Тлеющий разряд

20.03.2023

Мы продолжаем изучение физических принципов лежащих в основе работы газоразрядных электронных приборов. Многие такие приборы используют тлеющий разряд, с которым мы сегодня и будем знакомиться. В отличии от предыдущих статей цикла, сегодня не будет формул. Мы рассмотрим основные процессы, которые приводят к возникновению тлеющего разряда, и основные процессы, которые происходят в разряде. Это нам потребуется при изучении устройства и работы большинства газоразрядных приборов. При этом предполагается, что вы уже прочитали две предыдущие статьи цикла:

Тлеющий разряд возникает при низком давлении газа. Для возникновения самостоятельного электрического разряда в газе необходимо несколько условий:

Наличие свободных электронов. В предыдущих статьях мы уже рассматривали, что в объеме газа между электродами всегда есть небольшое количество электронов, скорость которых определяется температурой газа.
Наличие молекул газа, которые будут возбуждаться и ионизироваться ударами электронов. За исключением вакуума, в пространстве между электродами молекулы газа есть. Но молекул должно быть достаточно, что бы электроны могли с ними сталкиваться при своем движении к аноду. То есть, давление газа не должно быть слишком малым.
Энергия электронов должна быть достаточной для возбуждения или ионизации молекулы газа.

Энергия теплового движения электронов недостаточна для ионизации или возбуждения молекул газа. Мы это уже рассматривали. Ускоряясь в электрическом поле, которое создается электродами, электроны получают дополнительную энергию. Эта энергия зависит от напряженности электрического поля и расстояния, которое электроны проходят между двумя соударениями с молекулами газа, продолжительности свободного пробега. При высоком давлении газа соударения происходят слишком часто и электроны не могут набрать достаточно энергии для ионизации. То есть, давление газа не должно быть слишком большим.

Повышение давления газа можно компенсировать повышением напряженности электрического поля увеличением приложенной к электродам разности потенциалов. Но в этом случае степень ионизации при возникновении разряда может стать слишком большой и разряд станет дуговым. Влияет на возникновение и характер разряда и расстояние между электродами. При малом расстоянии и низком давлении электрон может пролететь от катода до анода так и не столкнувшись с молекулой газа.

Зависимость напряжения возникновения разряда от давления газа и расстояния между электродами можно изобразить графически

Здесь pd это произведение давления газа (p) и расстояния между электродами (d). Видно, что минимальное напряжение возникновения разряда будет при некотором оптимальном соотношении давления и расстояния. В газоразрядных приборах, которые мы будем рассматривать, совершенно не обязательно созданы условия для минимизации напряжения возникновения разряда. Чаще всего требуется обеспечивать определенное напряжение, которое может быть значительно выше минимального.

Напряжение возникновения разряда чаще всего называют напряжением зажигания, что не совсем верно. Но такова традиция.

Возьмем достаточно длинную, например полуметровую, стеклянную трубку, в концы которой вплавлены плоские электроды. Подадим на электроды высокое напряжение (1000 - 1500 В). При атмосферном давлении разряд в трубке не возникает. При снижении давления, примерно до 50 мм рт.ст., в трубке возникает разряд, тонкий и извилистый, между анодом и катодом. При дальнейшем понижении давления разряд будет утолщаться. Когда давление снизится примерно до 5 мм рт.ст. область разряда заполнит почти все пространство трубки. Это и есть тлеющий разряд. Внешний вид разряда будет зависеть от состава газа, давления, расстояния между электродами. Но для достаточно длинной трубки можно выделить такие видимые области (цвет областей разряда показан условно)

Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой - катодная светящаяся пленка. Между ней и катодом располагается астоново темное пространство. С другой стороны светящейся пленки находится катодное темное пространство. На самом деле, этот слой слабо светится, но на фоне соседних ярких областей кажется темным. Справа от катодного темного пространства (на иллюстрации) находится область тлеющего свечения. Эти четыре области образуют катодную часть тлеющего разряда.

Правее катодной части тлеющего разряда располагается фарадеево темное пространство. Граница между катодной частью тлеющего разряда и фарадеевым темным пространством не является четкой, она размыта. Размыта и граница между фарадеевым темным пространством и положительным столбом, который занимает всю оставшуюся часть трубки.

При понижении давления катодная часть тлеющего разряда и фарадеево темное пространство расширяются. Положительный столб укорачивается, а при давлении примерно 1 мм рт.ст. распадется на несколько чередующихся темных и светлых слоев. Эти слои имеют изогнутую форму и называются стратами.

Интересно оценить распределение потенциала вдоль всей области разряда, от катода до анода. Это можно сделать, например, впаяв в трубку тонкие проволочные зонды через равные промежутки. Результаты измерений показывают, что потенциал изменяется неравномерно

Почти все падение потенциала приходится на первые три участка катодной части разряда. Эта часть приложенного к трубке напряжения называется катодным падением потенциала. В области тлеющего свечения потенциал не изменяется (это нам еще пригодится в дальнейшем), напряженность электрического поля здесь равна нулю. В фарадеевом темном пространстве и положительном столбе потенциал медленно возрастает. Такой характер изменения потенциала объясняется тем, что в области катодного темного пространства образуется положительный пространственный заряд формируемый повышенной концентрацией положительных ионов.

Положительный пространственный заряд создает около катода сильное ускоряющее поле. Иногда говорят, что "анод как бы приближается к катоду". Можно даже сказать, что роль анода в какой то степени начинает выполнять ионное облако с положительным зарядом. В результате, действие отрицательного объемного заряда облака электронов возле катода компенсируется. В газоразрядных ионных приборах возле катода нет потенциального барьера. Это важное отличие от вакуумных электронных ламп.

Как мы уже выяснили в предыдущей статье, ток в ионных приборах в основном создается электронами. Долю ионного тока можно не учитывать. Но ионы выполняют свою важную задачу - создают положительный объемный заряд, который уничтожает потенциальный барьер у катода.

Основные процессы, обеспечивающие поддержание тлеющего разряда, происходят его катодной части. Остальные части разряда практически не существенны. Более того, они даже могут отсутствовать. Например, при малом расстоянии между электродами или очень малом давлении газа. Основных процессов два. Первый - вторичная электронная эмиссия из катода, вызванная бомбардировкой его тяжелыми положительными ионами. Второй - ударная ионизация электронами молекул газа.

Положительные ионы ускоряются катодным падением потенциала бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны ускоряютсяю Приобретя достаточную энергию они начинают возбуждать молекулы газа, что и порождает катодную светящуюся пленку. Пролетевшие без столкновений в область катодного темного пространства электроны имеют еще большую энергию. В результате, они чаще не возбуждают, а ионизируют молекулы. Интенсивность свечения газа в этом области ниже, но электронов и положительных ионов образуется много.

Образовавшиеся ионы сначала имеют малую скорость. Они скапливаются в катодном темном пространстве и образуют тот самый положительный пространственный заряд. Образовавшиеся в катодном темном пространстве электроны попадают в область тлеющего свечения. В этой области высокая концентрация и электронов, и положительных ионов. Но их суммарный заряд очень близок к нулю (плазма). По этой причине напряженность электрического поля в этой области мала. Но высокая концентрация электронов и ионов приводит к интенсивному процессу рекомбинации, который сопровождается излучением выделившейся при этом энергии. Другими словами, тлеющее свечение это в основном свечение рекомбинации.

В фарадеево темное пространство электроны и ионы проникают в основном за счет диффузии. На границе этих двух областей электрическое полу практически отсутствует, зато имеется большой градиент концентрации ионов и электронов. Вероятность рекомбинации здесь меньше, поэтому фарадеево пространство и кажется темным.

В фарадеевом пространстве уже есть электрическое поле, хоть и достаточно слабое. Это поле ускоряет электроны до энергий, которые необходимы для ионизации газа. Возникают условия для появления плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он фактически выполняет роль проводника (ранее мы рассматривали, почему можно так считать) соединяющего анод с катодной частью тлеющего разряда. Свечение положительного столба в основном вызвано переходом возбужденных молекул в основное состояние.

Молекулы разных газов испускают при таких переходах фотоны с разной длиной волны. Поэтому свечение положительного столба имеет свой цвет, характерный для каждого газа. Это используется, например, в газосветных трубках, которые используются (или раньше использовались) для изготовления светящихся надписей и рекламы.

Пары ртути позволяют получить ультрафиолетовое излучение, которое можно сделать видимым и разноцветным нанеся на внутреннюю поверхность трубок люминофор.

Если уменьшать расстояние между электродами, то катодная часть не изменяется, а длина положительного столба сокращается. Вплоть до его полного исчезновения. Далее постепенно исчезает фарадеево темное пространство и начинает сокращаться область тлеющего свечения. При этом граница между областью тлеющего свечения и катодным темным пространством остается неизменной. Когда анод доходит до границы между между этими областями, разряд прекращается.

Заключение

Сегодняшняя статья, хоть и может показаться лишь описательной, позволяет увидеть физическое проявление рассмотренных ранее процессов и формул. Это поможет нам разобраться с устройством и работой газоразрядных приборов тлеющего разряда.

В следующей статье мы будем рассматривать тлеющий разряд с более практической точки зрения. Рассмотрим ВАХ (Вольт-Амперную Характеристику) тлеющего разряда. И разберемся, почему она именно такая.

Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме