Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

Глава 5. Самостоятельные разряды в газах

Есть несколько видов самостоятельных разрядов. Возникновение того или иного разряда зависит от ряда факторов, в том числе от предыстории зажигания самостоятельного разряда. Но основным фактором являются давление в разрядном промежутке и плотность тока. Разграничение видов разряда показано на рис. 5.1.

Тлеющий разряд непосредственно переходит из таунсендовского тихого разряда путем увеличения плотности тока. Однако в тлеющем разряде имеется несколько областей разряда, в которых происходят специфические процессы (рис. 5.2) [5]. Основные области разряда получили следующие названия: область 1 – темное астоново пространство, область 2 – первое катодное свечение, область 3 – темное катодное пространство (круксово пространство), область 4 – отрицательное тлеющее свечение, область 5 – фарадеево темное пространство, область 6 – положительный столб разряда, область 7 – темное анодное пространство и анодная светящаяся пленка.

Рассмотрим кратко основные процессы, происходящие в различных областях разряда.

На длине пути, равного ширине темного астонова пространства, электроны, вышедшие с катода, набирают энергию, необходимую для возбуждения газовых молекул. Темное астоново пространство может стать светящимся при возбуждении газовых молекул быстрыми электронами за счет падения напряжения в темном астоновом пространстве.

72

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

Рd , соответствующим минимуму пробивного напряжения. Наличие положительных ионов и электронов в темном катодном пространстве и их роль в поддержании газового разряда хорошо показывается методом теней. Если в область темного катодного пространства поместить экран (например, из слюды), то образуются тени в обе стороны от экрана. Появление тени в сторону катода связано с тем, что экран по своей площади не пропускает положительные ионы к катоду, и следовательно, не выбиваются электроны из катода, которые могли бы вызвать первое катодное свечение. Появление тени в сторону анода связано с задержкой экраном электронов. Если на разряд наложить магнитное поперечное поле, то положение тени на катоде не меняется, так как магнитное поле почти не изменяет движение ионов, но тень загибается в соответствии с изменением траектории электронов.

Положительные ионы, бомбардирующие катод, вызывают как вырывание электронов, так и распыление материала катода, который в виде тонкой пленки оседает на частях газоразрядной колбы. Распыление катода происходит тем интенсивнее, чем больше масса положительного иона. Явления катодного распыления используются для получения тонких металлических (газ-аргон) или диэлектрических (газкислород) пленок.

73

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

Наличие отрицательного тлеющего свечения связано с возбуждением газовых молекул быстрыми электронами, выходящими из области темного катодного пространства. Ширина отрицательного тлеющего свечения определяется длиной пробега быстрых электронов и уменьшается с повышением давления газов и увеличением катодного падения потенциала. Наличие отрицательного градиента напряжения связано с тем, что электроны, потерявшие свою энергию при возбуждении газовых молекул, прилипают к электроотрицательным молекулам, образуя отрицательный объемный заряд. Интересным является наличие ореолов-слоев, окружающих основное тлеющее свечение. Особенно четко проявляются ореолы в смеси газов.

В пределах темного фарадеева пространства происходит ускорение свободных электронов. Положительный столб заполняет почти всю остальную часть газоразрядного пространства. Положительный столб не играет существенной роли в поддержании разряда, что хорошо демонстрируется опытами с передвижением электродов. Изменение межэлектродного расстояния происходит за счет изменения длины положительного столба. Размеры других областей разряда почти не изменяются. Положительный столб поддерживает электрический ток разряда. Падение напряжения в положительном столбе зависит от его длины, давления и природы газа и особенно от диаметра газоразрядной трубки. При большом диаметре трубки убыль ионов в поперечном направлении мала, практически не требуется их пополнения за счет ударной ионизации, и поэтому градиенты в положительном столбе малы, а свечение его незначительно. В узких газоразрядных трубках (порядка 1 см) имеет место амбиполярная диффузия. При этом положительные ионы и электроны интенсивно оседают на стенках разрядной трубки и рекомбинируют, что обусловливает свечение. Интенсивное свечение положительного столба используется, например, в лампах дневного света, а в последнее время положительный столб интенсивно изучается в связи с разработкой мощных СО2-лазеров. Убыль заряженных частиц должна быть пополнена, чтобы проводить разрядный ток. Пополнение происходит за счет ударной ионизации, и при этом падение напряжения в положительном столбе возрастает. Свечение положительного столба может быть слоистым, состоящим из отдельных страт, когда чередуются темные и светящиеся слои (рис. 5.3) [6].

Наличие темных слоев связано с ускорением электронов, а светящихся – с возбуждением газовых молекул. Страты чаще бывают подвижными. При давлении 10-1÷10 мм рт.ст. страты движутся со скоростями примерно 100 м/с от анода к катоду. Невооруженным глазом подвижные страты невидимы. В некоторых случаях, например при большом катодном падении потенциала, наблюдаются неподвижные

74

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

страты, что позволило их обнаружить. На положительном столбе происходит падение потенциала.

При отсутствии страт это падение потенциала происходит примерно с одинаковым градиентом. В случае стратифицированного разряда падение потенциала представляет прерывистую линию, состоящую из резких бросков потенциала (темная часть страты) и слабого изменения потенциала (светящаяся часть страты). Считается, что в последнем случае требуется меньшее падание потенциала.

За положительным столбом следует темное анодное пространство. Эта область заполнена электронами, выходящими из положительного столба.

При большой поверхности анода плотность электронного тока невелика (≈102 А/см2). При этом анод не разогревается. При малой поверхности анода электронный ток захватывает и края анода. При этом на аноде появляются светящиеся пятна, плотность тока в которых достигает 104÷105 А/см2. Число пятен возрастает с увеличением тока и давления газа. Анодные пятна ярко светятся и из них вырываются струи расплавленного металла.

плотность тока и светимость газа. Это явление получило название контрактации разряда. Дальнейшее возрастание плотности тока соответствует переходу к дуговому разряду.

5.3. Дуговой разряд

Дуговой разряд характеризуется малым катодным падением потенциала и высокой электропроводностью канала разряда. Можно на-

75

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

блюдать переход тлеющего разряда в дуговой при увеличении плотности тока. Соответствующая вольт-амперная характеристика приведена на рис. 5.4.

Участок АВ на рис. 5.4 соответствует таунсендовскому разряду, когда γ (ed −1)>1. Участок ВС характеризует переходную область ме-

жду таунсендовским и тлеющим разрядами. Участок кривой СDЕF соответствует тлеющему разряду. Дальнейший участок вольт-амперной характеристики соответствует дуговому разряду.

Участок СD соответствует так называемому нормальному тлеющему разряду, когда плотность тока в разряде и градиент в катодном падении не зависят от разрядного тока. Увеличение разрядного тока в этом случае может быть получено за счет увеличения площади поперечного сечения канала разряда. С увеличением разрядного тока катодное падение потенциала не изменяется, а падение напряжения в по-

ложительном столбе уменьшается за счет увеличения электропроводности. Участок DЕF соответствует так называемому аномальному тлеющему разряду, когда увеличение разрядного тока достигается за счет увеличения плотности тока. При этом возрастает катодное падение потенциала, и этим объясняется возрастающая вольт-амперная характеристика.

Дальнейшее возрастание разрядного тока вызывает разогрев катода и образование катодного пятна, где и имеет место термоэмиссия электронов. При этом отпадает необходимость в большом катодном падении потенциала. Большой разрядный ток разогревает газ, и возникает термическая ионизация, которая быстро усиливается с ростом тока.

Проводимость дугового канала разряда быстро растет с ростом тока, а падение напряжения уменьшается. Вольтамперная характери-

стика описывается уравнением U = CI α , где α = 0.5 ÷0.25 . При стационарном разряде имеется равенство выделяющейся в канале разряда энергии и энергии, отводимой за счет охлаждения. Поэтому конкретная вольт-амперная характеристика дуги зависит не только от материала

76

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

катода и природы газа, но и от условий охлаждения электродов и канала дуги.

Различают короткую и длинную дуги. В случае длинной дуги (длиной 0.5 м и более) устойчивость дуги определяется процессами в канале дуги [3].

Рассмотрим разновидности короткой дуги.

а) Дуга с термоэмиссионным катодом. Температура на катоде 3000 К. Применяются тугоплавкие металлы. Наиболее широко применяется вольфрам.

б) Дуга с внешним накалом катода. Применяется катод из активированного металла.

в) Дуга с катодными пятнами и с холодным катодом.

Плотность тока в пятне очень велика (104÷107 А/мм2). При этом пятно разрушается. Когда все пятна выгорят остается сравнительно ровный, холодный катод. Катодное падение потенциала около 10 В на

расстояние 10−6 см. Имеет место термоавтоэлектронная эмиссия. В качестве катода используется медь, ртуть.

г) Вакуумная дуга. Материал катода испаряется и дуга горит в парах металла.

д) Дуга сверхвысокого давления (10 атм и более). При этом в столбе разряда выделяется 80÷90 % джоулева тепла. Используется в лампах сверхвысокого давления (ксеноновые, ртутные лампы). Эти лампы обладают высоким КПД превращения тепловой энергии в световую.

е) Дуга с поперечным магнитным полем, что используется в подстанционных разрядниках для защиты от перенапряжений трансформаторов. Электроды в виде двух колец, между которыми горит дуга. Поперечное магнитное поле заставляет дуговой разряд перемещаться по окружности. При этом канал дуги все время соприкасается с новыми холодными частями катода. Магнитное поле должно быть достаточно сильным, чтобы за полупериод воздействующего переменного напряжения дуга погасла, иначе произойдет разрушение изоляции трансформатора. Погасание дуги зависит от интенсивности деионизационных процессов (рекомбинации, диффузии). Вводится понятие критической длины дуги

lкр = 0.082 U Ia ,

где Ia =U / R , а R – сопротивление в цепи разряда.

Если l > lкр, то дуга гаснет. Для гашения дуги обычно устанавли-

ваются трубчатые разрядники из винипласта, который при нагревании током дуги выделяет большое количества газа. Давление газа внутри разрядника резко возрастает и газ вместе с плазмой газового разряда

77