Газы в электрическом поле. Образование и свойства плазмы

Свободные электроны и ионы в нейтральном газе образуются в результате ионизации молекул газа под воздействием быстро летящих электронов, светового потока, космических лучей и других причин. Кроме, того, источниками свободных электронов в газе могут служить термоэлектронные, фотоэлектронные, а также холодные катоды, испускающие электроны при бомбардировке их поверхности ионами.

Рассмотрим две плоскопараллельные металлические пластины, находящиеся в газе. Назовем промежуток между пластинами разрядным промежутком. Приложим к указанным пластинам постоянную разность потенциалов, при этом создадим замкнутую цепь: внешний источник напряжения Е, разрядный промежуток и активное ограничительное сопротивление R.

Отметим, что в разрядном промежутке между пластинами всегда существует небольшое число свободных электронов и ионов, возникших в результате ионизации газа световым потоком, радиоактивным излучением и других воздействий. Наряду с процессом ионизации в газе происходит и обратный процесс - рекомбинация свободных электронов и ионов. Эти два процесса находятся в динамическом равновесии, и число заряженных частиц остается неизменным. Если катод прибора выполнен из материала с малой работой выхода, то возможна также эмиссия с поверхности катода под действием тех же факторов. Часть электронов, покинувших катод, возвращается обратно, и у его поверхности образуется скопление электронов, также находящееся в динамическом равновесии.

Наличие свободных электронов и ионов в газе означает, что в цепи источника напряжения Е, подключенного к рассматриваемым пластинам, должен протекать ток, если только сопротивление разрядного промежутка не равно бесконечности. Протекание тока через разрядный промежуток будет обеспечено дрейфовым движением свободных электронов и ионов, имеющихся в баллоне прибора. Так как скорость движения «тяжёлых» ионов в электрическом поле значительно меньше скорости движения электронов, то ионный ток меньше электронного. Тем не менее, результирующий ток равен сумме электронного и ионного токов, так как разноименные заряды перемещаются во встречных направлениях. Вследствие того, что из разрядного промежутка в единицу времени уходит больше электронов, чем ионов, в приборе образуется пространственный положительный заряд.

При движении электронов к аноду, а ионов к катоду возможны их соударения с молекулами газа. Если разность потенциалов U на электродах прибора очень мала, то происходят упругие соударения, при которых внутренняя энергия частиц не изменяется. При большей разности потенциалов, а следовательно, и большей скорости электронов возможны неупругие соударения, в результате которых изменяется внутренняя энергия хотя бы одной из соударяющихся частиц и электроны атома могут перейти на уровни возбуждения или ионизации. Напряжения между пластинами разрядного промежутка, при которых возникают эти процессы, называются напряжением возбуждения U_в и напряжением ионизации U_i соответственно. В первом случае электрон не покидает атома, но находится на более высоком энергетическом уровне, так что отделение его требует уже меньшей энергии. Возбужденное состояние атома, как правило, неустойчиво, и через очень малый промежуток времени электрон возвращается на прежний энергетический уровень, испуская квант энергии излучения. Возможно, однако, и более устойчивое возбужденное состояние атома, называемое метастабильным. Из него атом выходит лишь при новом столкновении, причем возбужденный электрон отделяется от атома или же возвращается в устойчивое невозбужденное состояние.

В случае ионизации при соударении электрон отделяется от атома - образуются положительный ион и свободный электрон. Описанные процессы называются объемной ионизацией.

Ионы, двигаясь к катоду и ударяясь о его поверхность, также выбивают свободные электроны (поверхностная ионизация). Вновь образовавшиеся электроны в свою очередь вызывают объемную ионизацию и т. д.

Степень объемной и поверхностной ионизации оценивают коэффициентами и соответственно, определяющими число свободных электронов, полученных на один электрон или ион (для объемной ионизации на единицу длины пути электрона).

Таким образом, если U_а > 0, то убыль заряженных частиц, участвующих в протекании тока через прибор, восполняется за счет объемной и поверхностной ионизации, а также за счет облегчения ионизации внешними ионизаторами при возбуждении атомов.

При определенной степени ионизации газа может оказаться, что плотности отрицательных зарядов (электронов) и положительных (ионов) почти равны. Такое состояние сильно ионизированного газа называется газовой плазмой.

Предположим, что с поверхности катода под действием внешнего ионизирующего фактора в момент t₁ вышло n₀ электронов. Под действием разности потенциалов U_а электроны движутся к аноду и, сталкиваясь с атомами газа, ионизируют их. Образовавшиеся ионы перемещаются по направлению к катоду, а вновь возникшие свободные электроны присоединяются к первичным n₀ электронам и при дальнейшем движении к аноду участвуют в объемной ионизации. Таким образом, по мере приближения к аноду число электронов лавинообразно увеличивается. Это движение называют лавиной заряженных частиц.

Интенсивность ионизации зависит от рода газа, давления и температуры в баллоне, а также от разности потенциалов на электродах.

Рис. 1.1. Вольтамперная характеристика электрического разряда в газе.

Если все перечисленные факторы, за исключением разности потенциалов U_а, остаются неизменными, то процессы, происходящие в разрядом промежутке, отображаются вольтамперной характеристикой разряда (рис. 1.1). Аргументом в случае электрического разряда в газе является ток через прибор, так как разность потенциалов между электродами зависит от состояния ионизированного газа, т. е. от движения заряженных частиц и распределения пространственных зарядов между анодом и катодом.

Область 1 на вольтамперной характеристике соответствует несамостоятельному разряду. Переход от точки А к Б происходит при уменьшении R; для всех точек этого участка кривой число электронов, уходящих с катода, мало, ионизация газа незначительна (а и у небольшие), a M < 1. Сопротивление R очень велико и через прибор протекает незначительный ток.

При повышении напряжения в приборе возникает самостоятельный разряд. Область 2 соответствует начальной стадии самостоятельного разряда — тёмному разряду. Темный разряд характеризуется малым током, который ограничен большим внешним сопротивлением, слабым свечением газа и почти неискаженным пространственными зарядами полем.

По мере увеличения тока темный разряд переходит в тлеющий (область 4), и газ в приборе начинает интенсивно светиться в результате выделения энергии при рекомбинации электронов и ионов.

В переходной области 3 напряжение на приборе падает. Вблизи точки В этой области у поверхности одного из участков катода, где эмиссия наибольшая, происходит более интенсивная ионизация газа. Здесь скапливается большее число ионов, компенсирующих отрицательный пространственный заряд и облегчающих движение электронов к аноду. Появляется столбик более ионизированного газа. С увеличением тока сечение этого столбика растёт и ери некотором его значении направленное движение электронов к аноду и процессы объемной ионизации начинают преобладать над диффузионным рассеянием заряженных частиц в окружающее пространство. Для поддержания разряда теперь не требуется большой разности потенциалов между катодом и анодом, и напряжение на приборе уменьшается.

При тлеющем разряде описанные процессы стабилизируются. У катода появляется положительный пространственный заряд, искажающий распределение потенциалов, и создается область катодного падения потенциала. В начальной части области 4 (вблизи точки Г) катодное падение образуется на небольшом участке катода. Затем ток через прибор растет за счет расширения области катода, охваченной катодным падением потенциала, но плотность тока остается неизменной и разность потенциалов между электродами не изменяется. Это свойство постоянства напряжения при изменении тока через прибор, характерное для тлеющего разряда, лежит в основе работы стабилитронов. После того как вся поверхность катода окажется охваченной катодным падением, для увеличения тока через прибор необходимо образование новых заряженных частиц. Этого можно достигнуть только при повышении разности потенциалов на электродах, а следовательно, и увеличения степени объемной и поверхностной ионизации. Такой разряд (область 5) называется аномальным тлеющим разрядом.

В точке Е напряжение настолько велико, что скорость ионов сильно возрастает. Катод, бомбардируемый ионами, сильно разогревается и с его поверхности возникает дополнительная термоэлектронная эмиссия. В приборах с ртутным катодом повышение температуры катода приводит к более интенсивному испарению ртути. Плотность паров ртути повышается, увеличивается число столкновений электронов с молекулами ртути, образуется все большее число ионов. Ионы, находясь очень близко от поверхности катода, образуют электрическое поле большой напряженности (порядка 10⁶—10⁸ в/см). Возникает дополнительная электростатическая электронная эмиссия.

В результате дополнительной термоэлектронной или электростатической эмиссий число электронов в приборе резко увеличивается. Они компенсируют положительный пространственный заряд, и напряжение падает (область 6). Возникает дуговой разряд (область 7). Для этого разряда характерны малое падение напряжения между катодом и анодом (в основном вследствие незначительного катодного падения) и большой ток через прибор. Дуговой разряд используется в мощных ионных приборах: ртутных вентилях и игнитронах.

Особой формой разряда является дуговой разряд в приборах с накаливаемым катодом. В них дуговой разряд возникает при небольших напряжениях, на электродах, так как катод разогревается не ионами, а посторонним источником напряжения. Такой разряд, называемый низковольтной дугой, используется в газотронах и тиратронах.

Низковольтная дуга может возникать при потенциале анода, меньшем потенциала ионизации или даже меньшем потенциала возбуждения. В первом случае низковольтную дугу называют нормальной, а во втором случае — аномальной.

В ионных приборах используется также высокочастотный разряд, вызываемый действием высокочастотного электромагнитного поля. Если электроды прибора отключить от батареи Е и использовать как обкладки конденсатора в высокочастотном колебательном контуре, то в разрядном промежутке возникнет высокочастотный разряд. Малоподвижные ионы не успевают изменять направление своего движения при быстрой перемене знаков потенциала на электродах и образуют пространственный положительный заряд. Высокочастотный разряд возможен при низких значениях разности потенциалов на электродах. Этот вид разряда используется в радиолокационных резонансных разрядниках.