1. Зажигание самостоятельного разряда с холодным катодом

Разряды подразделяются на самостоятельные, для возникновения и поддержания которых необходимо наличие только электрического поля; и несамостоятельные, для которых необходимо наличие как электрического поля, так и вспомогательного источника заряженных частиц в разрядном промежутке.

Рассмотрим заполненную газом низкого давления р кювету с двумя плоскими металлическими электродами, расстояние между которыми L ( рис. 1). Если к электродам приложено напряжение U, то напряжённость электрического поля в таком разрядном промежутке в отсутствии тока разряда E=U/L. При повышении напряжения U от нуля до U_заж ток через промежуток мал (участок вольт-амперной характеристики 0-а-б на рис.2,б). Этот ток обусловлен появлением в промежутке заряженных частиц: в результате термической ионизации газа при столкновениях тяжёлых частиц, а также - объёмной фотоионизации при поглощения газом внешнего излучения (например, космического излучения, падающего на поверхность Земли); эмиссии электронов с поверхности «отрицательного» электрода (катода) в объём за счет ФЭЭ под действием этого же излучения. Очевидно, что при U?U_заж подобный слаботочный разряд является несамостоятельным.

Возникновение самостоятельного разряда. Электронная лавина. При U=U_заж, свободный электрон в разрядном промежутке на длине свободного пробега л набирает энергию е_л=eлU_заж/L, равную энергии ионизации газа, и в результате происходит размножение в геометрической прогрессии заряженных частиц: электронов, движущихся в направлении от катода к аноду, т.е. навстречу электрическому полю E, а также и ионов:

e+A>A⁺+2e; 2e+2A>2A⁺+4e; 4e+4A>4A⁺+8e>16e>32e>64e и т.д. (1)

Данный процесс размножения заряженных частиц наз. электронной лавиной.

Электронную лавину удобно описывать, введя б - первый ионизационный коэффициент Таунсенда, равный числу пар заряженных частиц (электронов и положительных ионов), создаваемых движущимся в электрическом поле Е электроном на пути в 1см. Полуэмпирическая формула для б имеет вид:

,(2)

где А и В - константы, зависящие от рода газа, А имеет смысл сечения ионизации Q_i, а В - (елр)-¹. Важно, что б так же, как и коэффициент ион-электронной эмиссии г, является возрастающей функцией Е/р.

Условия возникновения (зажигания) самостоятельного разряда. Закон Пашена-Таунсенда. Направим ось z от катода к аноду навстречу электрическому полю Е. В точке с координатой z выделим слой газа толщиной dz. Если N_e - число электронов, входящих в слой слева, то приращение их в слое dN_e=бN_edz. Умножив на заряд электрона е, получим dj_e=бj_edz. Проинтегрировав, найдем плотность тока электронов

j_e(z) = (j_e)_k·e^бz ,

где (j_e)_k-величина тока на поверхности катода (при z=0), создаваемого электронами.

Величина электронного тока на аноде (при z=L) будет являться полной величиной тока разряда j, т.е.

j_e(L)=(j_e)_k·e^бL=j.(3,а)

Для z=0 (на катоде) полной величиной тока разряда j будет суммарное значение тока, создаваемого электронами и ионами, т.е.

j_k = (j_e)_k + (j_i)_k = j и (j_e)_k = j₀ + г(j_i)_k,(3,б)

где j₀ и г(j_i)_k - значения плотности тока с поверхности катода за счет ФЭЭ от внешнего источника и ИЭЭ соответственно, откуда

.(4)

Из (3) и (4) можно получить

,(5)

где K_ГУ - коэффициент газового усиления.

С ростом Е при U>U_заж имеет место рост как б и г, так и K_ГУ. Очевидно, что j перестает зависеть от j₀, когда K_ГУ неограниченно возрастает, т.е. K_ГУ>?, или >1. Из =1 получим условие возникновения самостоятельного разряда (условие самостоятельности) в виде:

.(6)

Подставив в (6) выражение для б в виде (2), найдем величину U_заж как функцию параметров разряда (закон Пашена-Таунсенда) в виде:

.(7)

Из (7) видно, что U_заж растет как при росте В, так и при снижении А и г. Кривые Пашена U_заж(pL) при отсутствии и при наличии источника дополнительной ионизации газа, а также кривые Пашена для различных газов приведены на рис. 1.

Закон подобия разрядных промежутков. Поскольку p и L входят в (7) в виде произведения, то можно сформулировать закон подобия разрядных промежутков: два разрядных промежутка, заполненные одним и тем же газом с одинаковыми электродами и имеющие одно и то же произведение давления p на расстояние между электродами L, имеют одно и то же напряжение зажигания U_заж. На зависимости U_заж(pL) (рис. 1) точке (U_заж)_мин отвечает оптимальная величина (pL)_опт. При pL<(pL)_опт U_заж резко возрастает (т.наз. «левая ветвь» кривой Пашена), что вызвано снижением б и необходимостью повышения г путем увеличения Е. При pL>(pL)_опт зависимость U_заж(pL) растет менее резко («правая ветвь» кривой Пашена), и это вызвано необходимостью повышения Е для повышения коэффициента б.

При подогреве катода (термоэлектронной эмиссии) и(или) при дополнительной ионизации газа в промежутке путем использовании вспомогательного источника ионизации (например, с помощью ВЧ-поля, электронного пучка), развитие лавины облегчается, и величина U_заж снижается (несамостоятельный разряд). Меньшее U_заж наблюдается также для пеннинговской смеси газов, в которой пара разноименно заряженных частиц образуется при столкновении двух нейтральных частиц (Пеннинг-процесс). В то же время развитие лавины в молекулярных “электроотрицательных” газах весьма затруднено, и U_заж для них более высокое. В самом деле, в “электроотрицательном” газе быстрый электрон захватывается молекулой (прилипает к ней), и образуется медленный отрицательный молекулярный ион, что снижает полную скорость ионизации газа.