МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра ЭПУ
отчет
по лабораторной работе №4
по дисциплине «Плазменная электроника»
Тема:
«РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
ГАЗОВОГО РАЗРЯДА (КРИВЫЕ ПАШЕНА)»
|
Студентка гр. 4209 |
|
Розкалий Ю. С. |
|
Преподаватель |
|
Марцынюков С.А. |
Санкт-Петербург
2016
Цель работы.
Расчет напряжения возникновения газового разряда при различных условиях.
Основные теоретические положения.
Разность
потенциалов между электродами, при
которой разряд из несамостоятельного
переходит в самостоятельный, называется
пробивным напряжением, или напряжением
возникновения газового разряда, и имеет
большое значение при разработке
плазменных приборов и устройств.
Физический смысл напряжения возникновения
(
)
иллюстрируется с помощью вольт-амперной
характеристики двухэлектродного
промежутка, показанной на рис. 1, где j
– плотность
тока, протекающего между электродами;
– приложенное
к ним напряжение.
Рис. 1. Обобщенная вольт-амперная характеристика.
Область I обусловлена током частиц, образовавшихся в промежутке за счет объемной ионизации и вторичной эмиссии электронов поверхностью катода под действием достаточно жестких квантов и быстрых ядерных частиц, связанных с естественным (космическим) или искусственным фоном облучения. Если каким-то образом оградить промежуток внешнего ионизирующего воздействия, то ток между электродами в области I практически прекратится. По этой причине протекание тока на участке I вольт-амперной характеристики (ВАХ) называется «несамостоятельным» разрядом.
Совершенно иначе обстоят дела на II участке вольт-амперной характеристики. Здесь очень существенна вторичная эмиссия электронов катодом под действием бомбардирующих его ионов. За счет образования ионов в объеме и выбивания ими вторичных электронов разряд перестает зависеть от внешних ионизирующих воздействий, он переходит в режим самоподдержания – становится «самостоятельным». Показанная на рис. 1 точка напряжения возникновения газового разряда (Uв) является граничной, определяющей «несамостоятельный» разряд от «самостоятельного».
Расчётные формулы.
Условие самостоятельности:
,
(1)
где
коэффициент вторичной эмиссии
ионно-электронного типа;
расстояние
между электродами;
коэффициент
объемной ионизации нейтральных атомов
или молекул газа электронами.
Коэффициент
объемной ионизации
:
,
(2)
где
напряженность электрического поля; р
– давление
газа (или пара) в промежутке; А
и В
– константы,
зависящие от рода газа.
Напряженность
поля
:
(3)
Напряжение
возникновения разряда
:
где
– давление;
– расстояние
между электродами.
Обработка результатов эксперимента.
1. Выведем зависимость Uв=f(pL).
Подставим выражения (2) и (3) в условие самостоятельности (1). Полученное при этом уравнение решается относительно Unp. Unp=f(эту зависимость pL) – получим:
,
В данной работе исследовался газ аргон, а материалом мишени был никель.
Данные для этих веществ
Для аргона: А=13.6 см-1*мм рт.ст.-1; В=235 В*см-1*мм рт.ст.-1; Для никеля: γ=0,058.
2. Зависимость
коэффициента объемной ионизации
нейтральных атомов или молекул газа
электронами от отношения Е/р имеет вид:
График зависимости коэффициента объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами от отношения Е/р представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость коэффициента объемной ионизации.
3. Зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв от произведения pL имеет вид:
График зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв от произведения pL, где р – давление газа, а L – расстояние между электродами, представлен на рисунке 4 для одного газа (аргона) и трех мишеней (железо, платина, никель) и на рисунке 3 для трех газов (аргон, неон, водород) и одной мишени (никель).
Рис. 3. Зависимость напряжения возникновения газового разряда Uв.
Рис. 4. Зависимость напряжения возникновения газового разряда Uв.
Выводы.
В данной лабораторной работе были рассчитаны напряжения возникновения газового разряда при различных условиях (разный коэффициент вторичной электронной эмиссии, зависящий от материала катода и разные константы А и В, зависящие от газа).
Была
рассмотрена зависимость
,
которая определяет количество или число
пар «ион-электрон», приходящихся на 1 м
длины при давлении 133 Па. Теоретическая
и практическая зависимости, представленные
на рис. 2, качественно совпадают.
Также
был рассмотрены кривые Пашена,
представленные на рис. 3 и 4. Так как
коэффициент вторичной электронной
эмиссии ионно-электронного типа
для Fe
близок по значению к Ni,
кривые почти накладываются друг на
друга и лежат ниже кривой для Pt,
из чего можно предположить, что, чем
меньше
тем больше требуется
.
Экспериментальная и теоретическая
зависимости качественно совпадают.
Если меняется газовый состав, то, чем больше порядковый номер газа, тем ниже находится кривая Пашена. У большего порядкового номера больше электронных оболочек и меньшую энергию нужно затратить для вырывания электрона, а, значит, и меньший потенциал нужно приложить.