e - плотностью тока насыщения. В этом приближении ток не зависит от приложенного напряжения.

При промежуточных значениях напряженности электрического поля зависимость тока от напряжения приобретает сложный характер. Плотность тока связана с напряженностью поля нелинейно, т.е. закон Ома не выполняется. На рис. 11.2 представлена зависимость тока от приложенного напряжения между электродами. Полагая ионизатор неизменным (q = const), в области I зависимости наблюдается нелинейное возрастание тока, в области II ток достигает насыщения, в области III наблюдается сначала медленное, а затем резкое возрастание тока. Это связано с появлением внутренней (ударной) ионизации. Если в области зависимости III убрать внешний источник ионов, то разряд не прекращается. Из несамостоятельного разряд переходит в самостоятельный, когда образование новых ионов происходит в результате внутренних процессов в самом газе.

Внутренняя ионизация возникает при столкновении ионов и электронов с нейтральными атомами и молекулами. Под влиянием внешнего ионизатора или вследствие какой-либо другой причины у катода возникает свободный электрон. Ускоренный электрическим полем, электрон ионизирует атом при столкновении с ним. Вместо одного электрона становятся два. После ускорения в электрическом поле они ионизируют два атома, а число электронов увеличивается до четырех и т.д. В результате по мере продвижения к аноду число электронов будет лавинообразно нарастать. Этот процесс называется электронной лавиной. Каждая ионизация сопровождается не только освобождением нового электрона, но и появлением положительного иона, а ионы также могут ионизировать газ.

Для количественной оценки ионизирующей способности электронов и ионов Д. Таунсенд (1868-1957) ввел два коэффициента ионизации -  и . Первый из них определяется как среднее число ионов одного знака, производимое электроном на единице длины своего пути. Такой же смысл имеет коэффициент , характеризующий ионизирующую способность положительных ионов. Коэффициент ионизации электронами  значительно превосходит коэффициент ионизации положительными ионами . Главную роль играет ионизация ударами электронов, по сравнению с которой ионизацией положительными ионами во многих случаях можно пренебречь. В соответствии с теорией Таунсенда разряд становится самостоятельным при выполнении условия

(11.9)

где  – среднее число электронов, вырываемых из катода одним положительным ионом (вторичная эмиссия).