§ 47. Тлеющий разряд

Явления, происходящие в вакуум-трубке при тлеющем разряде, уже были описаны выше (§ 46). Там же пояснены термины, определяющие основные зоны тлеющего разряда: первый катодный слой, темное катодное (круксово) пространство, второй катодный слой, темное анодное (фарадеево) пространство, анодное свечение.

Когда мы соединяем электроды эвакуированной трубки с полюсами источника высокого напряжения, то свободные положительные ионы, всегда имеющиеся в газе, устремляются к катоду. При небольших разрежениях скорости их недостаточны для того, чтобы при соударении с поверхностью катода вызвать вырывание из вещества катода электронов, однако если разрежение и, следовательно, средний свободный путь значительны, то скорость положительных ионов достигает «критической величины», и катод под влиянием бомбардировки ионами становится источником электронов, выбрасываемых в окружающее катод пространство и устремляющихся к аноду.

Удары электронов о нейтральные молекулы газа возбуждают свечение газа и частично ионизацию газа. В темном круксовом пространстве (которое в действительности тоже светится, но кажется темным по контрасту с яркими катодными слоями) скорость электронов быстро возрастает. Второй катодный слой является областью наиболее интенсивных соударений электронов с нейтральными молекулами. Эти соударения тормозят движение электронов. В темном фарадеевом пространстве электроны движутся к аноду с меньшей скоростью, чем в круксовом пространстве.

Движение электронов и ионов с неравномерной скоростью создает неравномерное распределение их зарядов в пространстве между электродами; это существенно деформирует поле между электродами; падение потенциала вдоль вакуум-трубки делается неравномерным, что в свою очередь усугубляет неравномерность распределения зарядов по пространству.

В итоге устанавливается то характерное для тлеющего разряда изменение потенциала вдоль трубки, которое представлено на рис. 162 (измерение потенциала производят, смещая электроды относительно зонда, рис. 163). При удалении от анода потенциал медленно падает в области положительного свечения, почти не изменяется в области тлеющего свечения (второй катодный слой) и резко падает близ катода в области круксова темного пространства.

Рис. 162. Распределение потенциала при тлеющем разряде.

Это резкое падение потенциала близ катода, так называемое катодное падение потенциала, имеет ту или иную величину (порядка 100— 300 в) в зависимости от природы газа и вещества катода.

Рис. 163. Схема опытов по измерению потенциала в различных точках газоразрядной трубки.

Длина круксова темного пространства, где имеет место катодное падение потенциала, определяется свободным пробегом ионов и поэтому возрастает при уменьшении плотности газа; произведение длины на давление газа остается постоянным:

Кинетическая энергия, накапливаемая электронами при пробеге круксова пространства, является достаточной для ионизации газа в области тлеющего свечения (второго катодного слоя); здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Если анод приближать к катоду, то

расположение катодных слоев не изменяется и только укорачивается область положительного свечения (рис. 164). Но если анод приблизить до тлеющего свечения, то приостанавливается нормальное образование положительных ионов, необходимых для поддержания разряда, и разряд прекращается.

Рис. 164. Положение анода не влияет на расположение катодных слоев при тлеющем разряде.

Форма и расположение столба положительного свечения зависят от внутренних очертаний трубки (рис. 165).

Рис. 165. Влияние расположения электродов и формы трубки на вид тлеющего разряда.

Когда расстояние между электродами меньше того, которое нужно, чтобы на нем разместились темное катодное пространство и светящиеся катодные слои, то тлеющий разряд может избрать себе более длинный путь (рис. 166).

Положительный столб нередко распадается на отдельные чередующиеся светлые и темные полосы — страты. В этом случае тлеющий разряд называют слоистым (рис. 167).

Если сопоставлять тлеющий разряд в одном и том же. газе, но при катодах, изготовленных из разных металлов, то обнаруживается,

что катодное падение потенциала пропорционально работе выхода электрона из металла (о работах выхода сказано в § 33). Коэффициент пропорциональности в этой линейной зависимости между катодным падением потенциала и работой выхода неодинаков для газов различной химической природы (рис. 168).

Температура газа у самого катода выше, чем в соседних зонах тлеющего разряда. Положительные ионы, бомбардирующие катод, вырывают из катода не только электроны, но и нейтральные атомы металла: происходит распыление металла, из которого изготовлен катод. Чем больше масса ионов, ударяющихся о катод, тем сильнее происходит катодное распыление металла.

Рис. 166. В случае слишком малого расстояния между электродами тлеющий разряд осуществляется по более длинному пути.

Поэтому в тяжелых газах распыление больше, чем в легких. Понятно, что катодное распыление тем более велико, чем больше плотность тока. Наиболее легко распыляются висмут, сурьма, свинец, кадмий, серебро. Катодное распыление применяют для получения тонких металлических слоев на стекле, слюде и (когда желают получить тонкую металлическую пленку) на веществах, которые легко удалить растворением.

Положительное свечение тлеющего разряда используют в качестве источника света (в так называемых газосветных трубках, содержащих инертные газы). Яркость свечения положительного столба зависит от плотности тока, от давления и химической природы газа и от влияния стенок разрядной трубки При малых давлениях газа положительное свечение заполняет все сечение цилиндрической разрядной трубки. При давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба, а также при увеличении тока положительный столб суживается, отделяясь от стенок трубки. При давлениях порядка одной или нескольких атмосфер положительное свечение приобретает вид ярко светящегося шнура, расположенного по оси трубки. Такое отшнурование положительного столба происходит потому, что температура газа у стенок трубки меньше, чем в осевой области. В связи с этим плотность газа около оси меньше, чем у стенок; стало быть, свободный пробег электронов около оси больше, и поэтому здесь устанавливается более высокая степень ионизации газа; это приводит к тому, что плотность разрядного тока по оси

(кликните для просмотра скана)

оказывается больше, что в свою очередь вызывает еще большее нагревание газа. В парах ртути при давлении в 1 атмосферу температура газа в отшнурованном положительном столбе равна 5000-6000°К, а при давлении 200—300 атмосфер она достигает 8000—10 000°.