Лекция 9 (Лекции по вакуумной и плазменной электронике), страница 3

Его статическая вольтампернаяхарактеристика изображена на рис. 9.2. статическая – означает отвечающая установившемуся,стационарному состоянию. Предполагается, что напряжение мы повышаем настолько медленно,что при каждом его значении успевает установиться стационарное состояние.Рис. 9.2. ВАХ несамостоятельного разряда между плоскими электродамиПри ещё больших напряжениях начинается ионизация молекул электронным ударом, чтоприводит к усилению тока, происходящего от внешних источников.

Пусть для определённостикатод освещается внешним ультрафиолетовым излучением лампы, что создаёт фототок i0.Электронных ток на аноде и ток i в цепи возрастают по сравнению с током электронов,вылетающих с катода, в eαd раз, где α – ионизационный коэффициент Таунсенда:i = i0eαd.Полный ток на катоде в стационарном состоянии также равен i.

Он складывается из токаэлектронов i0 и тока ионов, рождающихся в ходе ионизации и вытягиваемых полем на катод:i0(eαd – 1).Вертикально растущая ВАХ становится более пологой. При дальнейшем повышениинапряжения вступают в игру вторичные процессы – рождение электронов под действием техчастиц, которые появляются в результате первичного процесса ионизации газа электронами.Особенно активно влияют вторичные процессы на усиление, если приводя к эмиссии электронов скатода. Эмитированный электрон проходит весь путь от катода до анода и потому производитбольше ионизаций, чем рождённый «на полпути».

С учётом вторичной эмиссии стационарныйразрядный ток определяется формулойi0 e αdi=,1 − γ (eαd − 1)где γ – эффективный коэффициент вторичной эмиссии с катода, которая происходит поддействием положительных ионов, фотонов и метастабильных атомов, рождающихся в газе врезультате ионизации и возбуждения атомов электронами.

Ток по-прежнему остаётсянесамостоятельным, пока знаменатель положителен. Он нарастает с U ещё круче, чем в областипростого усиления, благодаря уменьшению знаменателя, равного единице при небольшихкоэффициентах усиления αd.Условие зажигания самостоятельного разрядаЕсли подать на электроды такое напряжение U > Ut, при котором коэффициентвоспроизводства µ = γ [exp(αd ) − 1] > 1 и знаменатель в предыдущей формуле отрицателен,формула не имеет физического смысла. Это значит, что при таком напряжении ток не может бытьстационарным. С другой стороны, при U < Ut, когда µ < 1, течёт стационарный несамостоятельныйток. Условие перехода µ = 1, или1 1 − γ (eαd − 1) = −1 ,αd = ln + 1 ,γэквивалентно условию протекания стационарного самостоятельного тока в однородном полеEt = Ut/d,где соответствующее напряжение Ut определяется согласно условиям перехода µ = 1.В самом деле, формально при U = Ut0i = ≠ 0,0когда i0 = 0, т.е. ток течёт даже в отсутствие постороннего источника электронов.

Процессы вразрядном промежутке при этом сами без посторонней помощи обеспечивают воспроизводствоэлектронов, устраняемых полем. От одного электрона, вылетевшего с катода, рождается eαd–1ионов, и, приблизившись к катоду, каждый вырывает γ электронов (если эмиссия ионноэлектронная). На смену одному первичному появляется один вторичный (µ = γ(eαd–1) = 1) и т.д.Переход несамостоятельного разряда в самостоятельный в то же время можно рассматривать и какнаступление пробоя. Условие γ(eαd–1) = 1 через известные функцию α(E) и γ определяетпробивное напряжение Ut в зависимости от длины промежутка d.

Для зажигания самостоятельногоразряда электрон должен совершить на длине промежуткаαdln≈1γln 2 ln 2актов размножения; 3…10 актов, если γ ≈ 10-1…10-3.Потенциал зажиганияТак называемое пробивающее напряжение Ut называется потенциалом зажигания. Этавеличина и соответствующее поле пробоя Et зависят от рода газа, материала катода, давления идлины разрядного промежутка.

Подставляя эмпирическое выражениеα = Ape−BpEв условие перехода разряда из самостоятельного в несамостоятельныйµ = γ(eαd–1) = 1,получимEB( pd )BAUt =, t =, C = ln.C + ln( pd ) p C + ln( pd ) 1ln1 +  γПотенциал зажигания Ut и Et/p определяются только произведением pd.Экспериментальные зависимости Ut(pd) – так называемые кривые Пашена (рис. 9.3 и 9.4).Существует минимальное напряжение пробоя разрядного промежутка. Параметры точкиминимума таковы ( e = 2,72 ):e  1 EeB  1 ln1 +  ,   = B , U min =ln1 +  .A  γ   p  minA  γ Значение E/p в минимуме соответствует точке Столетова, где ионизационная способностьэлектрона η = α / E = A / Be максимальна.

Промежуток пробивается при этом легче всего, потомучто оптимальны условия для размножения. В отличие от Umin и (pd)min величина (E/p)min не зависитот материала катода (от γ).( pd ) min =Рис. 9.3. Потенциал зажигания в различных газах в широком диапазоне значений pd(кривые Пашена)Рис. 9.4. Кривые Пашена в укрупнённом масштабеУ инертных газов (pd)min больше, а Umin меньше.В области относительно больших pd, на правой ветви кривой Пашена пороговая величинаEt/p довольно медленно, по логарифмическому закону уменьшается с ростом pd. Соответственнонапряжение пробоя возрастает почти пропорционально pd (немного медленнее).

Такое поведениепороговых величин объясняется тем, что в случае повышенных давлений, длинных промежутковэлектрон имеет возможность совершить много ионизующих столкновений даже при не оченьвысоких E/p. Но в этом случае α резко зависит от E/p и условие необходимого усиленияγ(eαd–1) = 1довольно жёстко фиксирует значения E/p.Напротив, при малых pd, на левой ветви возможностей для столкновения мало. Длядостижения должного усиления требуется очень большая величина α/p, т.е.

очень сильное поле.Напряжение пробоя быстро растёт с уменьшением pd. Отсюда и минимум напряжения. В силуограниченности эффективного сечения ионизации, ионизационный коэффициент также ограничен(величиной Ap). Поэтому в случае достаточно малых pd ни при каких полях не может бытьобеспечено нужное усиление. В рамках данного приближения U t → ∞ , когда pd сверхууменьшается до предельного значения:1  1  ( pd ) min( pd ) пред = ln1 +  =.A  γeРеальное нарастание Et/p и Ut на левых ветвях кривых Пашена происходит медленнее, и,естественно, не до бесконечности. «Левее» левых ветвей вступают в действие совершенно иныемеханизмы.Пробой вакуумных промежутковПри pd < 10-3 торр·см электрон пролетает промежуток практически без столкновений, иникакого размножения в объёме нет.

Это не значит, однако, что вакуумный промежуток можетслужить идеальным изолятором. Если приложить большое напряжение к малому зазору,возникают сильные поля, которые могут вызвать автоэлектронную эмиссию с катода. Полядополнительно усиливаются вблизи микроскопических выступов. Более длинные промежуткипробиваются при полях, недостаточных даже для вырывания электронов из металла. Случайныйэлектрон разгоняется в поле, выбивает ион из анода или излучает при торможении рентгеновскийквант. Те, в свою очередь, вырывают электрон из катода и т.д. Так происходит размножение безучастия остаточного газа. Возможен также процесс, при котором под ударами разогнанных полемчастиц испаряются электроды и промежуток наполняется парами металла, от чего и происходитгазовое усиление.Стабильный тлеющий разрядОтличительные чертыТлеющий разряд – это самоподдерживающийся разряд с холодным катодом, испускающимэлектроны в результате вторичной эмиссии, главным образом под действием положительныхионов.

Его отличительным признаком является существование вблизи катода слоя определённойтолщины с большим положительным объёмным зарядом, сильным полем у поверхности изначительным падением потенциала: 100…400 В (и более). Оно называется катодным падением.Толщина слоя катодного падения обратно пропорциональна плотности (давлению) газа. Еслимежэлектродное расстояние достаточно велико, между катодным слоем и анодом образуетсяэлектронейтральная плазменная область, где поле относительно небольшое. Серединную,однородную её часть называют положительным столбом. От анода он отделяется анодным слоем.Положительный столб тлеющего разряда постоянного тока – наиболее ярко выраженный ираспространённый пример слабоионизованной неравновесной плазмы, которая поддерживаетсяэлектрическим полем. В отличие от катодного слоя, без которого тлеющий разряд существоватьне может, положительный столб не является его неотъемлемой частью если в результатеобразования катодного слоя промежуток между электродами оказывается исчерпанным, столбанет.

Но если не хватает расстояния на формирование должного катодного слоя, тлеющий разрядне загорается.Картина свеченияТлеющему разряду свойственно определённое чередование тёмных и светящихся слоёв,каждый из которых имеет своё собственное название. Наблюдать эту картину хорошо при низкихдавлениях, когда слои растянуты по длине трубки, - ведь все процессы в разряде связаны состолкновениями. расстояния от характерных точек до катода определяются числомукладывающихся на них длин пробега электронов l ~ 1/p. Поэтому координате x1 отвечаетопределённое значение px1. Слоистая картина растягивается на сантиметры при давлениях порядка10-1 торр. Такая картина схематично показана в верхней части рисунка 9.5.К катоду прилегает очень узкое тёмное астоново пространство.

Затем следует тонкийслой катодного свечения. После него идёт тёмное катодное пространство. Следующая за нимобласть отрицательного свечения резко отделена от тёмного катодного пространства. Внаправлении анода отрицательное свечение затухает и переходит в тёмное фарадеевопространство. За ним начинается светящийся положительный столб. Положительный столбиногда имеет правильную слоистую структуру – это так называемые страты, но стратыобразуются (или видны) далеко не всегда, и когда их нет, положительный столб светитсяоднородно вплоть до анодной области. Там он иногда сменяется небольшим тёмным аноднымпространством, а у поверхности анода видна узкая область анодного свечения.При низких давлениях (p ~ 10-2 торр) и не слишком больших расстояниях междуэлектродами для положительного столба места нет и видна в основном область отрицательного(тлеющего) свечения.

От неё разряд и получил своё название тлеющего (glow discharge).Положительный столб обычно менее яркий, чем отрицательное свечение, и имеет другой цвет. Вгелии катодное свечение – красное, отрицательное свечение – зелёное, положительный столб –красно-фиолетовый. В неоне соответственно – жёлтое, оранжевое, красный; в азоте – розовое,голубое, красный. Каждый газ имеет свои окраски, что связано с особенностями спектров. Вдлинных трубках при не чрезмерно низких давлениях виден в основном положительный столб. Оочень широких трубках или сферических сосудах положительный столб часто не виден.Рис.