Наша сеть партнеров Banwar
Газорозрядними називають електровакуумні прилади з електричним розрядом в газі або парах. Конструктивно газорозрядні прилади представляють систему електродів, поміщених в балон, заповнений інертним газом (аргон, неон, криптон), воднем або парами ртуті. Тиск газу в балоні становить від 10-1 до 103 Па.
Електричний розряд в газі
Розглянемо гіпотетичну модель, що складається з двох паралельних пластин, розташованих в балоні, наповненому інертним газом. До цих пластин через резистор Ra з великим опором підводиться напруга від джерела живлення Eі.п (рис. 10.29, а). Одну з пластин, до якої підключений негативний полюс джерела живлення, умовно назвемо катодом, іншу - анодом. Підвищуючи напругу джерела живлення Eі.п, будемо спостерігати, як змінюється струм I а і напруга між електродами uа. 
Мал. 10.29
Якщо Eі.п = 0, то в розрядному проміжку між катодом і анодом існує невелике число вільних електронів та іонів, що виникли в результаті зовнішньої іонізації газу світловим потоком, космічним випромінюванням і іншими впливами. Електрони і позитивні іони здійснюють безладне (теплове) рух і, наближаючись один до одного, можуть зливатися, утворюючи нейтральні атоми. Цей процес називається рекомбінацією. Процеси іонізації і рекомбінації знаходяться в динамічній рівновазі, тому число електронів та іонів зберігається незмінним.
При збільшенні напруги Еі.п між електродами виникне електричне поле, під дією якого позитивні іони почнуть переміщатися до катода, а вільні електрони - до анода, тобто в розрядному проміжку, а отже, і у зовнішній ланцюга виникне незначний електричний струм. Поки напруга Еі.п невелика, цей струм малий і не створює значного падіння напруги на резисторі Ra, тому можна вважати, що uа≈Еі.п. Залежність струму від напруги показана на рис. 10.29, б.
При малих значеннях uа ток обумовлений носіями заряду, що виникли в результаті зовнішньої іонізації, і практично зберігається незмінним (ділянка А на рис. 10.29, б).
У міру збільшення напруги Еі.п зростає швидкість руху електронів та іонів, відповідно збільшується їх кінетична енергія. При русі електронів до анода вони стикаються з атомами газу. При невеликій швидкості ці зіткнення є пружними, і величина енергії частинок, що стикаються не змінюється. При певній швидкості зіткнення стають непружними. В результаті таких зіткнень електрони атома можуть перейти на більш високі енергетичні рівні, тобто відбувається порушення атома. Збуджений стан атома триває від 10-7 до 10-9 с, після чого електрон повертається на вихідний енергетичний рівень, випускаючи квант енергії випромінювання. При незначному числі зіткнень світіння газу непомітно. При досить великій швидкості електронів відбувається відділення електронів від атомів, в результаті чого утворюються нові вільні електрони і позитивні іони. Утворилися електрони, рухаючись до анода, роблять нові іонізації, а іони переміщаються до катода і вибивають з нього вторинні електрони, які, рухаючись до анода, також здійснюють нові іонізації і т. Д. Внаслідок цього відбувається розмноження носіїв заряду і збільшення струму (ділянка АВ на рис. 10.29, б).
Процес утворення нових електронів та іонів в результаті зіткнень з атомами газу називається об'ємною іонізацією газу і оцінюється коефіцієнтом об'ємної іонізації а, який показує, яка кількість іонізації здійснює один електрон на шляху довжиною в 1 см. Кількість вибиваються з катода електронів оцінюється коефіцієнтом вторинної електронної емісії. Кожен електрон, проходячи від катода до анода шлях довжиною rк-а, здійснює αrк-а іонізації, а кількість електронів, що потрапляють на анод при виході з катода одного електрона, виявляється рівним ехр (αrк-а). Якщо з катода в одиницю часу виходить N0 електронів, створених зовнішньої іонізацією, то на анод в результаті розмноження потрапляє N0exp (αrк-а) електронів. Число іонів, що утворюються при об'ємної іонізації, так само N0 [exp (αrк-а) -l], а число вибиваються з катода електронів - σN0 [exp (αrк-а) -l], де σ - коефіцієнт вторинної електронної емісії. Поки кількість вторинних електронів, що вибиваються з катода, менша за кількість електронів, створених зовнішньої іонізацією, розряд є несамостійним, тобто залежним від зовнішньої іонізації. При припинення зовнішньої іонізації розряд припиняється. При деякій величині Uз, званої напругою запалювання, кожен електрон, вибитий з катода, створює на своєму шляху до анода стільки електронів, скільки необхідно для вибивання нового електрона. В цьому випадку розряд стає самостійним, тобто він може існувати незалежно від зовнішнього джерела іонізації. Після настання самостійного розряду (точка В) настає лавиноподібне збільшення числа носіїв заряду, і струм різко зростає. Однак зростання струму обмежується резистором R, на якому в міру зростання струму зростає падіння напруги і, відповідно, знижується напруга Ua. Величина цієї напруги мимовільно встановлюється такий, щоб в процесі іонізації створювалося необхідне для отримання заданого струму кількість носіїв заряду, тобто різниця потенціалів між електродами іонного приладу залежить від стану іонізованого газу. У зв'язку з цим доцільно розглянути залежність напруги від струму (рис. 10.29, в).
Область ВС на рис. 10.29, в називається областю темного самостійного розряду. Електричне поле в цій області створюється в основному зарядами на електродах, просторовий заряд дуже малий і розподіл потенціалу між катодом і анодом близько до лінійного. У міру зростання струму зростає об'ємний заряд і поле спотворюється. У катода накопичується велика кількість іонів, тому можна вважати, що практично вся прикладена напруга падає в вузькій області поблизу катода, званої областю катодного падіння напруги (рис. 10.30).
Мал. 10.30
Область розряду з майже незмінним потенціалом носить назву позитивного стовпа. Електрони прискорюються в області катодного падіння напруги, тому там і відбувається основна іонізація. Інтенсивність іонізації в цій області більше початкової, тому напруга, при якому підтримується розряд, з ростом струму знижується. У точці С настає тліючий розряд, відмінною рисою якого є світіння газу, що нагадує світіння тліючого вугілля. Цей розряд буває трьох видів: поднормальний, нормальний і аномальний.
Поднормальний тліючий розряд (ділянка CD на рис. 10.29, в) характеризується зменшенням напруги, при якому підтримується розряд при збільшенні струму, і шнуруванням (стяганням) розряду. Шнурування обумовлено тим, що з ростом струму звужується область катодного падіння напруги. Вона стає настільки вузькою, що починають позначатися шорсткості поверхні катода, в результаті чого з'являються локальні ділянки, в межах яких напруженість поля виявляється вищою. Тому на цих ділянках іонізація зростає, що призводить, як зазначено раніше, до зниження напруги, в результаті чого на тих ділянках, де напруженість поля нижча, розряд припиняється. Чим більше струм, тим менше область, охоплена іонізацією.
Процес шнурування відбувається до тих пір, поки область катодного падіння напруги не стане настільки вузькою, що електрони виявляться нездатними створити необхідну кількість іонів, необхідне для вибивання нових електронів на зміну зниклим. Тому подальше зростання струму стає можливим лише при збільшенні поверхні катода, охопленої іонізацією. Настає область нормального тліючого розряду (ділянка DE на рис. 10.29, в). Після того як вся поверхня катода виявиться охопленої іонізацією, для збільшення струму будуть потрібні додаткові носії заряду, виникнення яких можливе при збільшенні напруги. Такий розряд (область EF на рис. 10.29, в) називається аномальним тліючим розрядом.
Збільшення напруги на іонному приладі, що працює в режимі аномального тліючого розряду, веде до збільшення інтенсивності бомбардування катода іонами, в результаті чого на поверхні катода виникає термоелектронна емісія. Крім того, іони, перебуваючи дуже близько до поверхні катода, створюють сильне електричне поле, що викликає електростатичну емісію. Тому число електронів в приладі різко збільшується, їх об'ємний заряд компенсує позитивний об'ємний заряд іонів і напруга на приладі зменшується (ділянка FG на рис. 10.29, в), настає дугового розряд. Зменшення напруги супроводжується шнуруванням розряду і утворенням яскраво світиться катодного плями. Шнурування триває до тих пір, поки напруга не досягне величини, рівної 10-20 В, необхідної для підтримки емісії електронів. Подальше збільшення струму (ділянка GH) відбувається за рахунок розширення області, охопленої електронної емісією.