Содержание

Электрический разряд в газах

Газоразрядными (ионными) называют электровакуумные приборы с электрическим разрядом в газе или парах. Как правило, газ в таких приборах находится под пониженным давлением. Электрический разряд в газе — это совокупность явлений, сопровождающих прохождение электрического тока через газ (или пар). При таком разряде протекает несколько основных процессов.

Возбуждение атомов. При возбуждении атома под ударом электрона один из электронов атома переходит на более удаленную от ядра орбиту, т. е. на более

высокий энергетический уровень. Такое возбужденное состояние атома длится обычно 10^-7 —10^-9 с, после чего электрон возвращается на нормальную орбиту и при этом отдает в виде излучения энергию, которую атом получил при возбуждении от ударившего электрона. Излучение сопровождается свечением газа, если испускаемые лучи относятся к видимой части электромагнитного спектра.

Для того чтобы произошло возбуждение атома, ударяющий электрон должен иметь определенную энергию, так называемую энергию возбуждения.

Ионизация. Ионизация атомов (или молекул) газа происходит при энергии ударяющего электрона большей, чем энергия возбуждения. В результате ионизации из атома выбивается электрон. Следовательно, в пространстве будут два свободных электрона, а сам атом превратится в положительный ион. Если эти два свободных электрона при движении в ускоряющем поле наберут достаточную энергию, то каждый из них может ионизировать новый атом. Тогда свободных электронов будет уже четыре, а ионов — три. Эти электроны снова могут произвести ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное нарастание числа электронов и ионов.

Возможна также ступенчатая ионизация. От удара одного электрона атом переходит в возбужденное состояние и, не успев вернуться в нормальное состояние, ионизируется от удара второго электрона. Увеличение в газе числа заряженных частиц за счет ионизации называют электризацией газа.

Ниже приведены значения энергии возбуждения и ионизации (в электрон-вольтах) для некоторых газов:

Рекомбинация. Наряду с ионизацией в газе происходит и обратный процесс нейтрализации противоположных по знаку зарядов. Положительные ионы и электроны совершают в газе беспорядочное (тепловое) движение и, приближаясь друг к другу, могут соединиться, образуя нейтральный атом. Этому способствует взаимное притяжение разноименно заряженных частиц. Восстановление нейтральных атомов называют рекомбинацией. Полученный в результате рекомбинации нейтральный атом может снова ионизироваться, а затем его составные части — положительный ион и электрон опять могут рекомбинировать и т.д.

Рекомбинация приводит к уменьшению числа заряженных частиц, т.е. к деионизации газа. В зависимости от перевеса ионизации или рекомбинации соответственно увеличивается или уменьшается число заряженных частиц. В установившемся режиме число электронов (или ионов), врзникающих за 1 с вследствие ионизации, равно числу нейтральных атомов, получающихся за то же время в результате рекомбинации. При возникновении электрического разряда в газе ионизация имеет перевес над рекомбинацией. Наоборот, при уменьшении интенсивности электрического разряда рекомбинация имеет перевес над ионизацией. А с прекращением разряда ионизация исчезает, и вследствие рекомбинации восстанавливается нейтральное состояние газа.

Поскольку на ионизацию затрачивается энергия, то положительный ион и электрон, получившиеся после ионизации, имеют в сумме энергию большую, чем нейтральный атом. Поэтому рекомбинация сопровождается выделением лучистой энергии. Обычно при этом наблюдается свечение газа.

Для рекомбинации требуется некоторый промежуток времени, и поэтому деионизация в зависимости от рода газа и его давления совершается за 10^-5 — 10^-3 с, Таким образом, по сравнению с электронными газоразрядные приборы значительно более инерционны и, как правило, не могут работать на высоких частотах. Основная причина инерционности — именно малая Скорость деионизации (время возникновения разряда составляет 10^-7 — 10^-6 с, т.е. электризация происходит гораздо быстрее).

Виды электрических разрядов в газах. Различают самостоятельный и несамостоятельный разряд в газе. Самостоятельный разряд поддерживается под действием только электрического напряжения. Несамостоятельный разряд может существовать при условии, что помимо электрического напряжения действуют еще какие-либо внешние ионизирующие факторы. Ими могут быть лучи света, радиоактивное излучение, термоэлектронная эмиссия накаленного электрода и др. Рассмотрим основные виды электрических разрядов.

Темный, или тихий, разряд является несамостоятельным. Он характеризуется плотностью тока в единицы микроампер на квадратный сантиметр и весьма малой плотностью объемного заряда. Поле, созданное приложенным напряжением, при темном разряде практически не зависит от плотности объемного заряда, влиянием которого можно пренебречь. Свечение газа обычно незаметно. В газоразрядных приборах для радиоэлектроники темный разряд не используется, но он предшествует другим видам разряда.

Тлеющий разряд относится к самостоятельным. Для него характерно свечение газа, напоминающее свечение тлеющего угля. Плотность тока при этом достигает единиц и десятков миллиампер на квадратный сантиметр, и образуется объемный заряд, существенно влияющий на электрическое поле между электродами. Напряжение для тлеющего разряда составляет десятки или сотни вольт. Разряд поддерживается за счет электронной эмиссии катода под ударами ионов.

Основные приборы тлеющего разряда — стабилитроны (газоразрядные стабилизаторы напряжения), газосветные лампы, тиратроны тлеющего разряда, знаковые индикаторные лампы и декатроны (газоразрядные счетные приборы).

Дуговой разряд получается при плотности тока, значительно большей, чем в тлеющем разряде. К приборам несамостоятельного дугового разряда относятся газотроны и тиратроны с накаленным катодом. В ртутных вентилях (экситронах) и игнитронах, имеющих жидкий ртутный катод, а также в газовых разрядниках происходит самостоятельный дуговой разряд.

При дуговом разряде плотность тока может доходить до сотен ампер на квадратный сантиметр и объемный заряд сильно влияет на процессы в газе. Ток дугового разряда поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии накаленного твердого катода или электростатической эмиссии жидкого ртутного катода. При дуговом разряде почти все напряжение (10 — 20 В) сосредоточено около катода. Малое падение напряжения при большом токе — особенность дугового разряда. Этот разряд сопровождается интенсивным свечением газа. Дуговой разряд может быть не только при пониженном, но и при нормальном или повышенном давлении, например в киноаппаратах и прожекторах.

Искровой разряд имеет сходство с дуговым. Он представляет собой кратковременный (импульсный) электриче-кий разряд при сравнительно высоком давлении газа, например при нормальном атмосферном. Обычно в искре наблюдается ряд импульсных разрядов, следующих друг за другом. Искровой разряд используется в разрядниках, служащих для кратковременного замыкания тех или иных цепей.

Высокочастотные разряды могут возникать в газе под действием переменного электромагнитного поля даже при отсутствии токоподводящих электродов (безэлектродный разряд).

Коронный разряд является самостоятельным и используется в газоразрядных приборах для стабилизации напряжения. Он наблюдается при сравнительно больших давлениях газа в тех случаях, когда хотя бы один из электродов имеет очень малый радиус (острие, заостренный край, тонкая проволочка и др.). Тогда поле между электродами получается неоднородным и около заостренного электрода, называемого коронирующим, напряженность поля резко увеличивается. Коронный разряд возникает при напряжении в сотни или тысячи вольт и характеризуется малыми токами.

Разрядный промежуток при коронном разряде имеет две области: коронирующий слой около коронирующего электрода и остальную часть, называемую внешней областью. В коронирующем слое происходит возбуждение и ионизация атомов, а также свечение газа. Обычно коронирующим электродом является анод. На границе коронирующего слоя и внешней области возникают свободные электроны за счет ионизации газа световыми квантами (фотонами), источником которых служит коронирующий слой. Поток электронов движется к аноду и на своем пути возбуждает и ионизирует атомы.

Во внешней области, которая остается темной, ионизация и возбуждение атомов отсутствуют вследствие малой напряженности поля, а происходит лишь движение частиц, имеющих заряд того же знака, что и у коронирующего электрода. При коронирующем аноде во внешней области движутся положительные ионы.

Поскольку при коронном разряде возбуждение и ионизация охватывают только часть разрядного промежутка, этот разряд считают неполным пробоем газа (полным пробоем является искровой или дуговой разряд). При увеличении напряжения ток растет, коронирующий слой расширяется и разряд переходит в искровой, если давление газа значительно, или тлеющий, если давление низкое.

Информация

Продолжение