Самостоятельный газовый разряд и его типы

Разрядв газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего иониза­тора, называется самостоятельным.

Рассмотрим условия возникновения са­мостоятельного разряда. Как уже указыва­лось в § 106, при больших напряжениях между электродами газового промежутка (см. рис. 156) ток сильно возрастает (участки CD и DE на рис. 157). При боль­ших напряжениях возникающие под дей­ствием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и поло­жительные ионы (процесс 1 на рис. 158). Положительные ионы движутся к катоду, а электроны — к аноду. Вторичные элек­троны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электро­нов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавино­образно. Это является причиной увеличения электрического тока на участке CD (см. рис. 157). Описанный процесс назы­вается ударной ионизацией.

Однако ударная ионизация под дей­ствием электронов недостаточна для под­держания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чтобы электронные лавины «воспроизводились», т. е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. Та­кие процессы схематически показаны на рис. 158: 1) ускоренные полем положи­тельные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны (процесс 2); 2) поло­жительные ионы, сталкиваясь с молекула­ми газа, переводят их в возбужденное состояние; переход таких молекул в нор­мальное состояние сопровождается ис­пусканием фотона (процесс 3); 3) фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее, происходит так называе­мый процесс фотонной ионизации молекул (процесс 4); 4) выбивание электронов из катода под действием фотонов (про­цесс 5).

Наконец, при значительных напряже­ниях между электродами газового проме­жутка наступает момент, когда положи­тельные ионы, обладающие меньшей дли­ной свободного пробега, чем электроны, приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа (процесс 6), и к отрицательной пластине устремляются ионные лавины. Когда возникают кроме электронных лавин еще и ионные, сила тока растет уже практически без увеличе­ния напряжения (участок DE на рис. 157).

В результате описанных процессов (1—6) число ионов и электронов в объеме газа лавинообразно возрастает и разряд становится самостоятельным, т. е. сохра­няется после прекращения действия внеш­него ионизатора. Напряжение, при кото­ром возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя.

В зависимости от давления газа, кон­фигурации электродов, параметров внеш­ней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного разряда: тлеющем, искровом, дуговом и коронном.

1. Тлеющий разрядвозникает при ни­зких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30— 50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно отка­чивая из трубки воздух, то при давлении ж 5,3—6,7 кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура краснова­того цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении ж 13 Па разряд имеет вид, схематически изобра­женный на рис. 159.

Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 — первое катод­ное свечение,или катодная пленка,затем следует темный слой 2 — катодное темное пространство,переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 — тлеющее свечение,имеющее резкую границу со стороны като­да, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 4 — фарадеево темное про­странство,за которым следует столб иони­зированного светящегося газа 5 — поло­жительный столб.Положительный столб существенной роли в поддержании разря­да не имеет. Например, при уменьшении расстояния между электродами трубки его длина сокращается, в то время как катод­ные части разряда по форме и величине остаются неизменными. В тлеющем разря­де особое значение для его поддержания имеют только две его части: катодное тем­ное пространство и тлеющее свечение. В катодном темном пространстве происхо­дит сильное ускорение электронов и поло­жительных ионов, выбивающих электроны с катода (вторичная эмиссия). В области тлеющего свечения же происходит удар­ная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при этом положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые, в свою очередь, опять ионизируют газ и т. д. Таким образом непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

При дальнейшем откачивании трубки при давлении ж 1,3 Па свечение газа ос­лабевает и начинают светиться стенки трубки. Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таких разре­жениях редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударя­ясь о стекло, вызывают его свечение, так называемую катодолюминесценцию.По­ток этих электронов исторически получил название катодных лучей.Если в катоде просверлить малые отверстия, то положи­тельные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия, проникают в про­странство за катодом и образуют резко ограниченный пучок, получивший назва­ние каналовых(или положительных) лу­чей,названных по знаку заряда, который они несут.

Тлеющий разряд широко используется в технике. Так как свечение положитель­ного столба имеет характерный для каж­дого газа цвет, то его используют в газо­светных трубках для светящихся надписей и реклам (например, неоновые газораз­рядные трубки дают красное свечение, аргоновые — синевато-зеленое). В лампах дневного света, более экономичных, чем лампы накаливания, излучение тлеющего разряда, происходящее в парах ртути, по­глощается нанесенным на внутреннюю по­верхность трубки флуоресцирующим ве­ществом (люминофором), начинающим под воздействием поглощенного излучения светиться. Спектр свечения при соответ­ствующем подборе люминофоров близок к спектру солнечного излучения. Тлеющий разряд используется для катодного напы­ленияметаллов. Вещество катода в тлею­щем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами, сильно нагрева­ясь, переходит в парообразное состояние. Помещая вблизи катода различные пред­меты, их можно покрыть равномерным слоем металла.

2. Искровой разрядвозникает при больших напряженностях электрического поля (Ё=3•10⁶ В/м) в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого и разветвленного.

Объяснение искрового разряда дается на основе стримерной теории,согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованно­го газа — стримеров.Стримеры возника­ют не только в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, но и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие мо­менты времени и устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. Из-за выделения при рассмотренных процессах большого коли­чества энергии газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой температу­ры (примерно 10⁴ К), что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к по­вышению давления и возникновению удар­ных волн, объясняющих звуковые эффек­ты при искровом разряде — характерное потрескивание в слабых разрядах и мощ­ные раскаты грома в случае молнии, явля­ющейся примером мощного искрового раз­ряда между грозовым облаком и Землей или между двумя грозовыми облаками.

Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигате­лях внутреннего сгорания и предохране­ния электрических линий передачи от пе­ренапряжений (искровые разрядники). При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла, поэтому он применяется для электроискровой точ­ной обработки металлов (резание, сверле­ние). Его используют в спектральном ана­лизе для регистрации заряженных частиц (искровые счетчики).

3. Дуговой разряд.Если после зажи­гания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстоя­ние между электродами, то разряд стано­вится непрерывным — возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко воз­растает, достигая сотен ампер, а напряже­ние на разрядном промежутке падает до

ряд можно получить от источника низкого напряжения минуя стадию искры. Для этого электроды (например, угольные) сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу (именно так она была открыта В. В. Петровым). При атмосферном дав­лении температура катода приблизительно равна 3900 К. По мере горения дуги угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление — кратер, являю­щийся наиболее горячим местом дуги.

По современным представлениям, ду­говой разряд поддерживается за счет вы­сокой температуры катода из-за интенсив­ной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обуслов­ленной высокой температурой газа.

Дуговой разряд находит широкое при­менение в народном хозяйстве для сварки и резки металлов, получения высококаче­ственных сталей (дуговая печь) и освеще­ния (прожекторы, проекционная аппара­тура). Широко применяются также дуго­вые лампы с ртутными электродами в кварцевых баллонах, где дуговой разряд возникает в ртутном паре при откачанном воздухе. Дуга, возникающая в ртутном паре, является мощным источником уль­трафиолетового излучения и используется в медицине (например, кварцевые лампы). Дуговой разряд при низких давлениях в парах ртути используется в ртутных выпрямителях для выпрямления перемен­ного тока.

4. Коронный разряд— высоковольт­ный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резконеоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (напри­мер, острия). Когда напряженность поля вблизи острия достигает 30 кВ/см, то во­круг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название этого вида разряда.

В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную или положительную корону. В случае от­рицательной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул катода под действием положительных ионов, в случае положительной — вслед­ствие ионизации газа вблизи анода. В естественных условиях корона возника­ет под влиянием атмосферного электриче­ства у вершин мачт (на этом основано действие молниеотводов), деревьев. Вредное действие короны вокруг проводов высоковольтных линий передачи проявля­ется в возникновении вредных токов утеч­ки. Для их снижения провода высоковоль­тных линий делаются толстыми. Коронный разряд, являясь прерывистым, становится также источником радиопомех.

Используется коронный разряд в элек­трофильтрах, применяемых для очистки промышленных газов от примесей. Газ, подвергаемый очистке, движется снизу вверх в вертикальном цилиндре, по оси которого расположена коронирующая проволока. Ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней части короны, осе­дают на частицах примеси и увлекаются полем к внешнему некоронирующему элек­троду и на нем оседают. Коронный разряд применяется также при нанесении порош­ковых и лакокрасочных покрытий.

Плазма и ее свойства

Плазмойназывается сильно ионизован­ный газ, в котором концентрации положи­тельных и отрицательных зарядов практи­чески одинаковы. Различают высокотемпе­ратурную плазму,возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразряд­ную плазму,возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется сте­пенью ионизацииa — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо(a со­ставляет доли процента), умеренно(a— несколько процентов) и полностью(a близко к 100 %) ионизованной плазме.Заряженные частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоряющем электрическом поле, обла­дают различной средней кинетической энергией. Это означает, что температура Т_е электронного газа одна, а ионного Т_и— другая, причем Т_е>Т_и. Несоответствие этих температур указывает на то, что газо­разрядная плазма является неравновес­ной,поэтому она называется также неизо­термической.Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации в газо­разрядной плазме восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем. Прекращение дейст­вия электрического поля приводит к исчез­новению газоразрядной плазмы. Высокотемпературная плазма являет­ся равновесной,или изотермической,т. е. при определенной температуре убыль числа заряженных частиц восполняется в результате термической ионизации. В та­кой плазме соблюдается равенство сред­них кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. В состоянии подобной плазмы находятся звезды, звезд­ные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов. Условием существования плазмы яв­ляется некоторая минимальная плотность заряженных частиц, начиная с которой можно говорить о плазме как таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства L>>D, где L — линейный размер системы заряженных частиц, D — так называемый дебаевский радиус экра­нирования,представляющий собой то рас­стояние, на котором происходит экраниро­вание кулоновского поля любого заряда плазмы. Плазма обладает следующими основ­ными свойствами: высокой степенью иони­зации газа, в пределе — полной иониза­цией; равенством нулю результирующего пространственного заряда (концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова); боль­шой электропроводностью, причем ток в плазме создается в основном электрона­ми, как наиболее подвижными частицами; свечением; сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями; ко­лебаниями электронов в плазме с большой частотой (~=10⁸ Гц), вызывающими об­щее вибрационное состояние плазмы; «коллективным» — одновременным взаимодействием громадного числа частиц (в обычных газах частицы взаимодейству­ют друг с другом попарно). Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества. Изучение физических свойств плазмы позволяет, с одной стороны, решать мно­гие проблемы астрофизики, поскольку в космическом пространстве плазма — наиболее распространенное состояние ве­щества, а с другой — открывает принци­пиальные возможности осуществления уп­равляемого термоядерного синтеза. Ос­новным объектом исследований по управ­ляемому термоядерному синтезу является высокотемпературная плазма (~=10⁸ К) из дейтерия и трития (см. § 268).

Низкотемпературная плазма (< 10⁵ К) применяется в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) — установках для не­посредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспектив­ных для длительных космических поле­тов.

Низкотемпературная плазма, получае­мая в плазмотронах, используется для рез­ки и сварки металлов, для получения неко­торых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, и т. д.