Лекция 12

3.Установившийся ток в газе

3.1.Классификация разрядов

Классифицировать разряды можно по нескольким параметрам. Следуя [2], разделим разрядные явления на пробой (начальная нестационарная стадия разряда), неравновесную и равновесную плазмы (столбцы таблицы 8). Вторым существенным параметром является частота приложнного внешнего поля. Это связано с тем, что в плазме имеются процессы с очень разными характерными временами, поэтому величина отношения последних к периоду поля может существенно влиять на характеристики плазмы. Еще одним важным параметром является ток разряда, который определяется как характеристиками плазмы, так и параметрами внешней цепи, и определяет мощность энерговклада в плазму. Некоторое представление о разрядах в разных частотных диапазоне можно получить из таблицы 8. Мы уже рассмотрели явления пробоя в постоянном

Таблица 8: Классификация разрядов.

поле (левая верхняя клетка таблицы). Рассмотрим теперь установившиеся разряды в постоянном поле.

3.2. Разряд в постоянном поле

Поскольку при частоте приложенного поля до 100–1000 Гц характерные времена релаксации много меньше периода изменения поля, все процессы успевают приходить в соответствие с приложенным напряжением, и в каждый момент времени такой разряд можно рассматривать как в постоянном поле. Сначала опишем качественно вольт-амперную характеристику разряда в промежутке, связав ее с приложенным напряжением и величиной сопротивления внешней цепи, изображенной на рис. 77.

148

Рис. 77: Электрическая схема разряда постоянного тока.

Рис. 78: Вольт-амперная характеристика электрического разряда постоянного тока.

Начнем с того, что при некотором постоянном сопротивлении внешней цепи R будем поднимать напряжение на источнике. Поскольку в газе всегда имеются электроны и ионы, возникающие за счет ионизации космическим излучением и других процессов, по мере роста напряжения ток во внешней цепи будет расти за счет их дрейфа к электродам. Это показано на рис. 78 как фоновая ионизация (участок AB). При дальнейшем повышении напряжения поле в промежутке растет, и собирает все заряды на электроды, что обозначено как режим насыщения (участок BC). Очевидно, что если имеется внешний источник ионизирующий газ (или вызывающий эмиссию электронов с катода), то прямая BC сместится вправо. Режим насыщения используют в ионизационных камерах для измерения мощности источника ионизирующего излучения. Эти два режима несамостоятельного разряда характеризуются отсутствием газового усиления и малыми токами.

При дальнейшем увеличении напряжения источника газовое усиление растет и возникает усиление тока в промежутке (генерация лавин), хотя разряд по-прежнему остается несамостоятельным. Эта часть (участок CE) вольт-амперной характеристики также возрастающая. Газовое усиление растет с ростом напряжения на

149

промежутке. Чем слабее источник внешней ионизации, тем выше лежит точка C. Вблизи точки E поле в промежутке начинается искажаться пространственным зарядом, в следствие чего, как мы знаем разряд переходит в стримерный режим, приводящий к переходу в самостоятельный разряд (участок EF). Участок AE носит общее название“темныйразряд”, поскольку он почти не излучает. Практически все напряжение источника на этом участке приложено к разрядному промежутку. Нужно, правда, отметить, что если на каком-либо электроде имеется усиление поля (острие), то на участке DE может сформироваться коронный разряд, который также при дальнейшем росте напряжения переходит в самостоятельный.

По достижении усиления промежутка, равного единице, разряд становится самостоятельным и не требует для своего поддержания внешнего ионизатора. Ток в промежутке возрастает, сопротивление промежутка становится сравнимым в сопротивлением внешней цепи R, и напряжение на промежутке падает. Дальнейшее движение по оси тока можно осуществлять либо поднимая напряжение источника, либо уменьшая сопротивление резистора. В результате сначала возникает “нормальный тлеющий разряд” с почти постоянным напряжением в широком диапазоне токов (участок FG), а начиная с некоторого тока напряжение начинает возрастать. Эту ветвь V–A характеристики называют “аномальным тлеющим разрядом” (участок GH). В точке H напряжение снова падает, и возникает сначала нетермический дуговой разряд (участок IJ), а затем

— термический (участок JK). В связи с широкой распространенностью всех вышеупомянутых стационарных разрядов в науке и технологиях, мы подробно рассмотрим их в следующих разделах.

3.3. Темный разряд

На участке ABC вольт-амперной характеристики ток в цепи может возникнуть только при наличии

внешнего источника ионизации. Пусть имеется объемный источник ионизации интенсивностью νi [см−3с−1]. Вычислим токи в промежутке и внешней цепи. Прежде всего заметим, что хотя геометия разрядов обычно весьма далека от плоской (межэлектродное расстояние d много больше размеров электродов и диаметра разряда), тем не менее с хорошим приближением можно полагать, что вектор электрического поля направлен вдоль оси трубки даже если она изогнута произвольным образом. Это вызвано тем, что на начальной стадии разряда заряды оседают на стенках, распределяясь таким образом, что вектор электрического поля

150

Имеются две причины потери частиц из разряда,– рекомбинация и уход на электроды. В первом случае (приближение “слабого поля”) из (3.3.2) можно найти

где S – сечение разряда. В данном случае ток носителей не зависит от координаты. Напротив, в “сильном” поле рекомбинацией можно пренебречь, и токи носителей, как это следует из (3.3.5), линейно зависят от координаты трубки

Нетрудно понять, что приближения слабого и сильного поля соответствуют участкам AB и BC на вольтамперной характеристике.

При дальнейшем увеличении тока, в режиме таунсендовского разряда пространственный заряд растет. Плотность заряженных частиц, при которой пространственный заряд заведомо играет существенную роль, можно оценить из уравнения Пуассона dE/dz = 4πρ. Напряженность поля пространственного заряда есть

E 4πρd или U 4πρd2 = 4πneed2. Откуда, например, для десятисантиметрового промежутка, к

Из этой оценки видно, что пространственный заряд становится уже заметным при еще очень низкой плотности плазмы.

Как уже говорилось ранее, именно искажение пространственного заряда вызывает лавино-стримерный переход. Используя только что сделанную оценку, вычислим для ne 107 см−3 характерный ток, при котором это происходит. Для типичных значений дрейфовой скорости we 106 см/с получаем для трубки сечением 1 см2 ток

I = eneweS 107 · 1.6 · 10−19 · 106 ≈ 10−5А ,

151