Процессы на аноде и катоде

Для того чтобы в цепи, содержащей газовый промежу­ток, возник установившийся электрический ток, необходим переход электронов из катода в газ и из газа в анод. Выход электронов из металлического проводника или полупровод­ника в газ требует затраты энергии на преодоление потен­циального барьера, имеющегося на границе проводник— газ. Значение потенциального барьера зави­сит от материала катода и рода газа. Следовательно, для обеспечения установившегося тока напряжение, приложен­ное к газовому промежутку, должно быть достаточным не только для пробоя газа и образования в нем лавинообраз­ного роста носителей зарядов, но и для того, чтобы создать вблизи катода достаточную напряженность электрическо­го поля для преодоления потенциального барьера при дан­ных материале катода и газе. По мере нагревания катода выход электронов под действием высокой напряженности поля, называемой электростатической (автоэлектронной) эмиссией, облегчается благодаря возникновению термоэлектронной эмиссии, связанной с высокой температурой катода. Температура тер­моэлектронной эмиссии, обеспечивающая выход электрона, необходимый для поддержания электрического тока в газовом промежутке, зависит от материала катода. Она достаточно высока для катодов из чистых металлов (более 2270 К) и существенно понижается при применении пле­ночных и особенно сложных, так называемых оксидных катодов (около 1300 К). Наличие электростатической или термоэлектронной эмиссии катода приводит к тому, что прикатодная область по своему составу отличается от плаз­мы, характерной для основного газового промежутка.

В газовом промежутке в прикатодной области можно различить следующие характерные области (рис. 7.4): астоново темное пространство 1', зону прикатодного свечения 2, которая занимает тем большую часть поверхности катода, чем больше ток разряда; катод­ное темное пространство 3— небольшой темный промежу­ток, отделяющий катодное свечение от отрицательного тле­ющего свечения 4, которое имеет вид облачка, четко огра­ниченного со стороны темного пространства и с размытой границей в сторону анода; фарадеево темное пространст­во 5 и столб разряда 6, заполненный плазмой. Падение на­пряжения, связанное с входом электронов в анод, создает в непосредственной близости от него анодное темное про­странство 7—узкую темную область, за которой при неко­торых условиях лежит тонкая пленка анодного свечения. На рис. 7.4 даны также распределения яркости, электриче­ского потенциала и напряженности электрического поля, соответствующие указанным характерным областям раз­ряда.

Эти видимые особенности околокатодного и околоанод­ного пространства имеют место при свободном, не стеснен­ном разряде при низком давлении газа или пара. С ростом давления или появлением в газоразрядном пространстве каких-либо стеснений для движения электронов и ионов, картина искажается, место, занимаемое отдельными областями настолько сокращается, что выделить их не представляется возможным.

Рис. 7.4. Характерные области в газовом промежутке при тлеющем разряде

Размеры прикатодной области при прочих равных условиях обратно пропорциональны давлению газа.

Удары положительных ионов о катод и электронная бомбардировка анода приводят к распылению их поверхностей. В газоразрядных лампах это приводит к сокращению срока службы из-за разрушения катода.

Виды разряда

Если к электродам, впаянным на концах длинной труб­ки, заполненной газом (разрядному промежутку), прило­жить высокое напряжение, достаточное для пробоя, преду­смотрев в цепи регулируемый резистор, позволяющий огра­ничить ток после пробоя заданными пределами, то по мере повышения тока в цепи можно выявить следующие виды разряда (рис. 7.5):

1. При небольших плотностях тока имеет место темный разряд, характерный отсутствием видимого свечения.

2. По мере роста плотности тока при некотором ее зна­чении для данного газоразрядного промежутка происходит зажигание разряда, т.е. появляется свечение, и напряжение на газоразрядном промежутке заметно падает.

3. При дальнейшем росте плотности тока напряжение остается неизменным до тех пор, пока вся поверхность ка­тода не покроется свечением; этому участку вольт-ампер­ной характеристики разряда соответствует так называемый нормальный тлеющий разряд.

4. Последующий рост плотности тока сопровождается повышением напряжения на разрядном промежутке, раз­ряд переходит в аномальный тлеющий, характеризуемый интенсивным свечением на катоде, температура которого растет вместе с плотностью тока.

5. По достижении катодом температуры термоэлектрон­ной эмиссии, которая зависит от материала катода, проис­ходит переход тлеющего разряда в дуговой, сопровождающийся увеличением интенсивности свечения столба разряда и околокатодных и околоанодных областей. При этом на­пряжение на газоразрядном промежутке сначала резко па­дает и продолжает падать по мере роста плотности тока, разряд имеет падающую вольт-амперную характеристику. Дальнейшее повышение плотности тока не приводит к ка­ким-либо изменениям в характере разряда и в ходе вольт- амперной характеристики, если только рост плотности тока не приводит к измене­ниям физико-химического состояния электродов или газа. При очень больших плотностях тока напряже­ние на разрядном проме­жутке может начать расти, столб разряда приобретает вид шнура.

Рис. 7.5. Вольт-амперная характе­ристика газового промежутка:

/—тлеющий разряд; 2— переходная область; З—нормальный тлеющий разряд; 4—аномальный тлеющий разряд; 5—дуговой разряд

В зависимости от состоя­ния катода и плотности то­ка различают три основных вида газового разряда, из­лучающего свет - нормаль­ный тлеющий, аномальный тлеющий и дуговой. Когда каждый из указанных видов разряда получается лишь в результате изменения прило­женного к разрядному промежутку напряжения, он назы­вается самостоятельным. Если для поддержания разряда кроме приложения соответствующего напряжения приходит­ся принимать дополнительные меры внешнего воздействия (подогрев катода, ионизация промежутка высокочастот­ным полем и т.п.), разряд называют несамостоятельным.