Самостоятельный и несамостоятельный разряд

3.3   Самостоятельный и несамостоятельный разряд.

 

Прежде, чем перейти к рассмотрению теории Таунсенда дадим понятие самостоятельного и несамостоятельного разряда.

Разряд, существующий только при действии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным разрядом.

Если ионы, необходимые для поддержания электропроводимости газа, создается самим разрядом (в результате процессов происходящих в разряде), такой газовый разряд называется самостоятельным.

Теория Таусенда прохождения электрического тока через газ.

В ней учитывается ударная ионизация атомов и молекул газа электронами и положительными ионами. Для простоты электроды разрядной трубки будем считать плоскими. Рекомбинацией ионов и электронов пренебрежем, предполагая, что за время прохождения между катодом и анодом эти частицы рекомбинировать не успевают. Кроме того, ограничимся стационарным режимом, когда все величины, характеризующие разряд, не зависят от времени. Поместим начало координат на поверхность катода К, направив ось Х в сторону анода А. Пусть n_e(x) и n_p(x) – концентрации электронов и положительных ионов, а v_e и v_p – их средние дрейфовые скорости. Возьмем в газе бесконечно тонкий плоский слой. Через эту площадку слева в слой ежесекундно входит n_e(x) v_p(x) электронов, а справа выходит n_e(x+dx) v_e(x+dx). В объеме dx слоя из-за ионизации электронами ежесекундно возникает n_e v_edx электронов и столько же положительных ионов, Аналогично из-за ионизации положительными ионами образуется  n_pv_pdx электронов и столько же положительных ионов. Наконец, может существовать внешний источник ионизации, создающий ежесекундно q пар ионов в единице объема газа. А так как в случае стационарности процесса число электронов в слое не меняется, то должно выполнятся соотношение

n_e(x)v_e(x)-n_e(x+dx)v_e(x+dx) + (n_ev_e + n_pv_p)dx +qdx=0

Аналогично, для положительных ионов, движущихся от анода к катоду,

 

n_p(x+dx)v_p(x+dx) – n_p(x)v_p(x) + (n_ev_e + n_pv_p)dx +qdx=0

Заменяя разности соответствующими дифференциалами и сократив на dx, получим

(1) - d(n_ev_e )/dx + n_ev_e + n_pv_p +q=0

d(n_pv_p)/dx + n_ev_e + n_pv_p +q=0

Введем плотности электрического тока электронов и положительных ионов:

(2)

 

Тогда (3)

Отсюда и, следовательно,

(4)

Таким образом, полная плотность электрического тока j остается постоянной на всем протяжении от катода к аноду, как это и должно быть для квазистационарных процессов. Исключив теперь из уравнений (3) и (4) ток , получим

(5)

Оба коэффициента ионизации и зависят не только от рода газа, но также от давления и напряженности электрического поля. Давление газа постоянно по всей величине разрядной трубки. Что касается поля Е из-за наличия пространственных зарядов неоднородно, т.е. зависит от х. Однако Таунсенд ввел упрощающее предположение:

1)   поле Е считается однородным во всем объеме разрядной камеры;

2)   а коэффициенты постоянными, независимыми от х.

Это может выполнятся для сравнительно слабых токов, когда пространственные заряды, возникающие в объеме камеры, несущественны. Поэтому теории Таусенда применима лишь в начальной стадии разряда. Разряд, для которого это условие выполняется, называется таунсендовским. Пренебрежение пространственными зарядами – существенный недостаток теории Таунсенда.

Предполагая , и q постоянными и интегрируя уравнение (5), находим j_e, а затем и j_p:

(6)

 

где С – постоянная интегрирования. Она найдется из граничных условий, которые должны выполнятся на электродах.

Чтобы написать эти граничные условия, найдем сначала ток электронов и ток ионов, производимые объемным ионизатором. Число таких электронов, производимых во всем объеме камеры в одну секунду, будет Slq, а заряд, который они несут, Slqe, где S – площадь поперечного сечения камеры, l – ее длина, lqe – плотность электронного тока, создаваемого положительными ионами. На аноде это и будет полная плотность тока положительных ионов. Таким образом, граничное условие на аноде имеет вид

(7)

где, (а) означает, что соответствующая величина берется на поверхности анода, (к) означает тоже самое для катода.

Граничное условие на поверхности катода.

Предположим, что имеется внешний источник, создающий поверхностную ионизацию на катоде. Это могут быть рентгеновские или ультрафиолетовые лучи, освещающие поверхность катода. Или высокая температура, при которой происходит термоэлектронная эмиссия. Обозначим через N число электронов, выходящих ежесекундно с единицы поверхности ионизатора. Они вносят в плотность электронного тока слагаемое Ne. К нему надо добавить плотность электронного тока qle, создаваемое объемным ионизатором, а также плотность тока, создаваемого электронами, вырываемыми из катода положительными ионами (вторичная эмиссия). На единицу площади катода падает ежесекундно положительных ионов. Если  среднее число электронов, вырываемых из катода одним положительным ионом. Тогда с единицы поверхности катода будет вырываться ежесекундно электронов, которые создадут электронный ток . Заметим, что на границе катода с газом эмиссия электронов может происходить в результате фотоэффекта и ударов других частиц. Однако, Таунсенд для простоты учитывает только эмиссию электронов с катода вызываемую только ударами положительных ионов. При таком упрощении полная плотность электронного тока у катода будет

(8)

Это и есть граничное условие на поверхности катода.

Совместно решая уравнения (6), (7), (8) получим

(9)

где введены обозначения

(10)

Из формулы (9) видно, что при конечный ионизационный ток получается лишь при наличии внешних ионизаторов. В этом случае разряд остается несамостоятельным. Коэффициенты , и  зависят от напряженности электрического поля Е. С увеличением Е ионизационный ток j растет. При некотором значении поля обращается в 0. Если убрать внешние ионизаторы, то в случае ток через газ все же будет идти. Разряд становится самостоятельным. При выполнении условия

(11)

согласно теории Таунсенда, происходит пробой газа, или зажигание газового разряда.

(*) Теория Таунсенда в дальнейшем подвергалась многочисленным дополнениям и уточнениям. Таунсенд учитывал ионизацию только электронами и положительными ионами. Между тем в разряде могут происходить и другие процессы, приводящие к возникновению электронов. Таким процессом может быть освобождение электронов с катода, вызванное излучением самого разряда (так называемый фотоэлектрический эффект); в результате фотоэффекта на атомах газа (фотоионизация). Также нужно учесть и изменения электрического поля, которое вызывается объемными зарядами при ионизации газа. Эти процессы имеют место в газовом разряде одновременно, и поэтому точная теория самостоятельных газовых разрядов весьма сложна и не завершена в настоящее время. Однако, теория Таунсенда, несмотря на большое количество упрощений и недостатков, хорошо предлагает основную сущность возникновения самостоятельного разряда.

4. Разряды.

4.1    Виды разрядов.

ü темный (таунсендовский);

ü тлеющий;

ü дуговой;

ü коронный;

ü искровой.

 

4.2    Искровой разряд.

Этот разряд характеризуется прерывистой формой (даже при пользовании источниками постоянного тока). Он возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молний. По внешнему искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полосок, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга. Эти полоски называют искровыми каналами. Они начинаются как от положительных, так и от отрицательных, а также от любой точки между ними. Каналы, развивающиеся от положительного электрода, имеют четкие нитевидные очертания, а развивающиеся от отрицательных – диффузные края и более мелкое ветвление.

Т.к. искровой разряд возникает при больших давлениях газа, то потенциал зажигания очень высок. (Для сухого воздуха, например, при давлении 1 атм. и расстоянии между электродами 10 мм, пробивное напряжение 30 кВ.) Но после того как разрядный промежуток «искровым» каналом, сопротивление промежутка становится очень малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное сопротивление. Если мощность источника не очень велика, то после такого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает расти до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.

Электрическая искра возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторой определенной величины Ек (критическая напряженность поля или напряженность пробоя), которая зависит от рода газа и его состояния. Например, для воздуха при нормальных условиях Ек3*10⁶ В/м.

Величина Ек увеличивается с увеличением давления. Отношение критической напряженности поле к давлению газа р для данного газа остается приблизительным в широкой области изменения давления: Ек/рconst. (Этот закон можно обосновать с помощью Таунсенда).

Время  нарастание напряжения тем больше, чем больше емкость С между электродами. Поэтому включение конденсатора параллельно разрядному промежутку увеличивает время между двумя последующими искрами, а сами искры становятся более мощными. Через канал искры проходит большой электрический заряд, и поэтому увеличивается амплитуда и длительность импульса тока. При большой емкости С канал искры ярко светится и имеет вид широких полос. То же самое происходит при увеличении мощности источника тока. Тогда говорят о конденсированном искровом разряде, или о конденсированной искре. Максимальная сила тока в импульсе, при искровом разряде, меняется в широких пределах, в зависимости от параметров цепи разряда и условий в разрядном промежутке, достигая нескольких сотен килоампер. При дальнейшем увеличении мощности источника, искровой разряд переходит в дуговой разряд.

В результате прохождения импульса тока через канал искры в канале выделяется большое количество энергии (порядка 0,1 – 1 Дж на каждый сантиметр длины канала). С выделением энергии связано скачкообразное увеличение давления в окружающем газе – образование цилиндрической ударной волны, температура на фронте которой ~10⁴ К. Происходит быстрое расширение канала искры, со скоростью порядка тепловой скорости атомов газа. По мере продвижения ударной волны температура на ее фронте начинает падать, а сам фронт отходит от границы канала. Возникновение ударных волн объясняются звуковые эффекты, сопровождающие искровой разряд: характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты в случае молний.

В момент существования канала, особенно при высоких давлениях, наблюдается более яркое свечение искрового разряда. Яркость свечения неоднородна по сечению канала имеет максимум в его центре.

Рассмотрим механизм искрового разряда.

В настоящее время общепринятой считается так называемая стримерная теория искрового разряда, подтвержденная прямыми опытами. Качественно она объясняет основные особенности искрового разряда, хотя в количественном отношении и не может считаться завершенной. Если вблизи катода зародилась электронная лавина, то на ее пути проходит ионизация и возбуждение молекул и атомов газа. Существенно, что световые кванты, испускаемые возбужденными атомами и молекулами, распространяясь к аноду со скорость света, сами производят ионизацию газа, и дают начало первым электронным лавинам. Таким путем во всем объеме газа появляются слабо святящиеся скопления ионизированного газа, называемые стримерами. В процессе своего развития отдельные электронные лавины догоняют друг друга и, сливаясь вместе, образуют хорошо проводящий мостик из стримеров. По этому в последующий момент времени и устремляется мощный поток электронов, образующий канал искрового разряда. Поскольку проводящий мостик образуется в результате слияния практически одновременно возникающих стримеров, время его образования много меньше времени, которое требуется отдельной электронной лавине для прохождения расстояний от катода к аноду. Наряду с отрицательными стримерами, т.е. стримерами, распространяющимися от катода к аноду, существуют также положительные стримеры, которые распространяются в противоположном направлении.