Лекция 3 (Лекционный курс)

Лекция № 3Газовый разряд в вакуумеТермин «газовый разряд» происходит от обозначения процесса разрядки конденсаторачерез цепь, включающую в себя газовый промежуток между электродами. При достаточновысоком напряжении в газе происходит пробой и возникает ионизованное состояние. Со временемразрядом стали считать всякий процесс протекания электрического тока через ионизованный газ, атакже любой процесс возникновения ионизации под действием приложенного электрическогополя.

Поскольку в достаточной степени ионизованный газ светится, стали говорить: зажигаетсяразряд, горит, гаснет.Итак, современная физика газового разряда изучает процессы, связанные с протеканиемэлектрического тока в газах, с возникновением и поддержанием под действием поля самойспособности газа проводить электричество и поглощать электромагнитные излучения.Типичные разряды в постоянном электрическом полеС несколькими важнейшими видами разрядов можно познакомиться при помощи простогоэксперимента.

Два металлических электрода А (анод) и К (катод), подключаемых к источникупитания постоянного напряжения, вводят в стеклянную трубку (рис. 3.1). Трубку можнооткачивать и наполнять разными газами при разных давлениях. При проведении экспериментаизмеряют напряжение на электродах и ток в цепи.

Это классическое устройство уже 150 летслужит для изучения разрядных процессов, и не утратило своей актуальности до сих пор.Рис. 3.1 Газоразрядная трубкаЕсли подать на электроды небольшое напряжение в несколько десятков вольт, то никакихвидимых эффектов не произойдёт, но сверхчувствительные приборы зарегистрируют протеканиечрезвычайно малого тока порядка 10-15 А. Под действием космического излучения и естественнойрадиоактивности в газе образуются заряды. Поле вытягивает их к электродам противоположногознака, что даёт ток. Можно получить ток до 10-6 А, если специально облучать газ радиоактивнымили рентгеновским источником. Но всё равно соответствующая ионизация слишком мала, чтобыгаз светился.

Разряд и электрический ток, которые возникают только благодаря действиюпостороннего ионизующего агента или в результате эмиссии электронов или ионов с электродовпод действием посторонних причин (например, вследствие накаливания катода), называютнесамостоятельными. При увеличении напряжения несамостоятельный ток сначала возрастает,так как всё большую часть зарядов удаётся вытянуть на электроды до того, как онипрорекомбинируют. Но когда поле успевает вытягивать все образующиеся заряды, ток перестаётрасти и достигает насыщения, ибо он лимитируется скоростью образования ионов.Далее, если увеличивать напряжение, при некотором его значении ток резко возрастает ипоявляется свечение.

Это происходит пробой – один из важнейших разрядных процессов. Придавлении порядка 100 Па и межэлектродном расстоянии порядка 10 мм напряжение пробоясоставляет несколько сотен вольт. Пробой начинается с некоторого числа случайных илиискусственно введённых электронов (когда хотят стимулировать процесс). Но разряд немедленноприобретает самостоятельность и не нуждается больше в посторонней поддержке.

В полеэлектрон ускоряется и набирает энергию. Достигнув потенциала ионизации атомов (т.е. энергии,необходимой для удаления электрона от свободного атома в его низшем энергетическомсостоянии на бесконечность), он вырывает другой электрон, затрачивая на это приобретённуюэнергию. В результате такого акта ионизации появляются два медленных электрона.

Ониповторяют тот же цикл. Процесс происходит многократно. Так развивается электронная лавина ипроисходит размножение электронов. За 10-7…10-3 с газ ионизуется заметным образом, аэлектрический ток возрастает на несколько порядков.Дальнейший ход процесса зависит от ряда внешних условий. При небольших давлениях(порядка 10…1000 Па) и большом электрическом сопротивлении внешней цепи, которое непозволяет течь большому току, в результате пробоя зажигается тлеющий разряд – один изнаиболее распространённых и важных типов разряда.

Для него характерны небольшая сила тока(I ≈ 10-6…10-1 А в трубках радиусом R ≈ 10 мм) и довольно высокое напряжение (сотни и тысячивольт). В достаточно длинной трубке (например, порядка 300 мм) при давлении порядка 100 Паобразуется однородный по длине, светящийся столб (светящиеся неоновые трубки для рекламы).Практически повсюду, за исключением приэлектродных областей, ионизованный газ встолбе электронейтрален, т.е.

представляет собой плазму. Это так называемый положительныйстолб тлеющего разряда. Плазма в нём ионизована очень слабо, до степени ионизации(отношение числа ионов и числу нейтральных частиц в объёме 10-8…10-6), и в двух отношенияхявляется неравновесной. Электроны, непосредственно приобретающие энергию от поля, обладаютсредней энергией порядка 1 эВ и температурой Te ≈ 104 K. Между тем температура газа, в томчисле и ионов T не на много превышает температуру окружающей среды 300 K.

Такоенеравновесное состояние с сильным отрывом электронной и газовой температур поддерживаетсяиз-за малой скорости выделения газа и скорости его естественного охлаждения. Неравновеснойявляется и степень ионизации. Она на много порядков ниже термодинамически равновеснойвеличины, соответствующей температуре электронов. Это происходит из-за большой скоростигибели зарядов в холодном газе.Если давление газа высоко, порядка атмосферного, а сопротивление внешней цепи мало,вследствие чего цепь может пропустить сильный ток, вскоре после пробоя обычно зажигаетсядуговой разряд. Для дуги характерны сильный ток (I > 1 А), низкое напряжение (десятки вольт) иярко светящийся столб плазмы. В дуге выделяется большая мощность, стеклянная трубкадовольно быстро разрушается от перегрева.

Поэтому, зажигая дуговой разряд в замкнутом сосуде,нужно позаботиться об интенсивном отводе тепла от его стенок. Дугу часто зажигают прямо воткрытом пространстве. В дуге атмосферного давления обычно образуется термодинамическиравновесная, так называемая низкотемпературная плазма с Te ≈ T ≈ 104 K и соответствующейтаким температурам равновесной степенью ионизации 10-3…10-1. Дуговой разряд существенноотличается от тлеющего разряда механизмом электронной эмиссии с катода (без катоднойэмиссии не мог бы течь постоянный ток). В тлеющем разряде электроны вырываются споверхности холодного металла под действием вытягиваемых на катод положительных ионов(вторичная ионно-электронная эмиссия). В дуговом разряде из-за сильного тока катодразогревается либо по всей поверхности, либо локально, и происходит термоэлектронная эмиссия.При давлениях порядка атмосферного, расстояниях между электродами более 100 мм идостаточно высоких напряжениях происходит искровой разряд.

Пробой при этом осуществляетсяпутём быстрого прорастания плазменного канала от одного электрода к другому. Потомпроисходит как бы короткое замыкание электродов сильно ионизованным искровым каналом.Грандиозной формой искрового разряда является молния, для которой «электродами» служатзаряженное электрическое облако и земля.

В сильно неоднородных полях, недостаточных дляпробоя всего промежутка, может возникнуть коронный разряд. Светящаяся корона появляетсяоколо остриёв, где концентрируется поле, проводов, находящихся под напряжением, около линийэлектропередач.Классификация разрядных процессовРазряды в постоянном поле можно разделить на несамостоятельные и самостоятельные.Последние гораздо более распространены, разнообразнее и богаче физическими эффектами. Средистационарных или квазистационарных самостоятельных разрядов постоянного тока выделяютсятлеющие и дуговые.

Принципиально они различаются катодными процессами. К тлеющемуразряду относительно близок тёмный таунсендовский разряд. Ток в нём совсем слабый (катодхолодный). Отдельно стоит коронный разряд, тоже самостоятельный и слаботочный. Корона укатода имеет общие черты с тлеющим и тёмным разрядами. Среди быстротечных разрядоввыделяется искровой.Многие черты объёмных плазменных (т.е. неэлектродных) процессов, характерных дляпробоя в постоянном электрическом поле, для тлеющего и дугового разрядов, свойственныразрядам в быстропеременных полях, где присутствие электродов вообще не являетсяобязательным. Поэтому целесообразно провести также классификацию, минуя признаки,связанные с электродными эффектами. В основу классификации положим два признака: состояниеионизованного газа и частотный диапазон приложенного поля.По признаку состояния ионизованного газа будем различать:1.

пробой газа;2. поддержание полем неравновесной плазмы;3. поддержание полем равновесной плазмы.По признаку частоты будем различать:1. постоянные, низкочастотные и не слишком кратковременные импульсныеэлектрические поля;2. высокочастотные поля (радиочастотные, частоты f ≈ 105…108 Гц);3.

сверхвысокочастотные или микроволновые (частоты f ≈ 109…1011 Гц, длины волнλ ≈ 102…10-1 см);4. оптические (от далёкого ИК инфракрасного до ультрафиолетового).Поля каждого из диапазонов могут взаимодействовать с каждым из типов разряднойплазмы. Всего получается 12 вариантов. Все они реализуются на опыте, многие нашли широкоеприменение в физическом эксперименте и технике.