Название: Исследование тлеющего разряда - (автор неизвестен)

Жанр: Технические

Просмотров: 1093


Исследование тлеющего разряда

 

Цель работы: изучение условий возбуждения и основных характеристик тлеющего разряда

 

Тлеющим разрядом называется самостоятельный разряд постоянного тока с холодным катодом, отличительным признаком которого является большое падение потенциала (100 - 400 В) в слое положительного пространственного заряда у поверхности катода (катодное падение). Возникающее в слое сильное электрическое поле поддерживает вторичную электронную эмиссию на катоде, что и обеспечивает существование тлеющего разряда.

Тлеющий разряд в трубках радиусом несколько сантиметров, длиной (0.1-1)м и давлениях (1 - 1000)Па горит при токе разряда (10-4–10-1)А и падении напряжения в разряде (100-1000)В.

 

Вольт-амперная характеристика разряда.

На рис.1 изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) электрического разряда в газе. Участок «оа» на вольт-амперной характеристике соответствует несамостоятельному разряду (токи 10-9-10-8 А). Начальный участок ВАХ (10-12-10-9 А) обусловлен внешней ионизацией и характеризуется отсутствием пространственного заряда между электро-

 

Рис.1. Типичная вольт - амперная характеристика

электрического разряда в газе

 

дами. С ростом напряжения появляются поверхностная (вторичная электронная эмиссия на катоде) и объемная ионизация, совместное действие которых приводит к лавинному нарастанию тока и возникновению пробоя разрядного промежутка. На участке «ав» разряд переходит в самостоятельный, оставаясь темным. При дальнейшем увеличении тока возникает тлеющий разряд – участок «се». Горизонтальный участок «сd» соответствует нормальному тлеющему разряду, а «de» - аномальному. Особенностью нормального разряда является постоянство плотности тока и падения напряжения на катоде при увеличении тока разряда. Рост тока происходит в результате увеличения эмиттирующей поверхности катода. При изменении тока можно наблюдать, как светящееся пятно на поверхности катода расширяется или сокращается. Когда свечение покрывает весь катод, для увеличения тока необходимо повышать напряжение, чтобы увеличивалась поверхностная и объемная ионизация. Это соответствует переходу к аномальному разряду.

При токах от единиц до сотен ампер происходит разогрев катода. Термоэмиссия намного превосходит вторичную электронную эмиссию и возникает дуговой разряд (участок «fg»).

На переходных участках «вс» и «ef» разряд не устойчивый, трудно фиксируемый, что сопровождается появлением на ВАХ участков с отрицательным сопротивлением – dU/dI<0.

На размер характерных участков ВАХ сильно влияет давление и состав газовой атмосферы. Для большинства газов чем выше давление, тем шире область существования нормального разряда и уже участок темного таунсендовского разряда (ав).

 

Структура и внешний вид разряда.

Существует большое разнообразие тлеющих разрядов, отличающихся по внешнему виду в зависимости от природы газа, давления, размеров разрядного промежутка, формы, размеров и материала электродов, а также расстояния между ними. В то же время для тлеющего разряда специфична картина его свечения с последовательным чередованием темных и светлых полос. Области разряда расположены одна за другой в направлении от катода к аноду (рис.2). Длина характерных катодных и анодных областей пропорциональна длине свободного пробега электрона, так как все процессы в них связаны со столкновениями.

Рис.2. Структура тлеющего разряда.

 а – картина свечения разряда; б – распределение яркости свечения разряда по длине трубки; в,г,д – соответственно распределение потенциала, напряженности поля и плотности объемного заряда по длине разрядного промежутка.

 

Физика явлений, проходящих в различных областях тлеющего разряда, может быть качественно описана следующим образом.

1.             К катоду примыкает тонкая темная область – астоново пространство, в которой электроны, выбитые ионами из катода, обладают ещё малыми скоростями и участвуют лишь в упругих соударениях с атомами газа. Так что в этой области атомы находятся в невозбужденном состоянии и свечение газа отсутствует.

Ускоряясь в сильном электрическом поле, электроны набирают энергию, достаточную для возбуждения атомов газа, и возникает новая область – первое катодное свечение.

Когда электроны набирают энергию, достаточную для ионизации атомов газа, число актов возбуждения резко сокращается и интенсивность свечения уменьшается, образуется темное круксово пространство. К концу катодного слоя возникает большой поток электронов, причем, в силу лавинообразного характера размножения, большинство электронов рождается именно в конце слоя, где поле уже ослабевает. Энергия этих электронов мала и находится в области максимума функции возбуждения. Рождающиеся ионы движутся гораздо медленнее электронов и в области преобладает положительный объемный.

Развивающиеся электронные лавины создают на границе между участками 3-4 высокую степень ионизации газа, поэтому проводимость последующих областей разряда значительно выше, а изменение потенциала в них невелико. Заряды двигаются в сторону анода практически в режиме диффузии. Средняя энергия электронов уменьшается, что приводит к снижению вероятности ионизации и увеличению вероятности возбуждения атомов и рекомбинации заряженных частиц. С удалением от катода процессы снижают свою интенсивность, и свечение постепенно ослабевает. Область называется отрицательным или тлеющим свечением. При низких давлениях (~ 1Па) это свечение может занимать все дальнейшее пространство до анода. От нее разряд и получил свое название тлеющего.

Со стороны катода область имеет резкую границу с максимумом интенсивности излучения, причем сначала появляются коротковолновые линии излучения, а потом - более низкоэнергетичные, в порядке обратном первому катодному свечению.

В результате неупругих соударений энергия электронов уменьшается настолько, что они становятся способными совершать лишь упругие столкновения. Интенсивность свечения падает, и формируется фарадеево темное пространство. Электрическое поле постепенно нарастает, электроны набирают энергию и приобретают способность ионизировать атомы газа.

Большая часть объема разряда может быть занята столбом разряда – участком слабоионизированной неравновесной плазмы. На этом участке самопроизвольно устанавливаются такие значения параметров плазмы (напряженность поля, температура и концентрация электронов), которые обеспечивают замыкание цепи электрического тока между катодной и анодной областями разряда. По длине столба параметры плазмы и интенсивность свечения сохраняются обычно постоянными. Иногда в столбе возникает слоистая структура (страты), вызванная продольной ионизационной неустойчивостью в плазме.

7,8.          Вблизи анода равновесие зарядов вновь нарушается за счет направленного движения электронов к аноду, а ионов в сторону катода. Образуется область отрицательного пространственного заряда и повышенного поля, ускоряющего электроны. Это приводит к появлению анодного свечения. Знак анодного падения напряжения зависит от размеров анода и может быть положительным, отрицательным и равным 0.

Цвет свечения различных областей разряда отличается, так как различны энергии электронов. В гелии первое катодное свечение красное, отрицательное свечение зеленое, положительный столб красно-фиолетовый; в неоне соответственно желтое, оранжевое, красный; в азоте - розовое, голубое, красный. В длинных трубках при не очень низких давлениях наблюдается в основном положительный столб.

При повышении давления все слои сжимаются и стягиваются к катоду. Если сближать электроды при постоянном давлении, то сокращается сначала положительный столб, затем фарадеево темное пространство, потом отрицательное свечение. С удалением отрицательного свечения тлеющий разряд переходит в затрудненный, для поддержания которого требуются повышенные напряжения.

Из-за присутствия поперечного электрического поля в области положительного столба, эквипотенциальные поверхности там выпуклы и обращены выпуклостью в сторону катода. Так выглядят граница между положительным столбом и фарадеевым пространством. Границы слоя отрицательного свечения обычно плоские.

Области разряда 1 - 3 ограничивают катодное падение потенциала, области 7 и 8 –анодное. В промежуточных областях 4,5 осуществляется переход от катодного слоя к положительному столбу. Участок 6 является областью анодного плазменного столба. Для поддержания тлеющего разряда наиболее необходимы его катодные области (с1 по 3), обеспечивающие условия зарождения и нормального протекания процесса лавинной ионизации газа. Столб разряда лишь соединяет катодные части разряда с анодом. Поэтому столб в разряде может отсутствовать, если анод расположить на границе катодной области.

Каждая область разряда характеризуется своим падением потенциала:Uk – катодное падение потенциала; Ua – анодное падение потенциала; Ucm=Elcm (E –продольная напряженность электрического поля в столбе, lcm – длина положительного столба).

Падение напряжения в разряде – Up, или напряжение горения разряда, равно сумме падений напряжений на отдельных его участках Up=Uk+Ua+Ucm. Основное падение напряжения происходит в катодных областях, так как именно здесь формируется разряд.