Описание экспериментальной установки

Методическое пособие по лабораторной работе

Тлеющий разряд

Разработали: Аминов Н.

Мажитов А.

Мирзаянова Г.

Мифтахов И.

Тазетдинова Г.

Научный руководитель: Тимеркаев Б. А.

Казань - 2006

Тлеющий разряд

Цель работы: изучение экспериментальной установкой для исследования тепловых и энергетических характеристик тлеющего разряда; исследование тлеющего разряда, получение вольт - амперной характеристики тлеющего разряда.

Содержание работы

Тлеющий разряд был открыт Фарадеем в середине XIX века во время проведения опытов с трубками, откачанными до давления в несколько Торр и источниками напряжений до 1000В. Так же Фарадеем была установлена слоистая структура тлеющего разряда.

Тлеющий разряд -это самоподдерживающийся разряд с холодным катодом, испускающий электроны в результате вторичной эмиссии (происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны с катода), главным образом под действием положительных ионов.

Основные процессы, обеспечивающие самостоятельный тлеющий разряд происходят в катодных частях разряда. Тлеющий разряд не может существовать без этих частей. Его отличительным признаком является существование вблизи катода слоя определенной толщины с большим положительным объемным зарядом, сильным электрическим полем у поверхности и значительным падением потенциала 100-400В и более.Оно называется катодным падением. Толщина слоя катодного падения обратно пропорциональна плотности (давлению) газа. Если межэлектродное расстояние достаточно велико, между катодным слоем и анодным образуется электронейтральная плазменная область, где поле относительно не большое. Серединную, однородную часть ее называют положительным столбом. От анода он отделяется анодным слоем.

Положительный столб тлеющего разряда постоянного тока наиболее ярко выраженный и распространенный пример слабо ионизированной неравновесной плазмы, которая поддерживается электрическим полем.

В отличие от катодного слоя, без которого тлеющий разряд существовать не может, положительный столб существенной роли в поддержании разряда не имеет. Если в результате образования катодного слоя промежуток между электродами оказывается исчерпанным, столба нет. Но если не хватает расстояния на формирование должного катодного слоя, тлеющий разряд не загорается. Например, при уменьшении расстояния между электродами трубки, его длина сокращается, в то время как катодные части разряда по форме и величине остаются неизменными.

Рассмотрим процессы, обеспечивающиесуществование тлеющего разряда. Электроны, эмиттируемые катодом, имеют малые скорости, которые недостаточны для возбуждения атомов газа. В сильном поле электроны ускоряются и, пройдя астоново пространство, приобретают энергию, достаточную для интенсивного возбуждения атомов. За астоновым темным пространством образуется область первого катодного свечения. Здесь ионизация атомов еще недостаточна для этого. За областью первого катодного свечения следует катодное темное пространство. В этой части разряда электроны ускоряются до энергии, достаточной для ионизации атомов газа. Эта энергия превышает энергию максимума функции возбуждения, поэтому свечение катодного темного пространства незначительно. На область от поверхности катода до границы катодного темного пространства падает значительная часть напряжения разряда, называемая катодным падением потенциала. Величина U_к не зависит от силы тока, протекающего через разряд, и определяется материалом катода, а также составом газа. Так, например, для разряда в воздухе медным катодом U_к=370В. Такое высокое значение катодного падения потенциала является характерным признаком тлеющего разряда. Возникшие при ионизации электроны ускоряются к аноду, а положительные ионы- к катоду. Скорость движения ионов намного меньше скорости электронов, благодаря чему в области темного пространства возникает положительный объемный заряд. За катодным темным пространством следует область отрицательного тлеющего свечения. Она имеет резкую границу со стороны катода и размытую со стороны анода. В этой области напряженность электрического поля мала. Переходной областью от катодных частей к положительному столбу является фарадеево темное пространство. Здесь электроны преобретают энергию в слабом электрическом поле. В начале положительного столба энергия электрона возрастает до величины, достаточной для заметного возбуждения и ионизации газа.

Положительный столб представляет собой слабо ионизованный газ со сравнительно малой напряженностью поля и преобладанием хаотического движения частиц. Положительный столб служит проводником,связывающим катодные и анодные области разряда. Характерным признаком положительного столба является равенство концентраций положительных и отрицательных зарядов. Плазма положительного столба является существенно неравновесной, температура электронов достигает десятков тысяч градусов, в то время как температура нейтральных частиц может быть порядка нескольких сотен градусов. Средняя энергия электронного спектра в положительном столбе составляет 1-2 эВ. Но в спектре имеется и некоторое количество энергичных электронов. Они возбуждают атомы и обеспечивают свечение столба. Анод ионы отталкивает, а электроны из столба вытягивает. Образуется область отрицательного объемного заряда и повышенного поля, ускоряющего электроны. Это приводит к анодному свечению.

Таким образом, в тлеющем разряде особое значение для его поддержания имеют только две его части: катодное темное пространство и отрицательное тлеющее свечение. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны с катода(вторичная эмиссия). В области тлеющего свечения же происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при этом положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые, в свою очередь, опять ионизируют газ и т.д. Таким образом непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

Картина свечения. Тлеющему разряду свойственно определенное чередование темных и светящихся слоев, которые получили свои названия. Наблюдать эту картину хорошо при низких давлениях, когда слои растянуты по длине трубки- ведь все процессы в разряде связаны со столкновениями. Расстояние характерных точек от катода определяются числом укладывающихся на них длин пробега электронов. Поэтому координате границы какого-то слоя х₁ отвечает определенное значение px₁. Слоистая картина растягивается на сантиметры при давлениях p~10 тор. Она схематически изображена в верхней части рис.1

При низких давлениях (p~10 тор) и не слишком больших расстояниях между электродами для положительного столба места нет и видна в основном область отрицательного (тлеющего) свечения. От нее разряд и получил свое название тлеющего (glow discharge, die Glimmentladung).

Спокойное, иногда слегка подрагивающее свечение тлеющего разряда завораживает своей красотой. Положительный столб обычно менее яркий, чем отрицательное свечение, и имеет другой цвет. Каждый газ имеет свои окраски, что связано с особенностями спектров, и это используется в цветных рекламных трубках. В очень широких трубках или сферических сосудах положительный столб часто не виден (можно представить, как протягивается токовый путь от отрицательного свечения до анода).

Рис.1. Картина тлеющего разряда в трубке и распределение по длине разряда интенсивности свечения I,потенциала φ, напряженности поля Е, плотностей зарядов и токов положительных ионов и электронов ρ+ρ_е; ί+ί_е

Распределение параметров по длине. С расположением слоя и распределением яркости свечения по длине трубки на рис.1. сопоставлены распределения основных параметров разряда: продольного электрического поля Е=Е_х; потенциала φ, плотностей электронов n_е, положительных ионов n₊, токов ί_е, ί₊, объемного заряда ρ=е(n₊- n_е). Картина эта - качественная, но в достаточной мере достоверная. Один из главнейших моментов в ней - большой пространственный заряд и сильное поле у катода, которое почти линейно спадает до очень малой величины около катодной границы отрицательного свечения. Эта область называется катодным слоем, но уже не по такому внешнему признаку, как свечение, а по «объективным» показателям - распределению электрического поля.

Далее следует зона очень слабого поля, оно иногда бывает даже слегка отрицательным, т.е. направленным к аноду. В фарадеевом пространстве продольное поле возрастает и потом остается постоянным на протяжении положительного столба. Последний может быть сколь угодно длинным, лишь бы хватало напряжения источника питания, чтобы обеспечить должную разность потенциалов в столбе. Постоянство осевого градиента потенциала в столбе свидетельствует об электронейтральности плазмы. Около анода имеется область небольшого анодного падения потенциала.

Вольт-амперная характеристика разряда между электродами. Самостоятельный разряд зажигается по движению на электродах пробивающего напряжения в газе. В реальной цепи помимо разрядного промежутка всегда имеется омическое сопротивление R(специально включенное, сопротивление проводов, источника питания) и это ставит абсолютный предел величине достижимого тока при заданной электродвижущей силе источника.

Будем наращивать ток. Практически это можно осуществить, уменьшая нагрузочное сопротивление R или увеличивая ЭДС источника. Начиная с какого-то тока напряжение на электродах падает. Потом падение прекращается и в довольно большом диапазоне токов (иногда в несколько порядков) почти не меняется. Этот участок на ВАХ соответствует так называемому нормальному тлеющему разряду. Нормальный разряд обладает замечательным свойством. При изменении разрядного тока плотность его на катоде остается неизменной. Меняется площадь на катоде, в которую втекает ток. Меняя R или Е в ту или другую сторону, можно видеть, как светящееся токовое пятно на поверхности катода расширяется или сокращается. Когда на катоде не остается свободного места, для увеличения тока приходится повышать напряжение, чтобы вырывать с единицы площади больше электронов.

На рис.2 приведены ВАХ, полученные экспериментальным путем.

Далее должна расти плотность катодного тока. Такой разряд называется аномальным. Интересно наблюдать переход. Видно, как тлеющее свечение охватывает сначала всю поверхность катода, обращенную к аноду, потом отыскивает любое незащищенное диэлектриком место на ножке и лишь, когда все исчерпано, становится более протяженным и насыщенным. При I~1А тлеющий разряд срывается в дугу.

Рис.2. Вольт-амперная характеристика различных видов разряда с медными электродами, p=133па; L=0.5м

В данной работе мы проследили за ходом ВАХ крутя ручку, меняющую R или U. В эксперименте в момент включения ЭДС в цепи стоит определенное

сопротивление.

Описание экспериментальной установки

Функциональная схема экспериментальной установки для исследования тлеющего разряда в потоке газа приведена на рисунке:

Установка состоит из системы электрического питания, разрядной камеры и аппаратуры для измерения тока и напряжения разряда.