Электрический ток в газах и газовый разряд

Одним из основных методов создания ионизированного состояния (плазмы) является пропускание электрического тока через среду. Обычно процесс прохождения электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Газовый разряд С это процесс протекания электрического тока через газ. Различают несамостоятельные и самостоятельные разряды.

Несамостоятельный разряд возможен при инжекции электронов в разрядный промежуток (например, термоэмиссия с катода) или при ионизации газа каким- либо внешним источником. Несамостоятельные разряды используют довольно широко: это и ионизационные камеры технологического и дозиметрического назначения на атомных реакторах, газотроны в выпрямительных установках сетей питания постоянным током, плазмотроны с накаливаемым катодом и т.д. Физические процессы, протекающие в разных несамостоятельных разрядах, естественно, различаются, но не все они характерны для собственно газовых разрядов, как обычно понимают этот термин. В них с помощью электрического поля просто собирают образующиеся в объеме заряды (что вообще-то не совсем "просто"!), в пропорциональных счетчиках используют ограниченное образование электронных лавин, в гейгеровских счетчиках происходит коронный разряд, в газотронах и тиратронах «обходят» закон «3/2», как бы приближая анод к катоду, в дуговых лампах дневного света термоэмиссия с подогревных катодов только обеспечивает зажигание самостоятельной дуги. Однако наиболее широко применяются самостоятельные разряды, о них и будет речь.

Самостоятельный тлеющий разряд зажигается тогда, когда напряжение на его активных участках достигает "напряжения пробоя".

§49. Электрический ток в газах

Столкновения частиц могут иметь упругий и неупругий характер. При упругом столкновении меняется направление движения частиц, происходит обмен импульсами и кинетической энергией. При неупругом столкновении внутренняя энергия и состояние одной из частиц (редко когда обоих) изменяется. Ионизация атома при ударе электроном происходит за счет передачи кинетической энергии электрона атому. Значение энергии электрона, достаточное для ионизации атома называется потенциалом ионизации U,. При многократной ионизации энергия, необходимая для отрыва каждого следующего электрона возрастает.

Зависимость вероятности ионизации атомов любого газа от энергии частиц Uзадается функцией ионизации:

ft = a(U-Uj)exp(-(U-Ui)/b),

Разряд в постоянном поле

Поскольку при частоте приложенного поля до 100-1000 Гц характерные времена релаксации гораздо меньше периода изменения поля, все процессы успевают при­ходить в соответствие с приложенным напряжением и в каждый момент времени такой разряд можно рассматривать как разряд в постоянном поле. Сначала опишем качественно вольт-амперную характеристику разряда в промежутке, связав ее с при­ложенным напряжением и величиной сопротивления внешней цепи, изображенной на рис. 10.1.

Рассмотрим газ, находящийся между электродами. В промежутке всегда имеется небольшое количество электронов и ионов^[1], возникающих за счет ионизации газа космическим излучением, эмиссии с поверхностей или дополнительных источников.

Начнем при некотором постоянном сопротивлении внешней цепи R поднимать напря­жение на источнике. После подачи напряже­ния часть заряженных частиц будет приходить на электроды и в цепи появится ток. По мepe роста напряжения ток во внешней цепи будет расти за счет увеличения сбора заряженных частиц электродами. Это показано на рис. 10.2 как фоновая ионизация (уча­сток АВ). При дальнейшем повышении на­пряжения поле в промежутке растет и соби­рает все заряды на электроды, что обозначе­но как режим насыщения (участок ВС). Оче­видно, что если имеется внешний источник, дополнительно ионизирующий газ (или вызывающий эмиссию электронов с катода), то прямая ВС сместится вправо. Режим насыщения используют в ионизационных камерах для измерения мощности источника ионизирующего излучения. Эти два ре­жима несамостоятельного разряда характеризуются отсутствием газового усиления и малыми токами.

При дальнейшем увеличении напряжения источника в промежутке возникает га­зовое усиление (генерация лавин), ток в промежутке возрастает, хотя разряд по- прежнему остается несамостоятельным. Эта часть (участок СЕ) вольт-амперной ха­рактеристики также возрастающая. Газовое усиление растет с ростом напряжения на промежутке. Вблизи точки Е поле в промежутке начинает искажаться простран­ственным зарядом, вследствие чего, как показано в предыдущих главах, разряд пе­реходит в стримерный режим, приводящящий к переходу в стримерный режим, приводящий к переходу в самостоятельный разряд (участок EF). Участок АЕ носит название темный разряд, поскольку газ при таких условиях почти не излучает. Практически все напряжение источника на этом участке приложено к разрядному промежутку. Правда, следует отметить, что если на каком-либо электроде имеется усиление поля (острие), то на участке DE может сформироваться коронный разряд, который также при дальнейшем росте напряже­ния переходит в самостоятельный.   Разрядный ток в амперах Рис. 10.2. Вольт-амперная характеристика электрического разряда постоянного тока. Шка­ла тока (ось абсцисс) вплоть до точки Я соответствует разряду в неоне при °° „ ФТор в трубке длиной 50 см с медными электродами площадью 10 сму [50]. Для дуговых разря­дов токовая шкала указывает на характерные значения тока и не привязана к конкретной геометрии

По достижении усиления промежутка, равного единице, разряд становится само­стоятельным и не требует для своего поддержания внешнего ионизатора. Ток в про­межутке возрастает, сопротивление промежутка становится сравнимым с сопротив­лением внешней цепи R, и напряжение на промежутке падает. Дальнейшее движение по оси тока молено осуществлять либо поднимая напряжение источника, либо умень­шая сопротивление резистора. В результате сначала возникает нормальный тлею­щий разряд с почти постоянным напряжением в широком диапазоне токов (участок FG). Начиная с некоторого тока напряжение начинает возрастать. Эту ветвь V-A- характеристики называют аномальным тлеющим разрядом (участок GH). В точке Н напряжение снова падает и возникает сначала нетермический дуговой разряд (уча­сток IJ), а затем — термический дуговой разряд (участок JK).