Виды разрядов в газе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

ВИДЫ РАЗРЯДОВ В ГАЗЕ



Содержание

1. Зажигание самостоятельного разряда с холодным катодом

2. Виды самостоятельных разрядов постоянного тока с холодным катодом

3. Бомбардировка поверхности катода в аномальном тлеющем разряде

4. Дуговой разряд

5. Высокочастотный и СВЧ разряды

6. Искровой и коронный разряды

Литература



1. Зажигание самостоятельного разряда с холодным катодом

Разряды подразделяются на самостоятельные, для возникновения и поддержания которых необходимо наличие только электрического поля; и несамостоятельные, для которых необходимо наличие как электрического поля, так и вспомогательного источника заряженных частиц в разрядном промежутке.

Рассмотрим заполненную газом низкого давления р кювету с двумя плоскими металлическими электродами, расстояние между которыми L ( рис. 1). Если к электродам приложено напряжение U, то напряжённость электрического поля в таком разрядном промежутке в отсутствии тока разряда E=U/L. При повышении напряжения U от нуля до U_заж ток через промежуток мал (участок вольт-амперной характеристики 0-а-б на рис.2,б). Этот ток обусловлен появлением в промежутке заряженных частиц: в результате термической ионизации газа при столкновениях тяжёлых частиц, а также - объёмной фотоионизации при поглощения газом внешнего излучения (например, космического излучения, падающего на поверхность Земли); эмиссии электронов с поверхности «отрицательного» электрода (катода) в объём за счет ФЭЭ под действием этого же излучения. Очевидно, что при U?U_заж подобный слаботочный разряд является несамостоятельным.

Возникновение самостоятельного разряда. Электронная лавина. При U=U_заж, свободный электрон в разрядном промежутке на длине свободного пробега л набирает энергию е_л=eлU_заж/L, равную энергии ионизации газа, и в результате происходит размножение в геометрической прогрессии заряженных частиц: электронов, движущихся в направлении от катода к аноду, т.е. навстречу электрическому полю E, а также и ионов:

e+A>A⁺+2e; 2e+2A>2A⁺+4e; 4e+4A>4A⁺+8e>16e>32e>64e и т.д. (1)



Данный процесс размножения заряженных частиц наз. электронной лавиной.

Электронную лавину удобно описывать, введя б - первый ионизационный коэффициент Таунсенда, равный числу пар заряженных частиц (электронов и положительных ионов), создаваемых движущимся в электрическом поле Е электроном на пути в 1см. Полуэмпирическая формула для б имеет вид:

,(2)

где А и В - константы, зависящие от рода газа, А имеет смысл сечения ионизации Q_i, а В - (елр)-¹. Важно, что б так же, как и коэффициент ион-электронной эмиссии г, является возрастающей функцией Е/р.

Условия возникновения (зажигания) самостоятельного разряда. Закон Пашена-Таунсенда. Направим ось z от катода к аноду навстречу электрическому полю Е. В точке с координатой z выделим слой газа толщиной dz. Если N_e - число электронов, входящих в слой слева, то приращение их в слое dN_e=бN_edz. Умножив на заряд электрона е, получим dj_e=бj_edz. Проинтегрировав, найдем плотность тока электронов

j_e(z) = (j_e)_k·e^бz ,

где (j_e)_k-величина тока на поверхности катода (при z=0), создаваемого электронами.

Величина электронного тока на аноде (при z=L) будет являться полной величиной тока разряда j, т.е.

j_e(L)=(j_e)_k·e^бL=j.(3,а)



Для z=0 (на катоде) полной величиной тока разряда j будет суммарное значение тока, создаваемого электронами и ионами, т.е.

j_k = (j_e)_k + (j_i)_k = j и (j_e)_k = j₀ + г(j_i)_k,(3,б)

где j₀ и г(j_i)_k - значения плотности тока с поверхности катода за счет ФЭЭ от внешнего источника и ИЭЭ соответственно, откуда

.(4)

Из (3) и (4) можно получить

,(5)

где K_ГУ - коэффициент газового усиления.

С ростом Е при U>U_заж имеет место рост как б и г, так и K_ГУ. Очевидно, что j перестает зависеть от j₀, когда K_ГУ неограниченно возрастает, т.е. K_ГУ>?, или >1. Из =1 получим условие возникновения самостоятельного разряда (условие самостоятельности) в виде:

.(6)

Подставив в (6) выражение для б в виде (2), найдем величину U_заж как функцию параметров разряда (закон Пашена-Таунсенда) в виде:



.(7)

Из (7) видно, что U_заж растет как при росте В, так и при снижении А и г. Кривые Пашена U_заж(pL) при отсутствии и при наличии источника дополнительной ионизации газа, а также кривые Пашена для различных газов приведены на рис. 1.

Закон подобия разрядных промежутков. Поскольку p и L входят в (7) в виде произведения, то можно сформулировать закон подобия разрядных промежутков: два разрядных промежутка, заполненные одним и тем же газом с одинаковыми электродами и имеющие одно и то же произведение давления p на расстояние между электродами L, имеют одно и то же напряжение зажигания U_заж. На зависимости U_заж(pL) (рис. 1) точке (U_заж)_мин отвечает оптимальная величина (pL)_опт. При pL<(pL)_опт U_заж резко возрастает (т.наз. «левая ветвь» кривой Пашена), что вызвано снижением б и необходимостью повышения г путем увеличения Е. При pL>(pL)_опт зависимость U_заж(pL) растет менее резко («правая ветвь» кривой Пашена), и это вызвано необходимостью повышения Е для повышения коэффициента б.

При подогреве катода (термоэлектронной эмиссии) и(или) при дополнительной ионизации газа в промежутке путем использовании вспомогательного источника ионизации (например, с помощью ВЧ-поля, электронного пучка), развитие лавины облегчается, и величина U_заж снижается (несамостоятельный разряд). Меньшее U_заж наблюдается также для пеннинговской смеси газов, в которой пара разноименно заряженных частиц образуется при столкновении двух нейтральных частиц (Пеннинг-процесс). В то же время развитие лавины в молекулярных “электроотрицательных” газах весьма затруднено, и U_заж для них более высокое. В самом деле, в “электроотрицательном” газе быстрый электрон захватывается молекулой (прилипает к ней), и образуется медленный отрицательный молекулярный ион, что снижает полную скорость ионизации газа.

2. Виды самостоятельных разрядов постоянного тока с “холодным” катодом

1. Вольт-амперная характеристика и «нагрузочная прямая». Вольт-амперная характеристика газоразрядного промежутка является существенно нелинейной. Проанализируем её ход во всем диапазоне разрядного тока и опишем свойства соответствующих видов разряда.

В момент зажигания самостоятельного разряда вследствие развития в разрядном промежутке электронной лавины ток через промежуток в соответствии с (5) может неограниченно возрастать, поэтому для контроля его величины в разрядную цепь необходимо последовательно включить т. наз. «балластный» элемент - резистор R_б (рис.2,а). Уравнение Кирхгофа для данной электрической цепи имеет вид:

е =U+I·R_б или ,(8)

где е -напряжение источника питания. Уравнение (8) на осях I(U) может быть изображено в виде т.наз. нагрузочной прямой, пересекающей ось напряжений в точке U=U_заж=е, а ось тока - в точке е/R_б. Очевидно, что точка пересечения нагрузочной прямой с нелинейной вольт-амперной характеристикой разряда дает рабочую точку электрической цепи, т.е. значение напряжения на разрядном промежутке и величину протекающего через него тока. Например, в точке «А» (соответствующей тлеющему разряду, см. далее) падение напряжения на балластном резисторе компенсирует разницу между напряжением, необходимым для зажигания самостоятельного разряда е?U_заж и напряжением U, определяемым вольт-амперной характеристикой: U_б=I•R_б=е-U. Очевидно, что при изменении R_б величина тока будет изменяться (например, при уменьшении R_б-увеличиваться, а рабочая точка - перемещаться “вверх” по вольт-амперной характеристике). Cледовательно, меняя R_б можно «прописать» вольт-амперную характеристику всех видов разряда постоянного тока: тёмного таунсендовского разряда, тлеющего и дугового разрядов.

Тёмный таунсендовский разряд (ТТР). ТТР отличается линейным ростом потенциала от катода к аноду (однородным полем в промежутке E(z)=const), малыми значениями концентрации электронов и тока (единицы мкА), а также отсутствием видимого глазом излучения газоразрядной плазмы (свечения разряда).

Тлеющий разряд (ТР). Тлеющему разряду соответствует участок вольт-амперной характеристики в-г-д на рис.2, его структура показана на рис.3. С ростом тока (при уменьшении R_б) ТТР переходит в ТР, при этом в промежутке возникают чередующиеся темные и светящиеся слои газа. Несколько слоев вблизи катода формируют катодную область (КО), обеспечивающую ионно-электронную эмиссию (ИЭЭ) с поверхности холодного катода и включающую: катодное тёмное пространство (КТП) вблизи катода и прилегающую к нему плазменную область-отрицательное (или тлеющее) свечение (ОС). Падение потенциала на КО - т. наз. катодное падение, сосредоточено в области КТП, при этом градиент электрического поля Е_КТП(z) определяется наличием положительного объемного заряда в КТП.

К КО со стороны анода примыкает фарадеево тёмное пространство (ФТП), не являющееся обязательной областью и служащее лишь для согласования КО и протяженной вплоть до анода плазменной однородной области, называемой положительным столбом (ПС). Плазма отрицательного свечения ТР низкого давления является неизотермической.

Основные процессы, обеспечивающие самостоятельность ТР, происходят в КО и на самом катоде. Тлеющий разряд не может существовать без частей, образующих КО. При изменении формы поверхности катода форма КО её повторяет, не изменяя своей структуры. (На этом свойстве основан принцип действия газоразрядных знаковых индикаторов тлеющего разряда.) Эмиссию катода в ТР обеспечивают «г-процессы», главным из которых является ИЭЭ. В КО преобладающим является направленное движение заряженных частиц (электронов и положительных ионов).

В противоположность катодной области, ПС не является необходимой частью разряда, и служит как-бы “плазменным проводником”, соединяющим КО и анод разрядного промежутка. Если при горящем разряде приближать анод к катоду, то сокращается именно длина ПС. Анодные части также не являются необходимыми для существования разряда, они представляют собой переходную область между ПС и металлическим анодом. В противоположность КО с направленным движением заряженных частиц, ПС низкого давления представляет собой типичный пример газоразрядной неизотермической плазмы, в которой доминирует хаотическое движение зарядов. В соответствии с этим роль боковых стенок кюветы, ограничивающих ионизированный газ в КО, незначительна, а в положительном столбе она является существенной и определяет разрушение заряженных частиц.

С практической точки зрения важным является деление тлеющих разрядов на нормальный (НТР) и аномальный (АТР).

Перечислим основные свойства НТР:

- вольт-амперная характеристика в координатах I(U) строго вертикальна (участок в-г на рис.2), на чем основан принцип действия стабилитрона тлеющего разряда;

- КО, в том числе отрицательное свечение, покрывает только часть поверхности катода. При этом площадь катода, покрытая свечением S_св пропорциональна току (закон Геля), т.е.



S_св~ j_н-¹·I,(9)

где j_н -плотность тока на катоде в НТР (“нормальная” плотность тока).

Свойства АТР:

- вольт-амперная характеристика возрастающая (участок г-д на рис.);

- КО, в том числе и ОС, покрывает поверхность катода полностью, и плотность тока на катоде превышает нормальную j_k>j_н (режим разряда в газоразрядных знаковых индикаторах).

Характерная структура тлеющего разряда показана на рис. 3. На этом же рисунке приведено распределение по длине разрядного промежутка z интенсивности свечения J(z), потенциала ц(z), напряженности поля Е(z) и плотностей зарядов и токов положительных ионов и электронов с_i(z), с_e(z), j_i(z) и j_e(z).

3. Бомбардировка поверхности катода в аномальном тлеющем разряде

Катодная область в АТР имеет хорошо выраженную структуру (см., рис. 4). В области КТП сосредоточено все падение напряжения на разряде, там накапливаются положительные ионы, образующие пространственный заряд, и создается вызываемое этим зарядом сильное электрическое поле Е_КТП, направленное к катоду. Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются в этом поле по направлению к аноду. Толщина КТП приблизительно равна среднему расстоянию, которое проходит эмитированный катодом электрон до первого ионизирующего столкновения (в 5-10 раз больше длины свободного пробега электрона, определяемой упругими столкновениями с атомами газа). Пройдя разность потенциалов U_КТП (обычно порядка 10..10³В) и набрав в нем энергию е=еU_КТП (соответственно 10..10³эВ), электроны попадают в электронейтральную плазменную область ОС, в которой они за счет многократных ионизирующих и возбуждающих столкновений с атомами газа образуют большое число возбужденных атомов газа (создающих яркое свечение ОС), а также положительных ионов и вторичных электронов с тепловой энергией. В области ОС, где поле Е_ОС?0, ионы движутся по законам диффузии. Часть из этих ионов, достигнув границы ОС-КТП, попадает в электрическое поле Е_КТП, ускоряется в нем по направлению к катоду и бомбардирует поверхность катода, выбивая некоторое количество первичных электронов, т.е. обеспечивая ИЭЭ. Помимо эмиссии электрона бомбардировка поверхности ионами газа в АТР приводит и к выбиванию атомов металла катода, явлению, называемому катодным распылением.

Скорость катодного распыления W, т.е. количество атомов , «выбиваемых» с 1 см² площади поверхности катода за 1с, зависит от плотности тока разряда j, давления газа р, массы иона газа M, а также - от превышения катодного падения в АТР-U_аном, над нормальным U_н:

,(10)

где коэффициент распыления k и показатель степени m зависят от рода газа и массы атомов металла (обычно m=2…5).

4. Дуговой разряд

разряд искровой ток питание

Переход от АТР к дуговому разряду (ДР) происходит при дальнейшем повышении тока (до неск. Ампер), при этом на катоде возникает токовая площадка небольших размеров с высокой температурой (~10³К) и эмиссия катода становится термоэлектронной (ТЭЭ) или термоавтоэлектронной (ТАЭЭ). Катодное падение снижается до нескольких десятков вольт, необходимых лишь для разогрева площадки. Вольт-амперная характеристика ДР падающая (участок д-е на рис. 2). Важно отметить, что деление разрядов на тлеющий и дуговой относится только к режиму катодной области: ИЭЭ и высокое катодное падение характерно для ТР, в то же время ТЭЭ, АЭЭ либо ТАЭЭ и низкое катодное падение - для ДР.

Таким образом, при несамостоятельном разряде (до зажигания самостоятельного) действовал только внешний источник ионизации, обеспечивавший некоторое «затравочное» число заряженных частиц (электронов и положительных ионов). После зажигания самостоятельного разряда вследствие развития в промежутке электронной лавины, возникает значительно большее число заряженных частиц, при этом электроны обеспечивают протекание тока через промежуток, а ионы - эмиссию электронов с катода, в результате процесс создания заряженных частиц в объеме промежутка и эмитируемых катодом становится замкнутым, разряд становится самостоятельным и не зависящим от внешнего ионизатора, а зависящим только от величины электрического поля (приложенного напряжения).

5. Высокочастотный и СВЧ разряды

Высокочастотный разряд (диапазон частот от единиц МГц до единиц ГГц) бывает двух типов: индукционный (ВЧИ) и ёмкостный (ВЧЕ). Безэлектродный ВЧИ-разряд обычно зажигают внутри диэлектрической трубки вставленной в катушку (индуктор), по виткам которой пропускается высокочастотный ток. В этом случае переменное поле индуцирует в газоразрядной плазме кольцевые вихревые электрическое поле и токи.

ВЧЕ-разряд при низких и средних давлениях (p~10^-1-10²Тор) обычно зажигают, подавая ВЧ-напряжение на плоские электроды, типа показанных на рис.4. Электроды могут быть «внутренними» оголенными, либо изолированными от плазмы диэлектриком, в т.ч. и стенкой кюветы (во втором случае разряд считается “безэлектродным” с наружными электродами). Плазменную область промежутка заполняют малоподвижные атомы и ионы газа. На их фоне электроны совершают дрейфовые колебания, так что граница плазмы, где n_e=N₊ перемещается. Когда граница касается поверхности одного из электродов (который в данные полпериода является положительным), электроны уходят на него. При этом около противоположного электрода обнажается слой ионов, создающих положительный пространственный заряд и электрическое поле в направлении из плазмы к электроду, напоминающие объемный заряд и поле в КТП катодной области ТР постоянного тока. Плазменная область ВЧ-разрядов напоминает ПС. Очевидно, что разряд, питаемый короткими импульсами тока (импульсный разряд) , будет эквивалентен ВЧ-разряду с периодом изменения тока порядка длительности импульса.

СВЧ-разряды зажигают в резонаторах, в диэлектрической трубке, пересекающей волновод; в последнем случае обычно при давлении порядка атмосферного.

6. Искровой и коронный разряды

Искровой разряд возникает при резком превышении приложенного к электродам напряжения над напряжением зажигания в газе с давлением порядка- и много больше атмосферного. Первой стадией искрового разряда служит стримерный, или лидерный (в молнии) пробой -- прорастание тонкого плазменного канала от одного электрода к другому. Потом канал превращается в искровой, способный пропустить большой ток. Важнейшим элементом искрового пробоя является стример, который возникает «по следу» мощной электронной лавины, навстречу ей. Фактором, определяющим появление стримера, является чрезвычайно сильное внешнее электрическое поле. Электроны лавины уходят на анод, оставляя положительно заряженный ионный след, и проходя по объему лавины, возбуждают в результате неупругих столкновений 1-го рода атомы, молекулы и ионы газа. Данные возбужденные частицы испускают высокоэнергетические фотоны, которые производят фотоионизацию в прилегающих к «хвосту» лавины областях газа, давая начало вторичным электронным лавинам. Эти лавины “втягиваются” в ионный след, обеспечивая «прорастание» стримера по направлению вектора поля.

Случайное направление движения указанных фотонов определяет постоянное изменение направления прорастания стримера, что ведет к “изломанности” искрового разрядного канала. Быстрый нагрев газа в стримере (и лидере) создает акустическую волну, воспринимаемую ухом как потрескивание (гром при молнии).

При достаточной мощности источника питания искровой разряд перерастает в дуговой, при недостаточной мощности- гаснет.

Коронный разряд, подобно искровому, возникает также при давлении газа порядка атмосферного, но при сильной неоднородности поля вблизи электродов, обычно - тонких проводов, металлических острий. Вблизи положительного электрода происходит концентрация электронных лавин и образуются светящиеся нити, в которых создаются акустические волны, и эта корона издаёт характерное потрескивание. В отрицательной короне механизм эмиссии электрода - ИЭЭ, акустические волны не создаются, и потрескивания не происходит.



Рис. 1. Зажигание газового разряда низкого и среднего давления в трубке с холодными электродами (а); Кривые Пашена (б):-при действии только естественного источника начальной ионизации газа, кривая 2-при наличии дополнительного источника начальной ионизации газа; (в)-кривые Пашена (потенциал зажигания) для различных газов в широком диапазоне pL, никелевый катод.

Рис. 2 Схема подключения газоразрядного промежутка к источнику питания (а), Полная вольт-амперная характеристика несамостоятельного (0-а-б) и самостоятельных разрядов (б-в-г-д-е) постоянного тока с «холодными» электродами (б).



Рис. 3. Структура излучения тлеющего разряда (а) и продольное распределение: интенсивности свечения I (б), напряженности электрического поля Е (в), потенциала ц в промежутке (г), плотностей зарядов с_i и с_e (д) и плотностей ионного j_i и электронного j_e токов (е).

Рис. 4. Структура катодной области тлеющего разряда и схема катодного распыления: 1-катодное тёмное пространство, 2-отрицательное (тлеющее) свечение(оболочка разрядной трубки не показана), Г⁺-ион газа, ускоренный в КТП, М-атом распылённого вещества катода (металла).



Литература

1. Сборник изобретений: Радиоэлектроника; М.: ЦБТИ, 1996. - 260 c.

2. Белый, Ю.А. Считающая электроника; М.: Наука, 1998. - 120 c.

3. Велтистов, Е. Приключения Электроника; М.: Русский язык, 1990. - 238 c.

4. Велтистов, Е. Приключения Электроника. Новые приключения электроника; Пермь: Урал-Пресс, 1992. - 198 c.

5. Велтистов, Евгений Приключения Электроника. Новые приключения Электроника; М.: Олма-Пресс, 2008. - 800 c.

6. Гапонов, В.И. Электроника; М.: Физматгиз, 2011. - 156 c.

7. Лабунцов, В.А. Энергетическая электроника; ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1987. - 464 c.

8. ред. Ахманов, С.А.; Жаботинский, М.Е.; Клышко, Д.Н. и др. Квантовая электроника; М.: Советская Энциклопедия, 1999. - 432 c.

9. ред. Берг, А.И.; Трапезников, В.А. Энциклопедия современной техники. Автоматизация производства и промышленная электроника; М.: Советская Энциклопедия, 2009. - 393 c.

Размещено на Allbest.ru