Глава пятнадцатая. Газоразрядные приборы и их применение

15-1. Виды газового разряда и его вольт-амперная характеристика

В электронных приборах движение электронов происходит без столкновений, или без соударений их с атомами газа. В ионных приборах, наоборот, при движении электронов происходит соударение их с атомами или молекулами газа или ртутного пара, которым заполняются баллоны приборов.

Кинетическая энергия электрона зависит от его скорости. При соударении электроны передают часть своей кинетической энергии атомам или молекулам газа.

При малой скорости движения электрона соударение с атомами будет упругим, при котором происходит только изменение скорости движения соударяющихся частиц. При больших скоростях движения электронов соударения становятся неупругими, при которых энергия, получаемая атомом газа, достаточна для ионизации или для возбуждения атома.

Ионизация газа состоит в расщеплении его атомов на электроны и положительные ионы.

Атомы и молекулы газа представляют собой устойчивые системы электрически заряженных частиц. Поэтому для отделения электрона надо совершить работу по преодолению сил взаимного притяжения. Эта работа называется работой ионизации (Ли). Она характеризуется потенциалом ионизации или разностью потенциалов между двумя точками пути движения электрона в электрическом поле, на котором энергия его увеличивается до значения работы ионизации

Значения потенциалов ионизации для некоторых газов даны в табл. 15-1.

Таблица 15-1 Потенциалы возбуждения и ионизации для некоторых газов

Таким образом, для ионизации газа необходимо, чтобы кинетическая энергия электрона была равна или больше работы ионизации, т. е.

Если кинетическая энергия электрона недостаточна для ионизации газа, то он может вызвать возбуждение атома газа. При возбуждении атома газа один из его электронов, получив некоторую порцию энергии, переходит на более высокий неустойчивый энергетически уровень, но через короткое время (примерно возвращается на свой прежний энергетический уровень, выделяя при этом избыточную энергию в виде светового излучения (квант света). Таким образом, возникает свечение газа. Атомы газа, которые могут находиться в возбужденном состоянии более продолжительное время, называются метастабильными.

Для возбуждения атома газа необходима энергия, определяемая потенциалом возбуждения т. е.

Значения потенциалов возбуждения для некоторых газов даны в табл. 15-1.

Соударение свободного электрона с возбужденным атомом может привести к его ионизации, которая в этом случае называется ступенчатой и для которой нужна меньшая кинетическая энергия свободного электрона.

Газ в обычных условиях является хорошим диэлектриком, так как содержит ничтожное количество свободных электронов и ионов. Наблюдающаяся ничтожная проводимость газа вызывается, постоянной ионизацией его лучами радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре и в атмосфере, и космическими лучами. Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, сильное электрическое, поле и высокие температуры также вызывают ионизацию газа.

При непрерывной ионизации газа с постоянной интенсивностью происходит не только расщепление молекул на электроны и положительные ионы, но и образование отрицательных ионов в результате соединения свободных электронов с нейтральными атомами. В то же время происходит процесс воссоединения (рекомбинация) некоторой части ионов с электронами с образованием нейтральных молекул, так что число ионов и свободных электронов в единице объема газа остается постоянным.

Рис. 15-1. Схема соединения для получения вольт-амперной характеристики газового промежутка.

Если между электродами газоразрядного прибора (рис. 15-1), к которым приложено напряжение, находится газ, ионизируемый с постоянной интенсивностью, то под действием сил электрического поля положительные ионы перемещаются в направлении доля, а электроны и отрицательные ионы в обратном направлении, таким образом в цепи проходит электрический, ток.

Совокупность явлений, происходящих в газе при прохождении через него электрического тока, называется электрическим разрядом в газе.

При увеличении напряжения между электродами (рис. 15-1) вначале ток растет пропорционально напряжению. Начальная часть ОА вольт-амперной характеристики (рис. 15-2) прямолинейна.

При дальнейшем увеличении напряжения рост тока замедляется (участок АБ), а затем совсем прекращается (участок БВ). В этом случае все ионы, образовавшиеся под действием ионизатора, переносятся от одного электрода к другому без рекомбинаций. Максимальный ток, возможный при данной интенсивности ионизации, называется током насыщения.

Электрический разряд в газе, Для возникновения и поддержания которого необходимо воздействие на газ внешнего (постороннего) ионизатора, называется несамостоятельным разрядом.

Рис. 15-2. Вольт-амперная характеристика газового промежутка.

Сильное электрическое поле может вызвать в газовой среде самостоятельный разряд, т. е. такой, который возникает и поддерживается без действия других внешних факторов. Очевидно, для его существования необходимо непрерывное образование свободных заряженных частиц. Источником их является ударная ионизация газа.

При увеличении напряжения между электродами (рис. 15-1) при некотором его значении, называемом напряжением зажигания ток в газе резко возрастает (участок ВГ на рис. 15-2) в результате ударной ионизации и возбуждения атомов газа. Газ начинает слабо светиться. Вновь полученные вторичные заряды в свою очередь также ионизируют нейтральные атомы газа. Процесс образования ионов развивается лавинообразно. Разрядный промежуток оказывается заполненным ионизированным газом, содержащим примерно одинаковое количество положительных и отрицательных заряженных частиц — газовой плазмой. Тазовая плазма обладает большой проводимостью, которая увеличивается с повышением температуры. Сила тока в этом случае ограничивается балластным сопротивлением (рис. 15-1), соединенным последовательно с разрядным промежутком.

При нормальном и пониженном давлении в газах наблюдаются три различных стадии самостоятельного разряда: темный, тлеющий и душей. Характер разряда зависит от напряжения, формы и расположения электродов, расстояния между ними, от состава газа, температуры, давления и т. д.

Темный (тихий) разряд. Как показывает само название, этот разряд сопровождается весьма слабым испусканием света и звука. Он представляет собой начальную стадию самостоятельного разряда и характеризуется незначительными плотностями тока (примерно ). Темному разряду соответствует участок ВГ вольт-амперной характеристики газового разряда (рис. 15-2). Ионизация газа за счет космических лучей и естественной радиоактивности Земли происходит вдоль всего междуэлектродного промежутка. Электроны перемещаются к аноду, а положительные ионы — к катоду. Когда число ионов, падающих на катод, становится достаточным для того, чтобы выбитые ими электроны могли поддерживать разряд без внешнего ионизатора, разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный.

Тлеющий разряд. Темный разряд переходит в тлеющий, который сопровождается свечением газа и для которого характерны значительно большие плотности тока (более 103 А/см2) и большая интенсивность ионизации, в связи с чем уменьшается напряжение на электродах (участок ГД характеристики рис. 15-2). Нормальный тлеющий разряд характеризуется постоянной плотностью тока на катоде (участок кривой ГД, расположенный параллельно оси тока). Это означаем, что площадь поверхности катода, через которую проходит ток (светящийся участок поверхности), изменяется пропорционально току. После того как ток начнет проходить через всю поверхность катода, что соответствует точке Д характеристики, нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный тлеющий разряд, при котором плотность тока, проходящего через поверхность катода, начнет нарастать. Это требует повышения напряжения между электродами, при этом увеличивается и напряжение на прикатодном участке разрядного промежутка, где положительные ионы образуют объемный заряд. Увеличение этого катодного падения напряжения означает возрастание на этом участке напряженности поля, ускоряющего электроны, и увеличение интенсивности ионизации.

Тлеющий разряд используется в газосветных (неоновых) лампах, в газотронах, тиратронах, стабилитронах и других приборах.

Дуговой разряд (электрическая дуга). Для него характерны очень большие плотности тока на катоде (до А/см2 и выше) при относительно низком напряжении (примерно 15—30 В).

Дуговой разряд может развиваться и поддерживаться как при разреженном газе, так и при нормальном атмосферном давлении.

Дуговой разряд можно получить различными путями:

1. При повышении напряжения на разрядном промежутке до некоторого значения, называемого напряжением зажигания дуги (точка Д на рис. 15-2), тлеющий разряд переходит в дуговой (участок ЕЖ на рис. 15-2). При этом поддержание дуги происходит за счет термоэлектронной эмиссии катода, раскаленного ударами ионов. Такой дуговой разряд-называется самостоятельным. Термоэлектронная эмиссия вызывает увеличение числа электронов, т. е. силы тока в дуге, а следовательно, увеличение падения напряжения на балластном сопротивлении и уменьшение напряжения на электродах.

Если термоэлектронная эмиссия катода вызывается нагреванием катода током от внешнего источника питания, то дуговой разряд будет несамостоятельным.

Рис. 15-3. Вольт-амперная характеристика электрической дуги.

2. При электросварке дуговой разряд получают сближением электродов до их соприкосновения.

Сильное нагревание током места соприкосновения электродов обеспечивает ионизацию междуэлектродного промежутка и образование электрической дуги при их раздвигании. Газоразрядная плазма между электродами имеет очень высокую температуру (выше 4 000° С) и обладает большой проводимостью. При увеличении тока температура и проводимость плазмы увеличиваются, а напряжение между электродами падает, так что характеристика дуги имеет падающий характер (рис. 15-3).

Наряду с дуговым разрядом, обусловленным термоэлектронной эмиссией с твердого металлического катода, возможен дуговой разряд с электростатической эмиссией, получаемой с поверхности ртутного (жидкого) катода, например в ртутных вентилях. Дуговой разряд в них происходит в парах ртути. Основанием дуги является светящееся пятно на поверхности ртутного катода, эмиттирующее электроны, ионизирующие пары ртути, получаемые с поверхности того же катодного пятна. Электрическая дуга открыта в 1802 г. русским академиком В. В. Петровым.

Наряду с тремя основными видами газового разряда, рассмотренными выше, различают еще две разновидности разряда:

1. Коронный разряд (корона). На поверхности круглых проводов малого диаметра или на заостренных частях проводов (на остриях) имеют место значительные напряженности электрического поля. Если они достигают некоторого критического значения, то в этих местах появляется разряд, который сопровождается слабым свечением, заметным в темноте, называемым короной, вызванной ионизацией и возбуждением газа.

2. Искровой разряд или просто искра. Если напряжение между двумя электродами достигнет значения пробивного напряжения, а напряженность поля между электродами пробивной напряженности (§ 1-7), то произойдет искровой разряд. Он имеет вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего электроды. Лавина электронов и ионов, перемещающаяся в канале по пути наименьшего сопротивления, вызывает резкое повышение температуры и давления, отчего он сопровождается характерным треском.