Тлеющий разряд

Опубликовано 25.05.2010 Ведущий Евгений Глазков

Эту форму газового разряда удобно наблюдать при пониженном давлении газа. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30-50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки. При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает.
При давлениях газа порядка одной десятой миллиметра ртутного столба разряд имеет следующий вид. Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой (первое катодное свечение, или катодная пленка), за которым следует темный слой, получивший название катодного темного пространства. Это темное пространство затем переходит в светящийся слой (тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток, называемый вторым или фарадеевым темным пространством. Указанные части называются катодными частями разряда. За вторым темным пространством лежит светящаяся область, простирающаяся до анода, или положительный столб. В некоторых случаях этот столб распадается на ряд слоев, или страт. Характерным для тлеющего разряда является особое распределение потенциала по длине трубки. Почти все падение потенциала в разряде приходится на область катодного темного пространства. Эта разность потенциалов между катодом и границей тлеющего свечения получила название катодного падения потенциала. Катодное падение потенциала есть главный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда от всех других форм. Катодное падение потенциала зависит лишь от материала катода и рода газа и пропорционально работе выхода электронов из катода. Рассмотренные свойства тлеющего разряда приводят к следующей картине процессов, поддерживающих разряд. Положительные ионы, образующиеся в результате ионизации электронными ударами (в тлеющем свечении и в положительном столбе), движутся к катоду и, проходя через область катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию. Под действием интенсивной бомбардировки быстрыми положительными ионами, а также вследствие фотоэффекта, вызванного излучением разряда, с катода вылетают электроны, которые движутся к аноду. Эти электроны в области катодного падения потенциала сильно ускоряются и при последующих соударениях с атомами газа их ионизируют. В результате опять появляются положительные ионы, которые, снова устремляясь на катод, производят новые электроны и так далее. Таким образом, основными процессами, поддерживающими разряд, являются ионизация электронными ударами в объеме и вторичная электронная эмиссия на катоде.
Существование катодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина катодного темного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов, и она увеличивается с уменьшением давления газа. В катодном темном пространстве электроны, следовательно, движутся практически без соударений.
Распределение концентраций положительных ионов и электронов в различных частях разряда весьма неодинаково. Так как положительные ионы движутся гораздо медленнее, нежели электроны, то у катода концентрация ионов значительно больше, чем концентрация электронов. Поэтому вблизи катода возникает сильный пространственный положительный заряд, который и вызывает появление катодного падения потенциала. Благодаря большой концентрации электронов положительный столб обладает хорошей электропроводностью и поэтому падение напряжения на нем весьма мало. Так как в положительном столбе имеются и положительные ионы, и электроны, то здесь происходит интенсивная рекомбинация ионов, чем и объясняется свечение положительного столба.