Лекция 9 (Лекции по вакуумной и плазменной электронике), страница 4

9.5 Картина тлеющего разряда в трубке и распределения интенсивности свечения J,потенциала φ, продольного поля E, плотностей электронного и ионного токов je, j+ и зарядов ne, n+,объёмного заряда ρ = e(ne – n+)Изменение условийПри повышении давления все слои сжимаются и стягиваются к катоду.

При p ~ 100 торркажется, будто горит сам катод, хотя это – отрицательное (тлеющее) свечение газа. Различаетсяболее протяжённое тёмное фарадеево пространство, вся остальная часть трубки или канала занятаположительным столбом. При повышенных давлениях столб сжимается к оси, ни небольших –диффузно заполняет сечение трубки. Если сближать электроды при постоянном давлении,сокращается положительный столб. Промежуточные области между столбом и катодом (ихназывают отрицательными) до поры до времени остаются неизменными.

Они перемещаютсявместе с катодом, если сдвигать именно этот электрод.Более того, если в широком сосуде с закреплённым анодом поворачивать катодный диск,все отрицательные слои поворачиваются вместе с ним, как будто они приклеены к егоповерхности, а положительный столб искривляется, чтобы достичь анода. Так же получается и всосудах сложной конфигурации. Отрицательные слои «приклеены» к поверхности катода, аположительный столб находит себе путь, чтобы соединить конец фарадеева пространства санодом.

По мере сближения электродов, после столба «съедается» сначала фарадеевопространство, потом отрицательное свечение. Когда не остаётся места хотя бы для катодного крайпоследнего, разряд гаснет. Для поддержания его нужно повышать напряжение. Такой разрядназывается затруднённым.Качественная интерпретация картины свеченияИз катода электроны вылетают с энергией порядка 1 эВ. Они не в состоянии возбуждатьатомы. Так появляется тёмное астоново пространство.

Ускоряясь в поле, электроны приобретаютэнергию, достаточную для возбуждения – возникает катодное свечение. Появляются даже два-трислоя катодного свечения. Они соответствуют возбуждению различных уровней атомов, ближе ккатоду – более низких, дальше – более высоких.

Цвета таких слоёв различны. Потом энергияускоряемых электронов «переваливает» максимумы функций возбуждения, где сечения падают,электроны перестают возбуждать атомы – образуется тёмное катодное пространство. Здесьэлектроны преимущественно ионизуют атомы, и происходит основное их размножение.Рождающиеся ионы движутся в поле гораздо медленнее, и накапливается большойположительный объёмный заряд.

Ток переносится в основном ионами.К концу катодного слоя нарождается большой поток электронов, причём в силулавинообразного характера размножения большинство электронов рождается именно в концеслоя, где поле уже не столь сильно и ослабевает. Энергии этих электронов не слишком велики инаходятся в области максимумов функций возбуждения. Появляется отрицательное свечение.Если вблизи катода энергия электронов нарастает по мере удаления от катода и сначалапоявляются легко возбуждающиеся спектральные линии (первое, второе катодные свечение), то закатодным слоем энергии электронов, напротив, уменьшаются при удалении от катода.

Вотрицательном свечении сначала появляются те линии, которые излучаются с более высокихуровней атомов, а потом – с более низких, в порядке, обратном катодному свечению (привилоЗеелигера). По мере того, как электроны растрачивают свою энергию, акты возбужденияпроисходят всё реже и реже, ибо новой энергии в слабом поле электроны не приобретают.Отрицательное свечение переходит в тёмное фарадеево пространство.В области отрицательного свечения имеются электроны не только умеренных энергий, хотяих большинство. Сюда попадают и энергичные электроны, которые родились в глубине катодногослоя и у катода, и прошли зону катодного падения, не совершив многих неупругих столкновений.Они ионизуют атомы, и благодаря этому за катодным слоем получается повышенная плотностьэлектронов, больше, чем в положительном столбе.В фарадеевом пространстве продольное поле постепенно нарастает до значения,свойственного положительному столбу.

В столбе устанавливается характерное для неравновеснойслабоионизованной плазмы хаотическое распределение электронов по скоростям, в котороевносит небольшую асимметрию дрейф к аноду. Средняя энергия электронного спектра вположительном столбе составляет 1…2 эВ. Но в спектре имеется и некоторое число энергичныхэлектронов. Они возбуждают атомы и обуславливают свечение столба. Анод ионы отталкивает, аэлектроны из столба вытягивает. Образуется область отрицательного объёмного заряда иповышенного поля, ускоряющего электроны. Это приводит к анодному свечению.Вольтамперная характеристика разряда между электродамиПо достижении на электродах пробивающего напряжения U = Ut (рис.

9.6) в газезажигается самостоятельный разряд. При этом напряжении ток устремляется к бесконечности. Вреальной цепи, помимо разрядного промежутка, всегда имеется омическое сопротивление Ω(специально включённое, сопротивление проводов, источник питания). Это ставит абсолютныйпредел достижимому току при заданной электродвижущей силе источника ζ. Поскольку масштабразрядного тока во много определяет сам тип разряда, ибо с величиной тока связана степеньионизации газа, от сопротивления Ω зависит, какой тип разряда загорится после пробоя.Рис. 9.6 ВАХ разряда между электродами в широком диапазоне токов и нагрузочная прямая:А – область несамостоятельного разряда, ВС – тёмный таунсендовский разряд, DE – нормальныйтлеющий разряд, EF – аномальный тлеющий разряд, FG – переход в дугу, GH – дугаНагрузочная прямаяЭлектрическое уравнение замкнутой цепи, включающей разрядный промежуток, имеет видζ = U + iΩ .На графике (рис.

9.6) это уравнение изображается прямой линией, которая называетсянагрузочной прямой. Она падает тем круче, чем больше внешнее сопротивление, и отсекает на осиабсцисс значение предельного тока ζ/Ω. Реализуются те значения тока и напряжения, которымотвечает пересечение нагрузочной прямой и ВАХ.Тёмный таунсендовский разрядДопустим, что сопротивление Ω столь велико, что цепь в состоянии пропустить лишьисключительно слабый ток. Плотности ne, n+ при этом ничтожны и пространственный заряд стольмал, что не искажает внешнего поля.

Так, если расстояние между плоскими электродами d мало посравнению с их поперечными размерами, поле E(x) ≈ const = U/d, как и в отсутствие ионизации.Для поддержания такого самостоятельного разряда к электродам должно быть приложенонапряжение, равное потенциалу зажигания Vt. Именно оно обеспечивает стационарноевоспроизводство электронов вылетающих с катода и вытягиваемых на анод.

Пока поле E(x) независит от плотностей зарядов (от тока), ВАХ разряда есть U(i) = const = Ut. (участок ВС нарис. 9.). Такой самостоятельный разряд действительно наблюдается на опыте, в обычных трубках– при токах i ≈ 10-10…10-5 А. Он называется тёмным таунсендовским. Из-за чрезвычайноймалости ионизации газ совсем не светится. Ток регистрируется лишь высокочувствительнымиприборами.Главное отличие тлеющего разряда, в котором ток имеет умеренную силу, от тёмного, гдеток исключительно мал, состоит в резко неравномерном распределении приложенной кэлектродам разности потенциалов по длине промежутка.На большей части промежутка, начиная от катода, ионный ток значительно превышаетэлектронный (рис.

9.6). В подавляющей части промежутка n+ >> ne.Рис. 9.6 Распределения плотностей электронного и ионного токов (а) и зарядов (б), когда поле впромежутке не искажено действием пространственного зарядаВ тёмном разряде практически всё пространство заряжено положительно, но объёмныйзаряд мал в силу малости j и n+. Величины эти произвольны, они определяются током, которыйможет пропустить цепь, и площадью электродов.Предельный ток существования тёмного разрядаПри столь слабых токах, что искажение поля мало, поле у катода Eк, как, впрочем, и вежде,близко к невозмущённому полю Et, которое пробивает данный промежуток.

По мере возрастаниятока значение Eк всё сильнее отклоняется от Et, но пока l > d, оно сохраняет тот же порядок.Поэтому в выражении для jd, которое соответствует предельному условию l = d, можно для оценкиподставить Et вместо Eк. плотность тока, при которой происходит существенная перестройка поляи структуры разряда и которая знаменует начало перехода от тёмного разряда к тлеющему,определяется формулой2E µ + p t 2jd p  = µ + pU t≈8πpLp28π ( pL) 3Нормальный тлеющий разрядПри пробое после перехода от тёмного разряда к тлеющему на катоде загорается область,занимающая лишь часть его площади (пятно).

По мере возрастания тока площадь пятнаувеличивается, пока не сравняется с площадью всего катода. Напряжение постоянно, так же, как иплотность тока. Возрастание величины тока происходит за счёт увеличения площади пятна.Аномальный разрядКогда заполняется весь катод, дальнейшее увеличение тока сопровождается ростом егоплотности на катоде по сравнению с нормальной. При увеличении плотности тока толщинакатодного слоя асимптотически уменьшается до конечного значения e-1 = 0,37. При реальныхплотностях тока 10…102, соответствующих катодному падению порядка 10 кВ, катод сильноразогревается и происходит переход в дугу.Поднормальный разрядЭто переходная область между тлеющим и тёмным разрядами (но более близкая кнормальному), соответствует столь слабым токам, что размеры «квазинормального» катодногопятна оказываются сравнимыми с толщиной катодного слоя.

Уход зарядов в боковом направленииухудшает условия для размножения, и необходимое для самоподдержания разряда напряжение наслое оказывается повышенным по сравнению с нормальным.Затруднённый разрядОн возникает при малых межэлектродных расстояниях d и очень низких давлениях, когдазначение pd оказывается меньше толщины нормального слоя (pd)н. Такие условия отвечают левойветви кривой Пашена, где U > Umin. Для «нормального» размножения не хватает места, иприходится повышать напряжение по сравнению с нормальным.

Если этого не сделать, разрядгаснет..