5.4. Тліючий розряд

Кожному типу розряду в газах відповідає певний стан іонізованого газу, який характеризується температурою, спектрами випромінювання і поглинання тощо. Більше того, виявляється, що стан деякого елемента газу залежить від того, в якій області розрядного проміжку міститься цей елемент, та від його відстані до електрода. У зв’язку з цим розрізняють не лише типи розрядів, а й області розрядного проміжку, що належить до того самого типу розряду.

Найпростішим і найбільш вивченим типом розряду, в якому газ перебуває в дуже неврівноваженому стані, є тліючий розряд. Він спостерігається при низьких тисках (близько 10³ Па і менше). Тліючим розрядом називають самостійний розряд, у якому звільнення електронів з катода відбувається внаслідок бомбардування його позитивними іонами і фотонами, що утворюються в газі. Для спостереження розряду цього типу беруть скляну трубку 0,3 – 0,5 м завдовжки, в яку впаяно два електроди (рис 5.3). Коли напруга між електродами становить кілька сотень вольт і тиск газу у трубці близько 7 10³ Па, виникає самостійний розряд у вигляді тонкої гнутої трубки, а при тиску 13,3 – 1,33 Па розряд має вигляд, який схематично зображено на рис. 5.3. На тому ж рисунку зображено розподіл потенціалу φ по довжіні l трубки. Розрядний проміжок між катодом і анодом поділяється на ряд областей.

Безпосередньо до катода прилягає вузький, так званий астоновий темний простір 1 (його вперше спостерігав англійський фізик Астон). У цьому шарі електрони, звільнені з катода, ще не набули енергії, достатньої для збудження атомів і молекул газу. Ширина астонового простору (десяті долі мм) зворотно пропорційна тиску газу і зменшується зі збільшенням густини струму.

До цього шару прилягає тонка світна плівка 2, яку називають катодним світінням (катодним шаром). У цьому шарі відбувається збудження атомів і молекул ударами електронів, але ще без їх іонізації. При переході зі збудженого стану в нормальний збуджені атоми випромінюють світло.

За катодним шаром іде темний шар 3, який названо темним катодним простором (а також темним круксовим або темним гітторфовим простором – його спостерігали англійський вчений Крукс та німецький вчений Гітторф). Насправді цей простір не зовсім темний, але спостерігається як темний на тлі більш світлих сусідніх областей. Як видно із рис. 5.3, для цього простору характерним є найбільший спад потенціалу, пов’язаний з великою концентрацією позитивних іонів на межі 2 і 3 областей, зумовленою порівняно невеликою швидкістю руху іонів до катода. У катодному темному просторі 3 відбувається сильне прискорення електронів і позитивних іонів, які вибивають електрони з катода. Внаслідок цього у просторі 3 починається іонізація атомів і молекул та наростання електронних лавин. Процес іонізації призводить до зменшення ймовірності збудження атомів, чим зумовлене послаблення світіння газу. Область темного катодного простору є найважливішою для підтримання самостійного розряду, оскільки в ній утворюються позитивні іони, які й зумовлюють вторинну електронну емісію.

Темний катодний простір 3 різко переходить в світлий шар 4, який називають негативним тліючим світінням. Це світіння має різку межу з боку катода. В цій області електрони спричиняють іонізацію молекул газу і втрачають свою енергію. Тут утворюється позитивні іони, необхідні для того, щоб підтримувати розряд. Напруженість електричного поля у цій області мала. Тліюче світіння є наслідком рекомбінації електронів з позитивними іонами, а також квантових переходів збуджених атомів на більш низькі енергетичні рівні. Протяжність темного катодного простору визначається властивостями газу і матеріалу катода.

При наближенні до катода яскравість темного світіння поступово зменшується і переходить у так званий темний фарадеїв простір 5, в який уже не долітають прискорені електрони електронних лавин.

Області 1-5 називають катодними частинами розряду. В них відбуваються всі процеси, внаслідок яких розряд є самостійним.

За Фарадеєвим темним простором лежить область 6, яка досягає анода. Цю область називають позитивним світним стовпом. Здебільшого цей стовп досягає анода. За деяких умов між позитивним стовпом і анодом виникає темний анодний простір, а на самій поверхні анода – анодне світіння (анодна світна плівка).

В області позитивного стовпа концентрація електронів та іонів приблизно однакова і дуже велика, що зумовлює велику електропровідність позитивного стовпа і незначний спад у ньому потенціалу. Світіння цього стовпа зумовлене в основному рекомбінацією електронів з позитивними іонами і світінням збуджених молекул. Поблизу анода знову спостерігається порівняно різка зміна потенціалу, пов’язана з процесом генерації позитивних іонів. У ряді випадків позитивний стовп розпадається на окремі світні ділянки – страти, поділені темними проміжками. Тоді розряд називають складним.

Якщо в газорозрядній трубці зробити анод рухомим, то під час його переміщення до катода катодні області розряду 1-5 залишаються без змін, а позитивний стовп буде скорочуватись до повного зникнення його. З подальшим переміщенням анода у тліючий шар світіння зникає зовсім. Розряд припиняється, коли анод буде на межі просторів 1 і 2.

Досліди свідчать, що довжина катодного темного простору обернено пропорційна тиску газу. Отже, при досить низьких тисках електрони, вибиті з катода позитивними іонами, проходять через газ майже без зіткнень з його молекулами, утворюючи електрони, або катодні промені.

Тліючий розряд використовують як джерело світла (лампи денного світла, рекламні газорозрядні трубки тощо), в стабілізаторах напруги, для утворення електронних та іонних пучків. Якщо в катоді зробити щілину, то крізь неї в простір за катодом проходять вузькі іонні пучки, які називають каналовими променями.

Широко використовують явище катодного розпилення, тобто руйнування поверхні катода під дією позитивних іонів, які ударяються об нього. Ультрамікроскопічні осколки матеріалу катода летять в усі боки по прямих лініях і покривають тонким шаром поверхню тіл (особливо діелектриків), вміщених у трубку. У такий спосіб виготовляють дзеркала для деяких приладів, покривають тонким шаром селенові та інші фотоелементи.