Физические процессы в тлеющем разряде

При низких давлениях (несколько десятков мм рт. ст.) наблюдается тлеющий самостоятельный газовый разряд. Основными частями тлеющего разряда являются следующие четыре области: I — катодное темное пространство, II — отрицательное (тлеющее) свечение, III — фарадеево темное пространство, IV — положительный столб разряда (рис. 3). Области I — III образуют катодную часть разряда. Вблизи катода происходит резкое падение потенциала, связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе областей I-II. В области II электроны, ускоренные в области I, производят интенсивную ударную ионизацию.

Рис.4.

Вольтамперная характеристика различных видов разряда в неоне с медными электродами (р=1 мм рт.ст., длина разрядной трубки l =50 см) 1 - темный, или таунсендовский самостоятельный разряд, 2 – переход к тлеющему разряду, 3– нормальный тлеющий разряд, 4-аномальный тлеющий разряд, 5 - переход к дуге, 6 - дуга. (Зависимость разрядного тока от напряжения, приложенного к электродам в разряде, называют вольтамперной характеристикой разряда).

Особенности тлеющего разряда в газе иллюстрирует рисунок 4, где представлена вольтамперная характеристика разряда в неоне с холодными электродами из меди при давлении газа р =1 мм рт. ст. в осях lg(i=I)– U как принято в физике электрических разрядов.

При малых разрядных токах (I < 10^-5 А) наблюдают так называемый таунсендовский разряд, характерными чертами которого являются малая плотность тока, практически линейное изменение потенциала вдоль трубки и отсутствие заметного свечения. Механизм поддержания разряда заключается в том, чтобы при своем движении от катода к аноду каждый вышедший из катода электрон произвел столько актов ионизации и актов возбуждения атомов, что под действием образованных им ионов и фотонов из катода вновь был выбит один электрон. Математически это условие записывается в виде известного соотношения (3), в котором левая часть описывает рождение «вторичного» электрона при бомбардировке катода ионами и фотонами, образованными каждым вышедшим из катода «первичным» электроном. Здесь γ — коэффициент, равный отношению числа таких «вторичных» электронов к числу приходящих на катод ионов, α — первый коэффициент Таунсенда, характеризующий число ионов, образованных электроном при прохождении единицы пути от анода к катоду (в направлении действия поля). Коэффициенты α и γ зависят от рода газа, его давления и напряженности поля, а коэффициент γ— еще и от материала катода.

Рис.5.

Структура тлеющего разряда и распределения интенсивности свечения J, напряженности поля Е, потенциала φ, плотностей зарядов и токов положительных ионов и электронов ρ _р, ρ _е, j_p, j_e.

При токах 10^-4 ¸ 10^-5 А существует переходная форма от темного таунсендовского разряда к тлеющему, характеризующаяся падающей вольтамперной характеристикой. При 10^-4 ¸ 10^-1 в трубке горит нормальный тлеющий разряд, вольтамперная характеристика которого в логарифмической оси тока почти прямолинейна и параллельна оси абсцисс (слегка падающая). Тлеющему разряду присущи новые отличительные особенности: интенсивное свечение и характерное распределение потенциала вдоль трубки, схематически представленное на рисунках 3,5. Видно, что практически все падение потенциала сосредоточено вблизи катода, при этом величина U_K называется катодным падением потенциала.

Подобная картина распределения потенциала в тлеющем разряде объясняется тем, что существенную роль начинает играть объемный заряд, образующийся в газе в процессе формирования разряда. При этом основные процессы, обеспечивающие существование тлеющего разряда, происходят в катодных его частях и аналогичны лавинным процессам в таунсендовском разряде. Поэтому условие стационарности тлеющего разряда также можно описать соотношением (3), где под d следует понимать длину катодной области. Катодные области переходят в так называемый положительный столб (ПС), представляющий собой плазму с высокой проводимостью. По физике процессов эти области существенно различаются, и их роль в поддержании разряда различна.

Положительный столб играет просто роль проводника, как бы приближающего анод к той области разрядного промежутка, в которой заканчивается формирование электронной лавины. Поэтому при изменении длины разрядного промежутка происходит прежде всего простое сокращение либо увеличение длины положительного столба, в то время как катодные части не изменяют своей структуры.

Постоянство U_K объясняется тем, что в нормальном тлеющем разряде ток течет только через ограниченную часть поверхности катода, величина которой S определяется так называемой нормальной плотностью тока j_норм, которая является также характеристикой разряда, зависящей только от рода газа, его давления и от материала и от состояния катода. При увеличении силы тока Iпроисходит рост площади катодного пятна S согласно равенству

I = j _норм S (4)

при j _норм ≈ соnst. После того как в процессе увеличения силы разрядного тока величина I/j_норм станет равной площади катода, наступает переход к аномальному тлеющему разряду с характерной для него возрастающей вольтамперной характеристикой. В аномальном тлеющем разряде величина U_K уже не постоянна, а растет с увеличением силы разрядного тока.

Величина нормального катодного падения потенциала определяется экспериментально методом так называемого затрудненного разряда. Суть этого метода заключается в следующем. Поддерживая постоянной силу разрядного тока (это достигается изменением сопротивления во внешней цепи разряда), приближают постепенно анод к катоду и снимают зависимость напряжения горения разряда U от расстояния между анодом и катодом l. При этом величина U сначала постепенно уменьшается за счет уменьшения длины положительного столба. Начиная с некоторого расстояния, при котором положительного столба больше нет, уменьшение напряжения сначала идет быстрее, а затем в некотором узком интервале изменения l оно практически не изменяется. При дальнейшем уменьшении расстояния между анодом и катодом мы вступаем в область катодного падения, и для поддержания разряда при заданной силе тока требуется быстрый рост напряжения. Причину такого роста легко понять из соотношения (3), из которого следует, что уменьшение d может компенсироваться только ростом напряжения, а это возможно только за счет увеличения напряженности электрического поля в катодной области, т.е. за счет роста U_К, Значение l, при котором происходит резкое возрастание напряжения на разрядной трубке, определяет длину катодного падения потенциала d, a U(d) = U_K.

Тлеющее свечение в основном вызывается обратным воссоединением (рекомбинацией) электронов и ионов в нейтральные атомы или молекулы. Тлеющее свечение имеет сплошной спектр. В положительном столбе наблюдается постоянная и большая концентрация электронов и положительных ионов (газоразрядная плазма), обусловленная ударной ионизацией молекул газа электронами. Падение потенциала в пределах положительного столба сравнительно невелико и при прочих равных условиях возрастает с уменьшением диаметра газоразрядной трубки. Свечение положительного столба, определяющее оптические свойства тлеющего разряда (ТР), связано с излучением возбужденных атомов (молекул) газа. Рекомбинация электронов и положительных ионов в основном происходит на стенках газоразрядной трубки и вызывает нагрев стенок. Положительный столб часто бывает слоистым, т.е. состоит из чередующихся светлых слоев (страт) и темных промежутков. Положительный столб по своей форме следует форме газоразрядной трубки независимо от формы и расположения катода и анода. Это связано с наличием поперечного (радиального) электрического поля, возникающего благодаря осаждению электронов на стенках трубки. При тлеющем разряде в достаточно коротких трубках или в широких сосудах светящийся положительный столб не наблюдается.

Основной областью тлеющего разряда, в которой происходят процессы объемной ионизации газа, необходимые для поддержания разряда, является область катодного темного пространства. Длиной l_К катодного темного пространства (рис.6) называют расстояние от катода до той точки разряда, в которой кривая φ = φ(l) (рис. 3.) имеет максимум, или точку перегиба. Тлеющий разряд может существовать лишь при условии, что расстояние между электродами d ³ l_К.

 

 

Рис.6.

Различают два режима ТР: нормальный, при котором плотность разрядного тока j не зависит от тока I, изменяемой с помощью внешнего нагрузочного сопротивления R_Б, и аномальный, при котором плотность тока j возрастает вместе с током I. В первом случае катод не полностью покрыт отрицательным свечением, во втором - полностью. В случае нормального тлеющего разряда l_К обратно пропорционально давлению газа, а DU _к зависит от рода газа, материала и состояния поверхности катода, возрастая с увеличением работы выхода электронов из катода A_вых. С увеличением тока падение потенциала в положительном столбе уменьшается. Поэтому вольтамперная характеристика нормального тлеющего разряда cлегка падающая, т.е. с увеличением тока напряжение на электродах уменьшается. При аномальном ТР с увеличением разрядного тока l_К уменьшается, a Uφ_К возрастает. Вольтамперная характеристика аномального тлеющего разряда возрастающая (рис.4).

Если давление в трубке с нормальным тлеющим разрядом достаточно мало, то катодное темное пространство почти полностью заполняет всю трубку. При этом пучок электронов движется от катода до стенок трубки практически свободно, т.е. не испытывая столкновений с молекулами газа. Такие пучки электронов навивают катодными лучами.

Каналовыми лучами называют пучки свободно движущихся положительных ионов. Они также могут быть получены с помощью ТР: если в катоде разрядной трубки сделать небольшое отверстие (канал), то положительные ионы, попадающие в этот канал, будут проходить через него в эвакуированное закатодное пространство в виде пучка каналовых лучей.

Тлеющий разряд можно возбудить в разреженном газе, заполняющем стеклянную трубку, пропустив сквозь него электрический ток. Для него характерно неравномерное распределение электрического потенциала вдоль длины трубки. Вблизи катода (электрода, несущего отрицательный потенциал) наблюдается быстрое нарастание потенциала. Действующее в этой области сильное электрическое поле ускоряет электроны, вылетевшие из катода, до энергии, достаточной для ионизации молекул газа. Если приложенное к трубке напряжение достаточно велико, то вторичные электроны вновь ускоряются электрическим полем и ионизуют другие молекулы. Положительно заряженныеионы, двигаясь к катоду, ускоряются электрическим полем и выбивают из катода новые электроны. Так поддерживается непрерывный самостоятельныйтлеющий разряд.