Структура и внешний вид разряда

Существует большое разнообразие тлеющих разрядов, отличающихся между собой внешним видом в зависимости от природы газа, давления, размеров разрядного промежутка, формы, размеров и материала электродов, а также расстояния между ними. В то же время для тлеющего разряда специфична картина его свечения с последовательным чередованием темных и светлых полос. Области разряда расположены одна за другой в направлении от катода к аноду (рис. 1.2). Длина характерных катодных и анодных областей пропорциональна длине свободного пробега электрона, так как все процессы в них связаны со столкновениями.

Рис. 1.2. Структура тлеющего разряда:

а – картина свечения разряда; б – распределение яркости свечения разряда по длине трубки; в, г, д – соответственно распределение потенциала, напряженности поля и плотности объемного заряда по длине разрядного промежутка

Физика явлений, проходящих в различных областях тлеющего разряда, может быть качественно описана следующим образом.

1. К катоду примыкает тонкая темная область – астоново пространство, в которой электроны, выбитые ионами из катода, обладают ещё малыми скоростями и участвуют лишь в упругих соударениях с атомами газа, так что в этой области атомы находятся в невозбужденном состоянии, и свечение газа отсутствует.

2. Ускоряясь в сильном электрическом поле, электроны набирают энергию, достаточную для возбуждения атомов газа, и возникает новая область – первое катодное свечение.

3. Когда электроны набирают энергию, достаточную для ионизации атомов газа, число актов возбуждения резко сокращается и интенсивность свечения уменьшается, при этом образуется темное круксово пространство. К концу катодного слоя возникает большой поток электронов, причем в силу лавинообразного характера размножения, большинство электронов рождается именно в конце слоя, где поле уже ослабевает. Энергия этих электронов мала и находится в области максимума функции возбуждения. Рождающиеся ионы движутся гораздо медленнее электронов, и в области преобладает положительный объемный заряд.

4. Развивающиеся электронные лавины создают на границе между участками 3-4 высокую степень ионизации газа, поэтому проводимость последующих областей разряда значительно выше, а изменение потенциала в них невелико. Заряды двигаются в сторону анода практически в режиме диффузии. Средняя энергия электронов уменьшается, что приводит к снижению вероятности ионизации и увеличению вероятности возбуждения атомов и рекомбинации заряженных частиц. С удалением от катода процессы снижают свою интенсивность, и свечение постепенно ослабевает. Область называется отрицательным или тлеющим свечением. При низких давлениях (~ 1 Па) это свечение может занимать все дальнейшее пространство до анода. От нее разряд и получил свое название тлеющего.

Со стороны катода область имеет резкую границу с максимумом интенсивности излучения, причем сначала появляются коротковолновые линии излучения, а потом – более низкоэнергетичные в порядке, обратном первому катодному свечению.

4. В результате неупругих соударений энергия электронов уменьшается настолько, что они становятся способными совершать лишь упругие столкновения. Интенсивность свечения падает, и формируется фарадеево темное пространство. Электрическое поле постепенно нарастает, электроны набирают энергию и приобретают способность ионизировать атомы газа.

5. Большая часть объема разряда может быть занята столбом разряда – участком слабоионизированной неравновесной плазмы. На этом участке самопроизвольно устанавливаются такие значения параметров плазмы (напряженность поля, температура и концентрация электронов), которые обеспечивают замыкание цепи электрического тока между катодной и анодной областями разряда. По длине столба параметры плазмы и интенсивность свечения сохраняются обычно постоян­ными. Иногда в столбе возникает слоистая структура (страты), вызван­ная продольной ионизационной неустойчивостью в плазме.

7,8. Вблизи анода равновесие зарядов вновь нарушается за счет направленного движения электронов к аноду, а ионов в сторону катода. Образуется область отрицательного пространственного заряда и повышенного поля, ускоряющего электроны. Это приводит к появлению анодного свечения. Знак анодного падения напряжения зависит от размеров анода и может быть положительным, отрицательным или равным 0.

Цвет свечения различных областей разряда отличается, так как различны энергии электронов. В гелии первое катодное свечение – красное, отрицательное свечение – зеленое, положительный столб – красно-фиолетовый; в неоне – соответственно желтое, оранжевое и крас­ный; в азоте – розовое, голубое и красный. В длинных трубках при не очень низких давлениях наблюдается в основном положительный столб.

При повышении давления все катодные слои сжимаются и стягиваются к катоду. Если сближать электроды при постоянном давлении, то сокращается сначала положительный столб, затем фарадеево темное пространство, потом отрицательное свечение. С удалением отрицательного свечения тлеющий разряд переходит в затрудненный, для поддержания которого требуются повышенные напряжения.

Из-за присутствия поперечного электрического поля в области положительного столба эквипотенциальные поверхности там выпуклы и обращены выпуклостью в сторону катода. Так выглядит граница между положительным столбом и фарадеевым пространством. Границы слоя отрицательного свечения обычно плоские.

Области разряда 1–3 ограничивают катодное падение потенциала, области 7 и 8 –анодное. В промежуточных областях 4,5 осуществляется переход от катодного слоя к положительному столбу. Участок 6 является областью анодного плазменного столба. Для поддержания тлеющего разряда наиболее необходимы его катодные области (с 1 по 3), обеспечивающие условия зарождения и нормального протекания процесса лавинной ионизации газа. Столб разряда лишь соединяет катодные части разряда с анодом. Поэтому столб в разряде может отсутствовать, если анод расположить на границе катодной области.

Каждая область разряда характеризуется своим падением потенциала:U_к – катодное падение потенциала; U_a – анодное падение потенциала; U_ст = El_ст (E –продольная напряженность электрического поля в столбе, l_ст – длина положительного столба).

Падение напряжения в разряде – U_p, или напряжение горения разряда, равно сумме падений напряжений на отдельных его участках U_p = U_к + U_a + U_ст. Основное падение напряжения происходит в катодных областях, так как именно здесь формируется разряд.