2) 4.4.Виды электрических разрядов

В газоразрядных приборах используют разряды с различным падением потенциала и плотностью тока. Если собрать схему, при­веденную на рис.4.2, то, постепенно повышая напряжение источ­ника питания Е_а и отмечая показания приборов, можно снять характеристику разрядника, хотя на практике сделать это не­просто.

Для того чтобы все стадии исследуемого процесса представить на одном графике, по оси ординат откладывают напряжение меж­ду электродами прибора, а по оси абсцисс — плотность тока в лога­рифмическом масштабе.

На полученной характеристи­ке (рис.4.5) сплошными линия­ми отмечены участки, соответст­вующие трем основным стацио­нарным видам электрического разряда в газе, используемым в газоразрядных приборах (1— тихий или темный разряд; 2 — тлеющий; 3 — дуговой).

Темный разряд — простейшая форма разряда, не сопровож­дающаяся какими-либо акустиче­скими или оптическими явления­ми в газе. Он происходит при малых плотностях тока, при которых объемные заряды электронов и ионов практически отсутствуют и электрическое поле в разрядном промежутке определяется, в ос­новном, потенциалами и геометрией электродов. Обычно плотность тока не превышает 10^-6 А/см², распределение потенциала между электродами линейно. Вначале с увеличением напряжения Е_а напряжение U растет до сравнительно больших значений (сотни вольт), а токи очень малы (микроамперы). При дальнейшем по­вышении напряжения E_a плотность тока в разряде становится большей

10^-6 А/см², начинают играть роль объемные заряды, ха­рактеристика делается падающей (штрих), разряд становится неустойчивым и при плотностях тока ~ 10^-4 А/см² переходит в дру­гую форму. Темный разряд — несамостоятельный, используется в газоразрядных фотоэлементах.

Рис.4.5.Вольт-амперная характеристика электрического разряда в газе.

Тлеющий разряд характерен большими плотностями тока (j>10^-4 А/см²). Сила тока обычно составляет от 0,1 до примерно 300 мА. Граничные значения тока колеблются в зависимости от рода газа, размеров и конфигурации электродов. Напряжение между электродами — порядка сотен вольт, вольт- амперная характеристика почти горизон­тальна. Распределение потен­циала вдоль приборов нелиней­но (рис.4.3): у катода — боль­шое падение,

в остальной ча­сти оно невелико. В стеклян­ной трубке наблюдается све­чение различных частей разрядного промежутка (рис.4.6), оно спокойное, неяркое и напоминает свечение тлеющих в камине углей, с чередованием темных и светлых областей.

Рис.4.6. Све­чение различных частей в разрядном промежутке.

Тлеющий разряд характеризуется большим влиянием на про­ходящие в нем процессы объемных зарядов и наличием катодного падения потенциала V_k, необходимого для электронной эмиссии с поверхности катода под ударами положительных ионов, которая обеспечивает самостоятельность разряда.

Электроны, эмиттированные катодом, ускоряются в электриче­ском поле и на расстоянии λ начинают возбуждать атомы. При этом появляется светящийся слой 1 (первое катодное свечение). Затем скорость электронов возрастает настолько, что начинается интенсивная ионизация. Этому соответствует темная область 2 (Круксово темное пространство). Поле ослабляется, скорость элек­тронов уменьшается, ионизация вновь сменяется возбуждением (область отрицательного тлеющего свечения 3). Исчерпав всю энергию, электроны перестают не только ионизировать, но и воз­буждать атомы газа (Фарадеево темное пространство 4). Поло­жительный столб 5 — типичная плазма. Вблизи анода можно за­метить еще одно темное пространство 6, где имеется анодное па­дение потенциала, знак которого зависит от силы тока.

Для области катодного падения потенциала характерно появ­ление светящейся пленки газа вблизи катода, толщина которой зависит от давления и рода газа, а также от материала катода. Свечение катодной пленки вызывается возбужденными атомами газа. Оно покрывает область катода, около которой происходят основные процессы, обеспечивающие самостоятельность тлеющего разряда. Катодное свечение может занимать лишь часть поверх­ности катода. В этом случае происходит нормальный тлеющий разряд.

Для нормального тлеющего разряда выполняется следующая зависимость: для данной пары материал катода— газ катодное па­дение потенциала и плотность тока на катоде не зависят от силы тока:

(4.2)

Именно поэтому характеристика зависимости U=f(I) для этого режима разряда почти горизонтальна (см. рис.4.5).

Приблизительное постоянство V_ки и j_н при изменении силы тока I нормального тлеющего разряда используется в стабилитронах тлеющего разряда. Тлеющий разряд используется также в тира­тронах и индикаторных приборах.

С увеличением силы тока в разряде свечение на поверхности катода распространяется на все большую площадь S. Когда ка­тод оказывается весь покрыт свечением, условие j_к=I/S=const при дальнейшем росте тока нарушается, плотность тока начинает возрастать, катодное падение V_ки также возрастает. В этом случае имеет место аномальный тлеющий разряд, характерный ростом напряжения U при увеличении плотности тока (рис.4.5). Если j становится большей 1 А/см², то выделяемая в разряде мощность возрастает настолько, что разогрев катода вызывает переход раз­ряда в новую форму, называемую дуговым разрядом.

Дуговой разряд характеризуется очень большими токами (иног­да— тысяч и ампер) и малым падением напряжения (десятки вольт). Разряд ярко светится, иногда сопровождается треском, шипением. Разогрев катода приводит к появлению термоэлектрон­ной эмиссии, и если она началась, катодное падение потенциала резко уменьшается. Снижение V_к при росте термоэмиссии и обще­го тока I дает падающий участок вольт–амперной характеристики дугового разряда.

В зависимости от материала катода большая плотность тока может вызвать или сильный нагрев катода, в результате чего возникает термоэлектронная эмиссия с катода, или скопление большого числа положительных ионов на малом расстоянии от катода, что приводит к созданию большой напряженности поля и появлению автоэлектронной эмиссии с катода.

Дуговой разряд может быть самостоятельным и несамостоя­тельным, он имеет несколько разновидностей.

Термический самостоятельный дуговой разряд с самостоя­тельно разогревающимся катодом за счет энергии ударяющих о катод положительных ионов. В этом случае термоэлектронная эмиссия происходит с небольшого участка поверхности катода— катодного пятна.

Несамостоятельный дуговой разряд с искусственно накален­ным катодом. В такой дуге весь катод эмигрирует электроны. По внешнему виду дуга напоминает тлеющий разряд.

Самостоятельный дуговой разряд с холодным катодом, обеспечивающим автоэлектронную эмиссию. В этом случае использу­ется жидкий ртутный катод. Вследствие испарения ртути в ва­кууме все разрядное пространство - оказывается заполненным парами ртути при давлении порядка 0,1 Па. Давление паров непо­средственно у поверхности катода может составлять несколько кПа. При этом длина свободного пробега электронов составляет 10^-3–10^-5 см. На таком расстоянии d от катода происходит интенсивная ионизация паров ртути и образование поло­жительного пространственного заряда. Благодаря этому даже при небольшом падении потенциала в дуге, порядка нескольких десят­ков вольт, у катода создается напряженность поля E=V_к/d поряд­ка 10⁶ В/см, обеспечивающая возникновение автоэлектронной эмиссии. Разряд в такой ду­ге самостоятельный, так как никакой дополни­тельной энергии электронам катода не сооб­щается. На поверхности катода появляется светящееся катодное пятно, которое является источником электронов.

В слаботочной электронике чаще исполь­зуют приборы дугового разряда с несамостоя­тельной дугой: газотроны и тиратроны дугово­го разряда.

Кроме темного, тлеющего и дугового разряда в электронике используется еще один стационарный вид разряда — коронный.

Коронный разряд является самостоятельным, он возникает при сравнительно больших давлениях газа в тех случаях, когда элек­трическое поле в разрядном промежутке очень неравномерно из-за малого радиуса кривизны одного или обоих электродов. Ионизация происходит лишь в более или менее тонком слое около одного электрода с малым радиусом кривизны. Этот слой назы­вают «короной» или коронирующнм слоем. Начальная напряжен­ность поля короны Е_к зависит от радиуса коронирующего элек­трода и от природы и плотности газа. В разрядном промежутке ясно видны две области (рис.4.7): коронирующий светящийся слой 1 и темная, так называемая, внешняя область разряда 2. Прохождение тока в последней осуществляется за счет переноса заряда ионами.

Рис.4.7.Схема коронного разряда.

Коронный разряд является самостоятельным. Однако в отли­чие от других самостоятельных разрядов сила тока в нем ограни­чивается не сопротивлением внешней цепи, а ограниченной про­водимостью внешней области разряда. Поэтому вольт-амперная характеристика коронного разряда положительна, т. е. сила тока растет при увеличении напряжения. Коронный разряд использует­ся в электровольтных стабилитронах, а также в газоразрядных счетчиках.

Кроме описанных форм разряда существует еще несколько ха­рактерных разновидностей, а также переходных форм. Кроме стационарных бывают нестационарные формы разрядов: искровой, высокочастотный, скользящий и пр.

Особой формой разряда является дуговой разряд в приборах с накаливаемым катодом. В них дуговой разряд возникает при небольших напряжениях на электродах, так как катод разогревается не ионами, а посторонним источником напряжения. Такой разряд, называемый низковольтной дугой, используется в газотронах и тиратронах.

Низковольтная дуга может возникать при потенциале анода, меньшем потенциала ионизации или даже потенциала возбуждения. В первом случае низковольтную дугу называют нормальной, а во втором случае — аномальной.

В ионных приборах используется также высокочастотный разряд, вызываемый действием высокочастотного электромагнитного поля. Если электроды прибора отключить от батареи Е и использовать как обкладки конденсатора в высокочастот­ном колебательном контуре, то в разрядном промежутке возникнет высокочастотный разряд. Малоподвижные ионы не успевают изменять направление своего движения при быстрой перемене знаков потенциала на электродах и образуют объемный положительный заряд. Высоко­частотный разряд возможен при низких значениях разности потен­циалов на электродах.

Этот вид разряда используется в радиолокационных резонансных разрядниках.

Билет 3

1. Основные направления вакумно-плазменной электроники (ионные приборы)

2. Принцип работы ЭЛТ с электростатическим управлением

Ответ: