Газорозрядні прилади
Химия

Газорозрядні прилади


Газорозрядними називають електровакуумні прилади з електричним розрядом у газі чи парах. Конструктивно газорозрядні прилади являють собою систему електродів, поміщених у балон, заповнений інертним газом (аргон, неон, криптон), воднем або парами ртуті. Тиск газу в балоні становить від 10-1 до 103 Па.

Електричний розряд у газі

Розглянемо гіпотетичну модель, що складається із двох паралельних пластин, розташованих у балоні, наповненому інертним газом. До цих пластин через резистор Ra з великим опором підводиться напруга джерела живлення Eв.п (Рис. 10.29, а). Одну із пластин, до якої підключено негативний полюс джерела живлення, умовно назвемо катодом, іншу – анодом. Підвищуючи напругу джерела живлення Eв.п, спостерігатимемо, як змінюється струм iа та напруга між електродами uа.image039

Рис. 10.29

Якщо Eв.п = 0, то в розрядному проміжку між катодом та анодом існує невелика кількість вільних електронів та іонів, що виникли внаслідок зовнішньої іонізації газу світловим потоком, космічним випромінюванням та іншими впливами. Електрони та позитивні іони здійснюють безладний (тепловий) рух і, наближаючись один до одного, можуть з’єднуватися, утворюючи нейтральні атоми. Цей процес називається рекомбінацією. Процеси іонізації та рекомбінації перебувають у динамічному рівновазі, тому число електронів та іонів зберігається незмінним.

При збільшенні напруги Ев.п між електродами виникне електричне поле, під дією якого позитивні іони почнуть переміщатися до катода, а вільні електрони — до анода, тобто в розрядному проміжку, а отже, і у зовнішньому ланцюзі виникне незначний електричний струм. Поки що напруга Ев.п невелико, цей струм малий і не створює значного падіння напруги на резисторі Raтому можна вважати, що uа≈Ев.п. Залежність струму від напруги показано на рис. 10.29, б.

При малих значеннях uа Струм обумовлений носіями заряду, що виникли в результаті зовнішньої іонізації, і практично зберігається незмінним (ділянка А на рис. 10.29, б).

У міру збільшення напруги Ев.п зростає швидкість руху електронів та іонів, відповідно збільшується їхня кінетична енергія. Під час руху електронів до анода вони стикаються з атомами газу. При невеликій швидкості ці зіткнення є пружними, і величина енергії часток, що стикаються, не змінюється. За певної швидкості зіткнення стають непружними. Внаслідок таких зіткнень електрони атома можуть перейти на вищі енергетичні рівні, тобто відбувається збудження атома. Збуджений стан атома триває від 10-7 до 10-9 з, після чого електрон повертається на вихідний енергетичний рівень, випромінюючи квант енергії випромінювання. При незначній кількості зіткнень світіння газу непомітно. При досить велику швидкість електронів відбувається відділення електронів від атомів, у результаті утворюються нові вільні електрони і позитивні іони. Електрони, що утворилися, рухаючись до анода, здійснюють нові іонізації, а іони переміщуються до катода і вибивають з нього вторинні електрони, які, рухаючись до анода, також здійснюють нові іонізації і т. д. Внаслідок цього відбувається розмноження носіїв заряду і збільшення струму (ділянка АВ на рис.10.29, б).

Процес утворення нових електронів та іонів в результаті зіткнень з атомами газу називається об’ємною іонізацією газу та оцінюється коефіцієнтом об’ємної іонізації а, який показує, яка кількість іонізації здійснює один електрон на шляху довжиною в 1 см. Кількість електронів, що вибиваються з катода, оцінюється коефіцієнтом вторинної електронної емісії. Кожен електрон, проходячи від катода до анода шлях довжиною rдо-а, здійснює αrдо-а іонізації, а кількість електронів, що потрапляють на анод при виході з катода одного електрона, виявляється рівним ехр(αrдо-а). Якщо з катода в одиницю часу виходить N0 електронів, створених зовнішньою іонізацією, то анод в результаті розмноження потрапляє N0exp(αrдо-а) електронів. Число іонів, що утворюються при об’ємній іонізації, дорівнює N0[exp(αrк-а)-l], А число електронів, що вибиваються з катода — σN0[exp(αrк-а)-l], де σ — коефіцієнт вторинної електронної емісії Поки кількість вторинних електронів, що вибиваються з катода, менша за кількість електронів, створених зовнішньою іонізацією, розряд є несамостійним, тобто залежить від зовнішньої іонізації. У разі припинення зовнішньої іонізації розряд припиняється. За деякої величини Uз, званої напругою запалювання, кожен електрон, вибитий з катода, створює своєму шляху до анода стільки електронів, скільки необхідно для вибивання нового електрона. І тут розряд стає самостійним, тобто може існувати незалежно від зовнішнього джерела іонізації. Після настання самостійного розряду (точка У) настає лавиноподібне збільшення кількості носіїв заряду, і струм різко зростає. Однак зростання струму обмежується резистором R, на якому у міру зростання струму зростає падіння напруги і відповідно знижується напруга Ua. Величина цієї напруги мимоволі встановлюється такою, щоб у процесі іонізації створювалося необхідне отримання заданого струму кількість носіїв заряду, тобто різниця потенціалів між електродами іонного приладу залежить від стану іонізованого газу. У зв’язку з цим доцільно розглянути залежність напруги струму (рис. 10.29, в).

Область ПС на рис. 10.29 називається областю темного самостійного розряду. Електричне поле в цій області створюється в основному зарядами на електродах, просторовий заряд нехтує малим і розподіл потенціалу між катодом і анодом близько до лінійного. У міру зростання струму збільшується об’ємний заряд і поле спотворюється. У катода накопичується велика кількість іонів, тому можна вважати, що практично вся прикладена напруга падає у вузькій області поблизу катода, що називається областю катодного падіння напруги (рис. 10.30).

image040

Рис. 10.30

Область розряду з майже незмінним потенціалом зветься позитивного стовпа. Електрони прискорюються у сфері катодного падіння напруги, тому й відбувається основна іонізація. Інтенсивність іонізації у цій галузі більше початкової, тому напруга, у якому підтримується розряд, зі зростанням струму знижується. У точці З настає тліючий розряд, відмінною особливістю якого є світіння газу, що нагадує світіння тліючого вугілля. Цей розряд буває трьох видів: піднормальний, нормальний та аномальний.

Піднормальний тліючий розряд (ділянка CD на рис. 10.29, в) характеризується зменшенням напруги, при якому підтримується розряд зі збільшенням струму, та шнуруванням (стягуванням) розряду. Шнурування обумовлено тим, що зі зростанням струму звужується область катодного падіння напруги. Вона стає настільки вузькою, що починають позначатися шорсткості поверхні катода, у результаті з’являються локальні ділянки, у яких напруженість поля виявляється вищої. Тому на цих ділянках іонізація зростає, що призводить, як зазначено раніше, до зниження напруги, внаслідок чого тих ділянках, де напруженість поля нижча, розряд припиняється. Чим більший струм, тим менша область, охоплена іонізацією.

Процес шнурування відбувається до того часу, поки область катодного падіння напруги стане настільки вузькою, що електрони виявляться нездатними створити необхідну кількість іонів, необхідне вибивання нових електронів на зміну які пішли. Тому подальше зростання струму стає можливим лише зі збільшенням поверхні катода, охопленої іонізацією. Настає область нормального тліючого розряду (Дільниця DE на рис. 10.29, в). Після того, як вся поверхня катода виявиться охопленою іонізацією, для збільшення струму потрібні додаткові носії заряду, виникнення яких можливе зі збільшенням напруги. Такий розряд (область EF на рис. 10.29, в) називається аномальним розрядом, що тліє.

Збільшення напруги на іонному приладі, що працює в режимі аномального розряду, що тліє, веде до збільшення інтенсивності бомбардування катода іонами, в результаті чого на поверхні катода виникає термоелектронна емісія. Крім того, іони, перебуваючи дуже близько до поверхні катода, створюють сильне електричне поле, що викликає електростатичну емісію. Тому число електронів у приладі різко збільшується, їх об’ємний заряд компенсує позитивний об’ємний заряд іонів і напруга на приладі зменшується (частина FG на рис. 10.29 в) настає дуговий розряд. Зменшення напруги супроводжується шнуруванням розряду і утворенням катодної плями, що яскраво світиться. Шнурування триває до того часу, поки напруга досягне величини, що дорівнює 10-20 У, необхідної підтримки емісії електронів. Подальше збільшення струму (ділянка GH) відбувається за рахунок розширення області, охопленої електронною емісією.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *