Вольт-амперная характеристика газоразрядного промежутка
ВВЕДЕНИЕ
Газовый разряд – это совокупность ряда физических процессов, вызываемых электрическим током в газе. Диапазон возможных значений тока чрезвычайно широк – от 10–15 А до 106 А. На участках диапазона определяющую роль играют различные физические процессы, причем характерные границы участков не являются строго определенными, а зависят от давления газа и межэлектродного расстояния, варьируемых в пределах нескольких порядков, от рода газа, материала и формы электродов.
Физико-математический анализ такого сложного явления, как газовый разряд, включает количественное определение параметров процессов на участках токового диапазона и качественное описание обобщенной характеристики явления. В качестве неё используется зависимость напряжения поддержания разряда между «холодными» (ненакаливаемыми) электродами от тока в газе. Зависимость называется вольт-амперной характеристикой газоразрядного промежутка (ВАХ). При её графическом представлении по оси абсцисс откладывается логарифм тока, так как ток изменяется в пределах приблизительно десяти порядков.
Для типичного случая, когда разряд зажигается при больших значениях произведения давления газа на межэлектродное расстояние, соответствующих правой ветви кривой Пашена, ВАХ представляет собой сложную кривую (рис. 3.1) с двумя участками отрицательного дифференциального сопротивления, на которых напряжение уменьшается с ростом тока. Участки спада напряжения разграничивают виды разряда: тёмный («тихий», «таунсендовский») разряд – до первого спада напряжения (область слабых токов, микроамперы); тлеющий разряд – до второго спада (миллиамперный диапазон токов); дуговой разряд – после второго спада (амперный и килоамперный диапазоны).
ТЁМНЫЙ РАЗРЯД
На газовую среду всегда действует естественный слабый «внешний ионизатор»: космические лучи, радиоактивное, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения. Ионизатор «расщепляет» небольшую часть молекул на ионы и электроны. В результате при малых (10 – 50 В) напряжениях, когда ускорение электронов недостаточно для ионизации молекул, между электродами в газе наблюдается электрический ток. Он очень мал и может самопроизвольно в широких пределах (например, от 10 -15 до 10 -12 А) изменяться из-за нестабильности внешнего ионизатора. С ростом напряжения в указанном диапазоне ток практически не увеличивается, поскольку интервалы времени между актами ионизации молекул (например, 10–4 с) много больше, чем среднее время движения электронов и ионов к электродам (например, 10–6 с). В этих условиях величина тока (заряд, поступающий на электрод в единицу времени) определяется частотой образования электронов и ионов, а не скоростью их движения. Поэтому увеличение скорости зарядов путем повышения напряжения ток не увеличивает.
Исключение составляет лишь область напряжений, близких к нулю (доли вольта). Здесь электроны и ионы движутся к электродам медленно и некоторые из них успевают объединяться в молекулы (рекомбинировать), не достигая электродов, что ведет к уменьшению тока. С ростом напряжения скорости зарядов увеличиваются, вероятность рекомбинации снижается и ток увеличивается.
Увеличение напряжения свыше 50 В ведет к существенному ускорению электронов, и некоторые из них ионизируют молекулы газа. Образовавшиеся «вторичные» электроны ускоряются и также участвуют в ионизации. В результате к аноду движется лавинообразный поток электронов (электронная лавина). Положительные ионы поступают на катод, нейтрализуются, а выделяющаяся при этом энергия, затраченная ранее на ионизацию, расходуется на эмиссию электронов. Эмиссию вызывают также ультрафиолетовые фотоны, которые появляются при переходе возбужденных электронами молекул газа в нормальное состояние. Эмиссия электронов под действием ионов и фотонов характеризуется понятием «- процессы».
Выходящие из катода электроны инициируют новые лавины электронов, процесс многократно повторяется, и устанавливается ток, на много порядков превышающий ток внешнего ионизатора. Для плоских электродов он определяется соотношениями (1.8), (1.9) и (1.12). Из них следует, что с ростом напряжения установившийся ток резко увеличивается (переходит в микроамперный диапазон) в результате усиления ионизации и -процессов. Такое физическое явление называется «тёмным разрядом». Название определяется тем, что при малом токе интенсивность видимого излучения разряда низка и глаз человека свечение не замечает.
С ростом напряжения коэффициент ионизационного нарастания (число электронов, выходящих из катода за счет-процессов после завершения одной электронной лавины) увеличивается и становится равным единице. Возникает «самостоятельный» разряд, существующий независимо от действия внешнего ионизатора. Разряд, возможный лишь при действии внешнего ионизатора и при < 1, называется несамостоятельным. Условие> 1 соответствует росту тока во времени, для которого неприменимы формулы (1.8), (1.9) и (1.12), характеризующие установившийся режим.
Переходу несамостоятельного разряда в самостоятельный соответствует почти горизонтальный участок ВАХ (рис. 3.1) в области малых токов (до десятков микроампер в зависимости от давления газа, межэлектродного расстояния и площади электродов). На этом участке ток резко возрастает при очень малом увеличении напряжения. Из уравнения (2.1) следует, что на правой ветви кривой Пашена напряжение зажигания разряда (уровень горизонтального участка ВАХ) с ростом произведения p dувеличивается (кривая 2 на рис. 3.1 выше кривой 1), а также зависит от рода газа и материала катода [коэффициентыА, Вив соотношении (2.1)].
Рис. 3.1. Вольт-амперные характеристики газонаполненного диода (газ – гелий, материал катода – никель) на правой ветви кривой Пашена при различных значениях давления газа p ( Торр), межэлектродного расстояния d (см) и площади катода S (см2):
1 – p = 10, d = 0,3, S = 1; 2 – p = 20, d = 0,3, S = 1; 3 – p = 20, d = 0,6, S = 1; 4 – p = 20, d = 0,6, S = 10
Участок ВАХ, соответствующий темному разряду, экспериментально фиксируется лишь при включении последовательно с промежутком резистора, стабилизирующего ток в цепи при случайных изменениях напряжения источника питания. Механизм стабилизации состоит в том, что в случае роста (например) напряжения увеличение тока ведет к росту падения напряжения на резисторе и соответствующему уменьшению напряжения на промежутке. Коэффициент ионизационного нарастания за счет этого уменьшается и становится близким к единице с небольшим (порядка тока внешнего ионизатора, т. е. 10–15 – 10–12) отклонением в сторону малых величин. Такое значение коэффициента обеспечивает стационарность разряда в условиях непрерывного действия внешнего ионизатора.