Читайте также:
|
|
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 4а
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 4х
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 «тверд0е тело - 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