Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Физические основы эмиссионной электроники

Читайте также:
  1. frac34; Методические основы идентификации типа информационного метаболизма психики.
  2. II. Аналитический ум рассчитывает, основываясь на различиях. Реактивный ум рассчитывает, основываясь на тождествах.
  3. III. Основы деятельности
  4. III. Физические условия неврозов.
  5. IX. Исторические основы еврейского мирового господства
  6. Абсорбция. Физические основы процесса абсорбции. Влияние температуры и давления на процесс абсорбции.
  7. Алгоритм морфемного разбора основы слов со свободным корнем

Эмиссией называется испускание (эмиссия) электронов (и/нлц ионов) твердым телом, которое происходит на границе твердого те та с вакуумом или газом при воздействии на поверхность тела различ­ных физических воздействий:

- постоянного или высокочастотною электрического поля,

- светового излучения,

- электронной или ионной бомбардировки.

- теплового нагрева и т.д.

Вещество, с поверхности которого происходит эмиссия элек­тронов. называется эмиттером, а устройство - катодом.

Работа выхода электрона складывается из работы по преодоле­нию силы, действующей на электрон со стороны двойного слоя и силы зеркального отображении.

Двойной слон образуется вылетевшими с поверхности тела электронами и положительными ионами кристаллической решегки вещества, эмитирующего электроны. Электроны непрерывно выле­тают за пределы граничного слоя узлов кристаллической решетки и возвращаются обратно. Таким образом, на границе металла образует­ся двойной слой (1 - приповерхностные ионы решетки; 2 - электрон­ное облако), который препятствует вылету электронов. По Шотгки двойной электрический слой можно упрощенно рассматривать как плоский конденсатор с расстоянием / = между обкладками,

где а -размер постоянной кристаллической решетки. Двойной слой образует тормозящее электрическое поле для электронов, вылетаю­щих с поверхности тела.

Сила, с которой двойной слой действует на вылетающие элек­троны. определяется по формуле: F,,г = —------------------------------------------------------ -Ц-.

4ле0

Из электростатики известно, что при удалении от поверхности тела на расстояние х»а на электрон действует кулоновская сила между удаляющимся электроном и наведенным в твердом геле зеР кально расположенным положительным электрическим заряДО*1

сила зеркального отображения: F30 =—-—--j.

4ле0

А

A-.

А- '

х ^ х><

/ -V -

Рис. 12.1. Возникновение силы зеркального отображения

Работа выхода для большинства металлов, используемых в ка­честве эмиттеров (вольфрам, цезий), составляет: А = 1...5 эВ. Для уменьшения работы выхода на поверхность металлической основы (керна) наносят вещество (пленку) с меньшей работой выхода, элек- гроны которого переходят в керн. Вследствие этого на поверхности тмнттера (катода - электрода, эмитирующего электроны) появляются положительные ионы, которые вместе с электронами, ушедшими в керн, формируют внутренний двойной электрический слой.

Электрическое поле, создаваемое этим слоем, ускоряет выле­тающие электроны, т.е. уменьшает работу выхода электронов в 2-3 раза.

где b - поверхностная ПЛОТ-
Кч

Напряженность этого поля Е - а сила, с которой поле дейст­

вует на электрон: F = q ■ Е = q\ —

О j

ность зарядов (ионизированных атомов пленки)

м

Такие катоды называются высокоэмиссионными пленочными катодами. В зависимости от вида подводимой энергии различают следующие виды эмиссии частиц:

1) термоэлектронную;

2) фотоэлектронную;

3) вторичную электронную

%

4) авгоэлектронную эмиссию частиц.

ао"олнц

Термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ) - явление испускания элек- гР°нов нагретыми телами в вакуум или другую среду. ТЭЭ осущест­вляется

за счет нагрева веществ, при котором электроны получают тельную тепловую энергию.

Для преодоления потенциального барьера на границе «твердтело - вакуу м» необходимо, чтобы энергия электронов была больше работы выхода.

Основной количественной характеристикой термоэлектронной эмиссии служит плотность тока насыщения J0, определяемая уравне нием Ричардсона-Дэшмана: J0(T) = А0Т"(\-г)ех


где

 


А .см^к1;

Д, - константа, зависящая от материала катода: 10 - 300


 

 


ф(Г) - работа выхода [эВ]. г - коэффициент отражения эмитирован­ных электронов от потенциального барьера на границе «твердое тело- вакуум», постоянная Больцмана.

Из формулы следует, что плотность тока насыщения./„ воз­растает при увеличении температуры и что при одинаковых темпера­турах Т, эмиттеры с меньшей работой выхода сильнее эмитируют электроны.

см Ю2 Фвых=1.0эВ 2,0 3,0 4,0 5.0 0 500 1000 1500 2000

Т [К]

Рис. 12.2. Зависимость плотности тока от температуры

Температурная зависимость плотности тока насыщения J0(T) при различных работах (потенциалах) выхода фЙШ приведена на рис. 12.2. Для получения тока насыщения необходимо отсутствие по­ля пространственного заряда электронов над эмиттером. Чтобы вы­полнить это условие, между эмиттером и коллектором с помощью внешнего источника создается электрическое поле, ускоряющее элек­троны по направлению к коллектору.

А

Под действием внешнего ускоряющего поля понижается потен-

альный барьер, вследствие чего уменьшается работа выхода элек-

у у

онов на величину Аф — q 1 ■ Е 2, что приводит к увеличению плот- ости тока насыщения в зависимости от напряженности поля Е:


 

 


J±J0ex р
кТ

формула Шоттки, где./0 - плотность тока при


 

 


£ = 0.

Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ) (внешний фотоэффект) - ис­пускание электронов из одной среды в другую под действием квантов электромагнитного излучения (фотонов).

Фотоэлектронная эмиссия из металлов связана с поглощением фотонов электронами проводимости.

Фотоэлектронная эмиссия из полупроводников определяется процессами возбуждения электронов из валентной зоны, либо с уров­нен. связанных с донорной или акцепторной примесями.

ФЭЭ из твердых тел в вакуум можно рассматривать как резуль­тат трех последовательных процессов:

1) оптическое возбуждение тела и появление фотоэлектронов - электронов, получивших дополнительную энергию в результате по­глощения фотонов:

2) перемещение фотоэлектронов к поверхности, при котором возможно рассеяние части энергии;

3) выход фотоэлектронов через поверхностный потенциальный барьер.

При низкой плотности электромагнитного излучения, падающе­го на поверхность твердого тела, взаимодействие фотонов с электро­нами этого тела происходит лишь в виде передачи энергии одного фотона одному электрону. При этом электрон из начального (занято­го) состояния с энергией Е, переходит в свободное состояние с энер- гией Еф = Et = h-v. Фотоэлектрон может выйти в вакуум, если *Ф S А. где А - работа выхода электронов из данного тела. Величина

^ определяет минимальную (пороговую) энергию (и частоту) кванта о - Л, ниже которой ФЭЭ не наблюдается: а соответствующая

'IlHHa волны электромагнитного излучения = с/ называется

/ vo

"Иноволновон (красной) границей фотоэффекта. Следователь­
но, при данном (неизменном) световом потоке ток эмиссии зависит от спектрального состава света.

Согласно закону Столетова при неизменном спектральном со­ставе излучения сила тока фотоэлектронной эмиссии (т.е. количество эмитируемых в единицу времени электронов) пропорциональна ин­тенсивности светового потока: 1Ф = к ■ Ф,

Это означает, что между числом эмитируемых фотоэлектронов nt. и числом падающих на поверхность тела фотонов Лгф существует прямо пропорциональная зависимость: пе = Y-N0, где Y - кванто­вый выход, равный отношению числа эмитированных электронов к числу падающих фотонов.

Если фотоэлектрон выходит в вакуум без изменения энергии возбуждения, т.е. без рассеяния, то по закону сохранения энергии:

E,+hv = A + EKm. (12.1)

Электроны, возбужденные из самого верхнего заполненного со­стояния. будут иметь максимальную кинетическую энергию ■^кин(тах). Если за нулевой уровень отсчета энергии принять уровень, соответствующий верхнему заполненному состоянию, то закон со­хранения энергии для фотоэлектронов запишется в виде:

h-v = A + EVMi(mm) (12.2)

Выражение (12.2) называется законом Эйнштейна для ФЭЭ. Согласно этому закону максимальная кинетическая энергия эмитируемых электронов Екин.та*/ не зависит от интенсивности све­тового потока при неизменном спектральном составе излучения и ли­нейно возрастает с его частотой.

При больших интенсивностях света наблюдается отступление от закона Эйнштейна (12.2), связанное с конечной вероятностью погло­щения одним электроном нескольких фотонов. При такой многофо­тонной (нелинейной) ФЭЭ: Ешп/тгх) = nhv - А.

При многофотонной ФЭЭ не существует строго определенно»

А

ДЛИННОВОЛНОВОЙ границы. ПОСКОЛЬКУ при ^-КИН'тах) * 0. v0 =—

пп

Эмиссионные свойства фотокатода характеризуются следу10* щими параметрами:

1) квантовый выход Y - число эмитированных

фотоэлектронов-

приходящихся на каждый из падающих фотонов Y = "у^,. Для поЛ-

водников квантовый выход определяется процессами рассеяния ергии электронов при их движении к границе раздела, а также на- альной энергией фотонов.

С _ ^Ф

2) спектральная чувствительность х ~ отношение фото­тека насыщения к мощности падающего монохроматического излу­чения;

3) плотность темнового тока jj - плотность тока при рабочей емпературе с необлучаемого светом катода.

Наибольший квантовый выход имеют материалы, в которых энергия электронного сродства меньше ширины запрещенной зоны ольше: Csl, Cs,Te.

Спектральная характеристика квантового выхода Y фотоэлек- энной эмиссии для Csl приведена на рис. 12.3.

У(э/фк О 2 4 6 В 10 И\ [эВ1

 

Рис. 12.3. Зависимость квантового выхода от мощности излучения

Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ) - испускание вто­ричных электронов твердыми или жидкими телами (эмиттерами) при их бомбардировке первичными электронами.

Это явление представляет собой наложение нескольких взаимо- занных процессов: упругого и неупругого рассеяния первичных электронов, возбуждение внутренних, истинно вторичных электро­нов. их движения к поверхности и выхода в вакуум вторичных элек­тронов, имеющих достаточную энергию и импульс.

Вторичные электроны имеют непрерывный энергетический ^ектр от 0 до энергии первичных электронов Ер (рис. 12.4). где п-

°тносительное число электронов; hM — максимальная энергия вто- ричиых электронов; Ег - энергия первичных электронов (порог вто- ричной эмиссии).

АЕ*~ О Рис. 12.4. Энергетический спектр вторичных электронов

 

Энергетический спектр состоит из трех характерных областей: область 1 - упруго отраженных электронов; область 2 - пеупрутоот- раженных электронов; область 3 - истинно вторичных электронов.

Каждое явление характеризуется своим коэффициентом:

г - коэффициент упруго отраженных электронов, равный отно­шению числа упруго отраженных электронов к числу первичных электронов;

ц - коэффициент неуиругоотраженных электронов, равный от­ношению числа неупругоотраженных электронов к числу первичных электронов;

5 — коэффициент истинной вторичной электронной эмиссии- равный отношению числа истинно вторичных электронов к числу первичных электронов.

Тонкая структура спектра на отдельных участках обусловлена характеристическими потерями на возбуждение атомов вещества 11 Оже-эффектом (рекомбинация с передачей энергии другим электр0 нам и дыркам).

I

Количественно ВЭЭ характеризуется полным коэффициентом ВЭЭ ст, который определяется как отношение числа вторичных элек­тронов. вылетающих из мишени к числу первичных падающих на неё

I пг h т т

р единицу времени: ст = —, или = где 1{и /, —токи, создавае- I и, /,

мые первичными и вторичными электронами. Полный коэффициент ВЭЭ равен

ст =5 + т| + г.

Коэффициенты ст. 5. т) и г зависит от параметров пучка первич­ных электронов (энергии Ер, их угла падения на образец), и характе­ристик эмиттера (элементного состава, высоты потенциального барь­ера на границе твердое тело - вакуум, величины работы выхода элек­тронов. состояния поверхности и т.д.).

Величина коэффициента ВЭЭ ст у большинства металлов и по­лупроводников лежит в районе единицы. В эмиттерах с большой ши­риной запрещенной зоны и малым сродством к электрону величина ст может достигать 2..-.5. а при создании в диэлектриках сильного элек­трического поля (10 В/м) может привести к увеличению о до 50.... 100 (ВЭЭ усиленная полем).

Автоэлектронная эмиссия (АЭЭ) (полевая электронная эмис­сия. электростатическая электронная эмиссия, туннельная) - испус­кание электронов твердыми или жидкими проводниками либо полу­проводниками (эмиттерами) под действием внешнего электрического поля высокой напряженности (£=10 В/см).

При большом положительном (относительно эмиттера) потен­циале дополнительного электрода у поверхности эмиттера происхо­дит значительное уменьшение энергетического барьера (и его толщи­ны). В результате этого уменьшается работа выхода электронов и, при некотором значении напряженности электрического поля £ мо­жет возникнуть значительный ток эмиссии J а за счет туннельного Перехода через барьер электронов с поверхности катода во внешнее пространство (рис. 12.5).

Термин «автоэлектронная эмиссия» означает, что выход элек­тронов за пределы твердого тела происходит самопроизвольно, т.е. он Не связан с затратой дополнительной энергии. Электроны, просочив­шиеся за пределы барьера, приобретают энергию от электрического п°ля лишь в вакуумном промежутке «эмиттер - анод». Чем больше Напряженность внешнего поля £ тем круче с изменением расстояния


х от поверхности изменяется потенциальная энергия элек7р()ца. fV(x)- -q- E x в этом поле, тем тоньше потенциальный барьер и следовательно, выше плотность тока автоэлектронной эмиссии./

о •

Металл B okwm

Рис. 12.5. Энергетическая диаграмма для автоэлектронной эмиссии

 

Если у поверхности катода действует внешнее однородное уско­ряющее электричекое поле с напряженностью Е = const, то оно дейст­вует на электрон с постоянной силой F-qE. уменьшая на величину АА = q ■ Е ■ х работу, совершаемую электроном при перемещении на расстояние х от катода.

Энергетический спектр электронов при АЭЭ из металлов до­вольно узок и составляет 0.05... 0,3 эВ. Форма спектра зависит от распределения электронов по энергиям внутри эмиттера, а также на­личия примеси на поверхности.

Особенностями АЭЭ (вакуум - металл) являются: высокие пре­дельные значения плотности тока Ja (до 108-ь Ю9-^т) и экспонен-

см

циальный характер зависимости J от напряженности Jа = ехр(-^/^.), где С - константа, определяемая работой выхода

электрона из эмиттера.

Существуют и комбинированные (гибридные) виды электрон­ной эмиссии: термоавтоэлектронная эмиссия (с разогретого катода)- фотоавтоэлектронная эмиссия, термостимулиро ванная вторичная электронная эмиссия, усиленная полем вторичная электронная эМ1<с сия, усиленная полем фотоэлектронная эмиссия и др. 180

В соответствующих условиях с поверхности твердого тела мо- т эмитироваться не только электроны, но и тяжелые заряженные стицы - ионы. Выбивание ионов при облучении мишени пучком онов того же или другого сорта называется ионно-ионной вторичной иссией. Посылая на поверхность металла или полупроводника пу­чок атомов (молекул), можно получить процесс превращения атом­ных частиц нейтрального пучка в пучок ионов. Этот процесс называ­ется поверхностной ионизацией. В зависимости от сорта бомбарди- ующих поверхность атомов могут образоваться как положительные, так и отрицательные ионы. Выбивание из бомбардируемой ионами или атомами мишени нейтральных частиц (атомов, молекул) называ­ется катодным распылением.


13. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД. ПЛАЗМА 13.1. Виды газовых разрядов

Электрическим газовым разрядом (ГР) называют совокупность физических процессов, связанных с прохождением электрического тока через газовую среду.

Газ - хороший диэлектрик, т.е. в обычных условиях концентра­ции электронов и ионов крайне низки; однако при достаточно боль­ших напряженностях внешних полей его проводимость резко увели­чивается за счет повышения концентрации заряженных частиц. Элек­трические заряды могут появляться в газовой среде в результате: 1) элементарных актов взаимодействия (столкновения) частиц, при­водящих к возбуждению и ионизации атомов или молекул, 2) за счет всех видов эмиссии с электродов и стенок сосуда, в котором проис­ходит разряд.

Движение электронов и ионов в разрядном промежутке между электродами «катод - анод» определяется как действием электриче­ского поля (дрейфовое движение), так и взаимодействием с частица­ми газовой среды (беспорядочное перемещение). Под взаимодействи­ем двух частиц понимается любое вынужденное изменение характе­ристик их движения или внутреннего состояния (энергии).

Все взаимодействия между частицами в газовом разряде делятся на упругие и неупругие.

При упругих взаимодействиях суммарная кинетическая энергия взаимодействующих частиц остается постоянной. Упругое взаимо­действие (или рассеяние) переводит направленный поток частиц в беспорядочное, хаотическое движение. Средняя кинетическая энер­гия хаотического движения частиц характеризуется их температурой lWfC) = 3/2kT, которая для каждого сорта частиц существенно отли­чается от окружающей температуры. Упругие столкновения приводят к установлению определенной температуры каждого сорта частиц в газовом разряде.

В газовых разрядах наиболее существенны три типа упруги* взаимодействий:

1) электрон - электронные;

2) атом - атомные, ион - атомные, ион - ионные;

3) электрон - атомные, электрон - ионные.

При неупругих взаимодействиях происходит изменение сум- I марной кинетической энергии, которое обусловлено изменением I внутренней энергии частиц. Если суммарная кинетическая энергия I взаимодействующих частиц убывает, то внутренняя энергия одной из I частиц возрастает (неупругие столкновения первого рода) и наоборот, ' если суммарная кинетическая энергия растет, то внутренняя энергия I одной из частиц уменьшается (неупругие столкновения второго ро- [ Да)-

К неупругим столкновениям первого рода, играющим основ­ную роль в газоразрядных приборах, относятся следу ющие процессы:

1) возбуждение атомов электронным ударом: е* + А = е +А*.

где: е*, е - соответственно быстрый и медленный электроны;

где А*- возбужденный. А-невозбужденный атомы:

2) ступенчатое электронное возбуждение: е* + А* = е + А**, где А** - атом, перешедший на более высокий энергетический уровень по сравнению с А*;

3) ионизация: е* + А = 2е + А+, где А* - положительный ион.

В результате этих неупругих столкновении часть кинетической энергии электронов переходит в энергию возбуждения или иониза- ' ции.

К неупругим столкновениям второго рода относится взаимо­действие медленного электрона с возбужденным атомом: е + А* = =е* + А.

При переходе возбужденных атомов и ионов в нижнее энергети­ческое состояние, а также при рекомбинации электрона с ионом про­исходит излучение фотона. Спектр оптического излучения в ГР от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ) диапазона.

В газовой среде вероятность взаимодействия (столкновения) частиц характеризуется эффективным сечением взаимодействия - полной площадь, в которой происходят столкновения. Если поток частиц с концентрацией п проходит сквозь слой газа единичного се­чения, то в результате актов взаимодействия, приводящих к рассея­нию частиц потока, их концентрация на пути dx уменьшится на вели­чину dn. пропорциональную п, dn, и концентрации атомов газа N0:

dn = -an(x)-N0-dx (13.1)

Коэффициент и называется эффективным сечением взаимодей­ствия для одной частицы. Знак минус означает уменьшение концен­трации на участке dx. Проинтегрировав выражение (13.1), получим

закон уменьшения концентрации частиц потока за счет актов взаимо­действия в газовой среде. Если а и No не зависят от х, то

п(х) = п0 -ехр(-ст-ЛГ0 -x) = w0. ехр(-0лг), (13.2)

где п0 - начальная концентрация при х = 0.

Газовые разряды можно разделить на самостоятельные и неса­мостоятельные.

Газовый разряд (ГР), который может существовать лишь в при­сутствии вызывающего и поддерживающего его внешнего ионизато­ра, называется несамостоятельным. Для поддержания несамостоя­тельно газового разряда (ГР) требуется эмиссия электронов из катода, или образование заряженных частиц в разрядном промежутке под действием внешних факторов (облучение и др.)

Если ГР продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора, то он называется самостоятельным. При самостоятель­ном газовом разряде генерация и движение зарядов разрядном про­межутке осуществляется только за счет энергии электрического поля, действующего между анодом и катодом.

Рассмотрим переход от несамостоятельного разряда к самостоя­тельному в газоразрядной трубке с холодным катодом (рис. 13.1), на которую подано напряжение, а электроны появляются в разрядном промежутке за счет внешнего ионизирующего излучения.

J

Интенсивность ионизации определяется количеством пар про­тивоположно заряженных частиц (как правило, ионов), образующих­ся в единицу времени.

Рис. 13.1. Газоразрядная трубка

 

Под действием приложенного напряжения заряженные частицы начинают двигаться к аноду (электроны) и к катоду (положительные ионы), создавая ток через разрядный промежуток. ВЛХ такого разря­да показана на рис. 13.2.

При малом напряжении U на разрядном промежутке (участок 1) ток / ограничен полем объемного заряда в разрядном промежутке, а также их рекомбинацией, поэтому не все образовавшиеся носители достигают элекгродов. Плотность тока на этом участке определяется

184 следующим выражением (закон Ома): J = aE-qn(ji^ + где

н - число пар противоположно заряженных частиц в единице объема; (.1 -подвижности положительно и отрицательно заряженных частиц (подвижность обратно пропорциональна давлению газа).

. где Е - на-

С ростом напряжения U происходит рост тока /, так как объем­ный заряд рассасывается, и почти все носители попадают- на электро­ды. Газовый разряд переходит в режим насыщения, (участок 2) оп­ределяемый полной первичной ионизацией газа, когда все заряжен­ные частицы, возникшие под действием ионизатора, уходят за тоже время за пределы разрядного промежутка.

   
1 1 | i 2» 1 1 •У  
г\ и, [  

 

U

Рис. 13.2 Вольт-амперная характеристика несамостоятельного газового разряда

Двигаясь под действием электрического поля в газовой среде, электроны производят на своем пути ионизацию молекул газа, кото­рая оценивается степенью ионизации: а- Ар-ехр —--

_Et р

пряженность поля, р - давление: Aw В- константы для различных га­зовых сред.

С дальнейшим повышением напряжения U разряд переходит в режим ионизационного (газового) усиления тока (участок 3). в ре­зультате которого возникают вторичные заряженные частицы. Ми­нимальная кинетическая энергия, которую должна иметь ионизи­рующая частица, определяется из законов сохранения импульса и энергии:

mv2 Л „ т.

где т - масса частицы; М— масса атома; Аи — работа ионизации.

185


Ионизационное размножение электронов приводит к тому, что поток в конце разрядного промежутка значительно больше потока электронов в его начале.

Коэффициент газового усиления в однородном поле: к = ехр(а d), где d - диаметр разрядного промежутка.

Положительные ионы, возникшие в результате ионизации, вы­бивают на катоде дополнительное количество электронов. Вклад вто­ричной ионно-электронной эмиссии увеличивает значение коэффи-

ехр(а - d)

циента газового усиления: к -

, где у - коэффициент

1 - у • [ехр(ш/ -1)]

вторичной ионно-электронной эмиссии.

При определенном значении U -U}. называемом критическим

или напряжением зажигания, происходит пробои в газе, приводящий к лавинообразному росту вторичных заряженных частиц. При этом рождение вторичных частиц в газе происходит быстрее, чем деиони- зация газа и ГР становится самостоятельным (участок 4). Критери­ем возникновения самостоятельного ГР является условие: yexp(a-rf-l)->l.

При этом сильно возрастает число носителей заряда в газе и его электропроводность. Самостоятельный газовый заряд не зависит от количества первичных заряженных частиц, которые играют лишь роль «затравки» в возникновении лавинообразного процесса. Интен­сивность внешнего ионизатора в этом случае определяет статистиче­ское запаздывание развития пробоя при U >Ur

Газовый разряд характеризуется следующими основными пара­метрами:

- плотность разрядного тока J;

- напряженность электрического поля в разряде Е;

- давление газа р\

- произведение давления на диаметр канала разрядаpxd:

Е

- отношение напряженности к давлению

Р

В зависимости от параметров внешней цепи (напряжение и час- гота источника питания и балластное сопротивление), давления и со­става газа, конфигурации, геометрических размеров и проводимости разрядного промежутка, эмиссионных свойств электродов, плотности тока могут существовать различные типы газовых разрядов:

1) стационарные, характеристики которых не зависят от време­ни: тихий, нормальный и аномальный тлеющие разряды, дуговой раз­ряд.

2) нестационарные, характеристики которых меняются во вре­мени ввиду того, что ток протекает только в короткие промежутки времени, когда в разряде не успевают установиться равновесные про­цессы возбуждения ионизации, рекомбинации. К ним относятся ко­ронный и искровой разряды. Они. возникают преимущественно в сильных неоднородных полях при высоких давлениях газа.

Рассмотрим типовую вольт-амперную характеристику стацио­нарного самостоятельного Г'Р (при невысоких давлениях газа) (рис. 13.3).

 

I'uc. 13.3. Вольт-амперная характеристика самостоятельного газового разряда
<7|BJ

 

При достаточно матых токах стационарного самостоятельного ГР. пока влияние пространственного заряда на распределение элек­трического поля в разрядном промежутке несущественно, напряже­ние на ГР равно UКР (критическое). Излучение такого ГР весьма ма­ло. поэтому ГР называется тихим (темным) (участок 1).

Искажение поля пространственным зарядом становится сущест­венным в режиме нормального тлеющего разряда (участок 3). При этом в газовом разряде возникает область квазинейтральной плазмы, Которая с ростом тока заполняет почти весь разрядный промежуток.

187


Уход электронов из квазинейтральной плазмы замедляется, поэтому для поддержания нормального тлеющего разряда необходимо напря­жение меньшее, чем. Для поддержания плазмы требуется мень­шая энергия, чем для её создания.

Концентрация электронов в плазменном столбе определяется динамическим равновесием процессов: объемной ионизации, объем­ной рекомбинации и ухода заряженных частиц на стенки разрядной трубки.

При небольших токах ГР занимает лишь часть поверхности ка­тода, растущую пропорционально току. Рост силы тока после того, как разряд займет весь катод, сопровождается переходом нормально­го тлеющего разряда в аномальный тлеющий разряд (участок 4), в котором рост тока сопровождается повышением напряжения.

Когда вся площадь катода занята разрядом (и покрыта свечени­ем), дальнейшее возрастание плотности тока в аномальном тлеющем разряде возможно лишь за счет роста напряжения на разрядной труб­ке (до 1000 В), которое повышает интенсивность процессов выбива­ния электронов из катода при его бомбардировке положительными ионами; а также фотоэлектронной эмиссией с катода под действием ультрафиолетового излучения из прикатодных участков разряда.

Дальнейшее повышение тока приводит к переходу тлеющего разряда в дуговой разряд (участок 6), который характеризуется низ­ким падением напряжения вблизи катода примерно равном иониза­ционному потенциалу (<pIHW = 10-^303) и высокой плотностью тока

на катоде (102 + Ю8У,).

/ см

При увеличении плотности тока возрастает энергия и количест­во ионов, бомбардирующих катод, что приводит к повышению его температуры. С некоторой точки поверхности катода, нагретой силь­нее остальных точек, появляется термоэлектронная эмиссия, дающая начало новым электронным лавинам, и, соответственно, вызывающая усиление потока ионов, бомбардирующих катод. Увеличение тока разряда приводит к повышению напряжения на балластном сопро­тивлении и снижению напряжения на трубке. В результате условия образования лавин ухудшаются и разряд может поддерживаться лишь с более нагретого участка катода. Разряд будет ограничен по сечению именно этой область (катодным пятном) с очень высокой плотностью

тока до 10" —.

Несамостоятельный дуговой разряд происходит при накаленном катоде. Начальный поток электронов образуется в результате термо­электронной эмиссии с накаленного катода. При отключении цепи накала катода разряд гаснет.

На рис. 13.3 изображена нагрузочная прямая, с помощью кото­рой. путем подбора сопротивления ^плл, можно получить опреде­ленный тип газового разряда.

При самостоятельном стационарном ГР вблизи катода сущест­вует область сильного электрического поля, характеризующаяся рез­ким изменением потенциала - область катодного паденни потен­циала (КПП) (рис. 13.4).

Вследствие высокой проводимости плазмы, основное падение потенциала в разрядном промежутке сосредотачивается у катода в слое толщиной 8 примерно равной длине свободного пробега. Здесь вышедшие из катода электроны приобретают скорость, необходимую для ионизации газа. В результате интенсивной ионизации в области КПП генерируется практически весь ионный ток на катод.

<р, Падение потенциала в плазме
А / ---------------- f
:кпп (  
    1 • х
к / ^ \ А
   
Рис. 13.4 Распределение потенциала в газовом разряде

 

Если разрядный промежуток достаточно велик, то основную его часть как в тлеющем, так и в дуговом ГР занимает плазменный столб,

{обладающий высокой проводимостью, поэтому падение потенциала в плазме очень мало. Параметры его не зависят от свойств электродов и определяются условием стационарности: равенство средней частоты ионизации (отнесенной к одному электрону) и обратным временем жизни заряженных частиц: fmu = J/.

Нестационарные газовые разряды

Коронный разряд - самостоятельный ГР при высоком давле­нии (большем или равном атмосферному), возникающий в резко не-


однородном электрическом поле. Подобные поля формируются у электродов с достаточно большой кривизной (металлические острия). При коронном разряде один или оба электрода окружены характер­ным свечением - ореолом (короной). Ионизация газа происходит вблизи коронируюшего электрода: в остальной части пространства имеет место только перенос заряда. У катода ионизация вызывается электронами, вырываемыми с катода ионной бомбардировкой (отри­цательная корона), у анода - фотонами в результате фотоионизации (положительная корона). Коронный разряд, при котором коронируют оба электрода, называется двуполярным. Повышение тока и напря­жения в разрядном промежутке может перевести коронный разряд в тлеющий или искровой.

Искровой разряд - нестационарный Г? при высоком напряже­нии и давлении порядка атмосферного. Развитие искрового разряда связано с образованием стримеров - узких высокопроводяших кана­лов с большой степенью ионизации г аза, распространяющихся от ка­тода к аноду (отрицательный стример) или от анода к катоду (поло-

- л W

жительный) со скоростью V = 10 -НО''-. Температура газа и 10000° С.

с

Резкое повышение температуры газа в течение небольшого времени вызывает сильное мгновенное (взрывное) увеличение давления газа, что является причиной звуковых эффектов. При большом сопротив­лении цепи разряд имеет колебательный характер с подъемами и спа­дами напряжения. При достаточной мощности источника искровой разряд завершается дуговым или тлеющим разрядом.


Дата добавления: 2015-11-26; просмотров: 145 | Нарушение авторских прав



mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.041 сек.)