3708 ИЗУЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

Цель работы: знакомство с физическими процессами, протекающими при возникновении самостоятельного газового разряда; экспериментальная проверка закона Пашена.

Оборудование: экспериментальный макет, источник питания УИП-I, генератор водорода; вольтметр В7-27А/I, амперметр, миллиамперметр, блок питания БП.

 

Элементы теории и метод эксперимента

 

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом. Все виды газового разряда можно разделить на два типа: несамостоятельный и самостоятельный. Газы в нормальном состоянии называются изоляторами. При несамостоятельном разряде носители тока в газах (электроны, положительные и отрицательные ионы) создаются в результате внешних воздействий: под действием высокой температуры и различных излучений. Процесс образования ионов в газах называется ионизацией, а возбудители ионизации – внешними ионизаторами. Ионизация заключается в том, что под действием ионизаторов от атомов или молекул газа отрывается один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтральных частиц возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть захвачена другими нейтральными атомами, и тогда образуются отрицательные ионы.

Если носители тока возникают в результате внутренних процессов в газе, обусловленных приложенным к газу электрическим полем, разряд называют самостоятельным. При самостоятельном разряде носители тока могут возникать: 1) при столкновении электронов с атомами или молекулами, когда свободно движущийся электрон обладает достаточной кинетической энергией, чтобы при соударении выбить из них один (или несколько) электронов – ударная ионизация; 2) за счёт вторичной электронной эмиссии; 3) фотоионизации; 4) фотоэмиссии (внешнего фотоэффекта с поверхности электродов). Убыль носителей тока происходит за счёт процессов рекомбинации и за счёт увода ионов полем к электродам. В зависимости от того, какие именно процессы образования ионов в разряде играют главную роль, мы говорим о различных формах самостоятельных разрядов (коронный, искровой, дуговой, тлеющий и т.д.).

Теория возникновения самостоятельного разряда в газах была предложена Таунсендом. Теория имеет ограниченную применимость и применима только к некоторым формам газового разряда, но она хорошо разъясняет возможность превращения несамостоятельного разряда в самостоятельный. Таунсенд показал, что при определенных условиях ионизация электронным ударом может привести к образованию большого числа ионов в газоразрядном промежутке. При достаточной величине электрического поля электроны, ускоренные полем, на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа, в результате чего появляются один новый электрон и положительный ион. Положительные ионы будут двигаться по направлению к катоду, а электроны – к аноду. После соударения электроны будут опять набирать энергию, и при следующем соударении появятся уже 4 электрона, затем восемь и т.д. Поток электронов по мере движения к аноду резко возрастает, и образуется «электронная лавина». Для характеристики этого процесса Таунсенд ввел коэффициент объемной ионизации a, показывающий сколько ионизаций производит электрон на единице длины пути (размерность a - м-1). Для данного газа основными факторами, обуславливающими значение коэффициента объемной ионизации, являются напряженность электрического поля Е и давление газа р.

Теоретический анализ приводит к следующему выражению для функции a(Е, р):

,                                   (1)

где А и В – константы для данного газа.

Физические процессы, определяющие значение a, сложны, поэтому коэффициенты А и В в уравнении (1) определяются экспериментально для некоторого диапазона значений Е/р.

Рассмотрим теперь столб газа, заключенный между плоскими электродами. Предположим, что за 1 секунду с единицы площади поверхности вылетает n1 электронов (образованных и внешним ионизатором, и вторичной эмиссией). Если на пути dx один электрон, ускоренный электрическим полем, производит adx ионизаций, то n электронов, влетающих со стороны катода в слой dx, произведут nadx ионизаций. Рекомбинацией электронов и ионов пренебрегаем (см. рис. 1).

Увеличение числа электронов в слое

.                 (2)

Для простоты будем считать, что создаваемый возникающими ионами объемный заряд не изменяет существенно электрическое поле, которое остается однородным и при ионизации. Тогда коэффициент a будет постоянной величиной, не зависящей от x. Поэтому, интегрируя (2), получаем, что в сечении у анода поток частиц будет:

,                                                    (3)

где d – расстояние от катода до анода.

Соотношение (3) хорошо согласуется с экспериментальными данными при невысоких значениях произведения ad ().

Число положительных ионов, образованных всеми электронами лавин, будет

.

Если положительные ионы, образующиеся в электронных лавинах, при своем движении к катоду приобретают достаточную энергию, то они выбивают из катода вторичные электроны, которые дают начало новым лавинам.

Процесс вторичной  ионно-электронной эмиссии характеризуется коэффициентом поверхностной ионизации g, численное значение которого равно количеству электронов, приходящемуся на один ударяющий о катод ион. Итак, положительные ионы, ударяясь о катод, выбьют  вторичных электронов.

Это количество электронов, сложенное с количеством электронов n0, производимых за 1 секунду внешним ионизатором, равно, очевидно, полному числу n1 электронов, вышедших с катода, и поэтому

 

или

(4)

Подставляя (4) в (3), мы можем выразить число электронов, ежесекундно приходящих на анод, в следующем виде:

(5)

Полученное выражение разъясняет возникновение самостоятельного разряда. При увеличении напряженности электрического поля будут возрастать значения a и g, и na будет непрерывно увеличиваться. При некотором напряжении Uaк будет выполнено условие

,                                                     (6)

и знаменатель формулы (5) обратится в нуль.



 
Услуги охраны на http://www.rsb-ohrana.ru.. На berglion.com видеонаблюдение Видеосистем𚵼 монтаж видеонаблюдения систем.