Самостійна робота №5
Тема: «Основні види газових розрядів та їх застосування».
Газові розряди
Газовий розряд — явище протікання електричного струму в газах.
Газ складається із нейтральних атомів і молекул, тому для забезпечення електропровідності необхідне виникнення носіїв заряду - іонізація. Джерелом іонізації може бути зовнішнє опромінення високоенергетичними фотонами - ультрафіолетовими, рентгенівськими чи гамма-променями. Іонізація може виникнути також у сильному електричному полі, або ж за рахунок зіткнень із прискореними носіями заряду (ударна іонізація). Додатковим джерелом носіїв заряду може бути поверхнева іонізація, наприклад термоелектронна емісія з катоду.
При малих зовнішніх електричних полях провідність газів зумовлена зовнішніми джерелами іонізації. Розряд, який виникає в таких умовах, називають несамостійним розрядом.
Розряди, які виникають у сильних електричних полях за рахунок іонізації, що виникає при протіканні струму, називаються самостійними газовими розрядами.
Розрізняють такі типи самостійних газових розрядів:
Тліючий розряд
Дуговий розряд
Іскровий розряд
Коронний розряд
Розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним.
Розглянемо умови виникнення самостійного газового розряду. При великій напрузі між електродами газового проміжку струм сильно зростає. При великих напругах, що виникають під дією зовнішнього іонізатора, електрони сильно прискорені електричним полем, стикаючись з нейтральними молекулами газу, іонізують їх, в результаті чого утворюються вторинні електрони та позитивні іони. Позитивні іони рухаються до катода, а електрони до аноду. Вторинні електрони знову іонізують молекули газу і, відповідно, загальна кількість електронів та іонів буде зростати в міру просування електронів до аноду лавиноподібно. Описаний процес називається ударною іонізацією.
Проте ударна іонізація під дією електронів недостатня для підтримання розряду при видаленні зовнішнього іонізатора. Для цього необхідно, щоб електронні лавини відтворювалися, тобто щоб у газі під дією якихось процесів виникали нові електрони. Такі процеси проходять:
прискорені полем позитивні іони, б'ючись об катод, вибивають з нього електрони;
позитивні іони, стикаючись з молекулами газу, переводять їх у збуджений стан. Перехід таких молекул в нормальний стан супроводжується випусканням фотону;
фотон, поглинений нейтральною молекулою, іонізує її, відбувається так званий процес фотонної іонізації молекул;
вибивання електронів з катоду під дією фотонів.
Нарешті, при значних напругах між електродами газового проміжку настає момент, коли позитивні іони, що володіють меншою довжиною вільного пробігу, ніж електрони, набувають енергії, достатньої для іонізації молекул газу, і до негативної пластини спрямовуються іонні лавини. Коли виникають крім електронних лавин ще й іонні, сила струму зростає вже практично без збільшення напруги.
У результаті описаних процесів кількість іонів та електронів в об’ємі газу лавиноподібно зростає і розряд стає самостійним, тобто зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора. Напруга, при якому виникає самостійний розряд, називається напругою пробою.
У залежності від тиску газу, конфігурації електродів, параметрів зовнішнього ланцюга можна говорити про чотири типи самостійного газового розряду: тліючий, іскровий, дуговий і коронний.
Тліючий газовий розряд
Виникає при низькому тиску. Якщо до електродів, впаяних в скляну трубку завдовжки 30 ≈ 50 см, прикласти постійну напругу до сотень вольт, поступово відкачуючи з трубки повітря, то при тиску 5,3 -6,7 кПа виникає газовий розряд у вигляді звивистого шнура червонуватого кольору, що світиться світиться і йде від катода до аноду. При подальшому зниженні тиску шнур товстішає.
Безпосередньо до катода прилягає тонкий шар, що світиться, - перше катодне світіння, або катодна плівка, потім іде темний шар - катодний темний простір, що переходить в тліюче світіння, яке має різкий кордон з боку катода і поступово зникає з боку анода. Воно виникає через рекомбінацію електронів з позитивними іонами. З тліючим світінням межує темний проміжок - фарадеєвський темний простір, за яким іде стовп іонізованого газу, що світиться, - позитивний стовп. Позитивний стовп істотної ролі в підтримці розряду не має. Наприклад, при зменшенні відстані між електродами трубки його довжина скорочується, в той час як катодні частини розряду за формою і величиною залишаються незмінними. У тліючому газовому розряді особливе значення для його підтримки мають лише дві його частини: катодний темний простір і тліюче світіння. У катодному темному просторі відбувається сильне прискорення електронів і позитивних іонів, які вибивають електрони з катода (вторинна емісія). В області тліючого світіння ж відбувається ударна іонізація електронами молекул газу. Утворені при цьому позитивні іони спрямовуються до катода і вибивають з нього нові електрони, які, у свою чергу, знову іонізують газ і т. д. Таким чином безперервно підтримується тліючий розряд.
При подальшому відкачуванні при тиску 1,3 Па свічення газу послаблюється і починають світитися стінки трубки. Електрони, вибиті з катода позитивними іонами, за такого розрідження рідко стикаються з молекулами газу і тому, прискорені полем, вдаряючись об скло, викликають його світіння, так звану катодолюмінесценцію. Потік цих електронів історично отримав назву катодних променів. Якщо в катоді просвердлити малі отвори, то позитивні іони, які бомбардують катод, пройшовши через отвори проникають у простір за катодом і утворюють різко обмежений пучок, що отримав назву каналових (або позитивних) променів, названих за знаком заряду, який вони несуть.
Тліючий розряд широко використовується в техніці. Так як світіння позитивного стовпа має характерний для кожного газу колір, то його використовують в газосвітних трубках для написів і реклам, що світяться, (наприклад, неонові газорозрядні трубки дають червоне свічення, аргонові - синювато-зелене). У лампах денного світла, більш економічних, ніж лампи розжарювання, випромінювання тліючого розряду, яке походить в парах ртуті, поглинається нанесеною на внутрішню поверхню трубки флуоресціюючою речовиною (люмінофором), що починає під впливом поглинутого випромінювання світитися. Спектр світіння при відповідному підборі люмінофорів близький до спектру сонячного випромінювання. Тліючий розряд використовується для катодного напилення металів. Речовина катода в тліючому розряді внаслідок бомбардування позитивними іонами, сильно нагріваючись, переходить в пароподібний стан. Помістивши поблизу катода різні предмети, їх можна покрити рівномірним шаром металу.