Возникновение самостоятельных газовых разрядов. Теория Таунсенда

Опубликовано 22.05.2010 Ведущий Евгений Глазков

Газовый разряд - это протекание тока в газовой среде под воздействием электрического поля и/или внешнего ионизатора. Газовый разряд, протекающий между электродами под воздействием внешнего ионизатора (высокая температура, УФ-излучение и так далее), называют несамостоятельным разрядом. При определенных условиях такой разряд может перейти в самостоятельный, для существования которого не нужен внешний ионизатор, а достаточно только самого электрического поля.
Рассмотрим, каким образом несамостоятельный разряд может перейти в самостоятельный. Одна из первых количественных теорий возникновения самостоятельного разряда в газах была предложена Таунсендом. Представим себе, что под воздействием какого-либо внешнего ионизатора, например, ультрафиолетовых лучей, из катода вылетел электрон. На длине свободного пробега он будет двигаться в электрическом поле ускоренно и перед столкновением приобретет определенную кинетическую энергию. Если эта энергия равна или больше энергии ионизации атомов газа, то при соударении атом будет ионизирован, в результате чего возникнет один новый электрон и один положительный ион. Положительные ионы будут двигаться к катоду, а электроны - к аноду. После соударения электроны будут набирать энергию, и при следующем соударении возникнет уже четыре электрона. После третьей ионизации их будет восемь, после четвертой - шестнадцать и так далее. Поэтому общее число электронов и ионов будет возрастать лавинообразно по мере движения электрона к аноду. Число пар ионов и электронов, образуемых одним электроном на единице длины пути, называют коэффициентом объемной ионизации. Этот коэффициент зависит от напряженности электрического поля (кинетическая энергия), давления газа (длина свободного пробега), а также от природы газа (энергия ионизации). В результате возникновения электронной лавины число электронов, достигших анода, значительно превышает количество электронов, вылетевших из катода, и определяется следующей формулой. Например, если альфа равно 300 м-1, а расстояние между электродами d равно 3 сантиметрам, то один электрон, выбитый из катода, вызовет появление у анода примерно десяти тысяч электронов. Возникновение электронных лавин в газе, однако, еще не представляет собой самостоятельный разряд, так как при выключении ионизатора при n0 равном нулю nа также равно нулю, и анодный ток прекращается. Для поддержания самостоятельного разряда необходимо, чтобы электронные лавины самовозобновлялись, то есть, чтобы в газе под действием каких-либо процессов возникали новые электроны взамен ушедших на анод. Один из важных процессов такого рода заключается в образовании вторичной электронной эмиссии с катода под действием бомбардировки положительными ионами. Если положительный ион при своем движении к катоду приобретает достаточную энергию, то он может выбить из катода некоторое число электронов. Этот процесс можно охарактеризовать коэффициентом вторичной эмиссии гамма, который показывает, сколько вторичных электронов выбивает с катода один положительный ион. Величина гамма зависит от скорости ионов, их природы и материала катода. Таунсенд показал, что одновременное существование обоих процессов, то есть объемной и поверхностной ионизации, может привести к самостоятельному разряду. Число электронов, достигших анода, определяется в этом случае выражением (пауза). И если, например, постепенно повышать напряженность электрического поля, будут возрастать значения альфа и гамма, и при некоторой напряженности поля, будет выполнено условие (пауза), и знаменатель обратится в ноль. То есть количество электронов, достигших анода, будет неограниченно возрастать при любом, сколь угодно малом количестве исходных электронов. Следовательно, внешний ионизатор не нужен, и мы имеем превращение несамостоятельного разряда в самостоятельный. В действительности, никакого бесконечного возрастания электронов nа не будет, так как цепь разряда имеет определенное сопротивление, то есть при значительном увеличении тока разряда будет уменьшаться напряжение на газоразрядном промежутке. Поэтому в газе установится конечный ток, зависящий от ЭДС источника и сопротивления цепи. Теория Таунсенда в дальнейшем подвергалась многочисленным уточнениям и дополнениям. Так, в ней не учитывались другие процессы, также приводящие к возникновению электронов, а именно, освобождение электронов с катода, вызванное излучением самого разряда ( так называемый фотоэлектрический эффект). Электроны, необходимые для поддержания лавины, могут возникнуть и в объеме газа при соударении атомов с положительными ионами или в результате объемной фотоионизации. Далее нужно учесть и то изменение электрического поля, которое вызывается объемными зарядами при ионизации газа. Эти процессы часто протекают в газовом разряде одновременно, и поэтому точная теория самостоятельных газовых разрядов весьма сложна.