§ 178. Электрический разряд в газе

Первоначальное знакомство с элементарными заряженными частицами физики получили, исследуя прохождение электрического тока через газы (электрический разряд в газе). В цепь тока включается стеклянная трубка с газом. Включение происходит с помощью электродов, впаянных в стекло. Чтобы получить исчерпывающую картину явления, надо исследовать его для различных газов, разных давлений газов и при разных напряженностях поля.

Поведение различных газов в общем одинаково. Различие ионизационных потенциалов (см. § 193) приводит лишь к тому, что некоторые критические точки, о которых мы будем говорить ниже, осуществляются при других напряжениях и давлениях.

Рассмотрим характерные для всякого газа явления, происходящие при увеличении напряжения, накладываемого на газоразрядную трубку. Поведение газа, к описанию которого мы переходим, имеет место в широком интервале давлений. Мы оставляем в стороне лишь такие малые давления, при которых свободный пробег молекул становится соизмеримым с размерами газоразрядной трубки. Наше рассмотрение также не относится к столь большим давлениям, при которых плотность газов приближается к плотности жидкостей, где свободный пробег молекулы отсутствует. Почему так важен свободный пробег частиц — читателю станет сейчас ясно.

Итак, наложим на газоразрядную трубку небольшое напряжение. Если ионизатор отсутствует, ток через трубку не пойдет. В присутствии ионизатора в газе находятся заряженные частицы — ионы и электроны. При наложении поля частицы будут направляться полем к электродам. Явление носит название несамостоятельной проводимости газа. Быстрота, с которой заряженные частицы будут передвигаться по направлению к электродам, зависит от многих обстоятельств и прежде всего от напряженности поля и давления газа.

На упорядоченное движение иона и электрона, происходящее под действием постоянной электрической силы, накладывается тепловое хаотическое движение. Разгоняемая электрическим полем частица пробегает небольшое расстояние. Короткий пробег

неминуемо заканчивается соударением. При небольших скоростях движения эти столкновения происходят по закону упругого удара.

Средняя длина свободного пробега определяется прежде всего давлением газа. Чем выше давление, тем короче свободный пробег, тем меньше средняя скорость упорядоченного движения частицы. Напряжение, наложенное на газоразрядную трубку, действует, разумеется, в обратном направлении — увеличивает среднюю скорость упорядоченного движения частиц.

Как мы говорили в предыдущем параграфе, в газе, находящемся под действием ионизатора, устанавливается определенная концентрация ионов; в равновесном состояний число вновь образующихся за секунду ионов равняется числу рекомбинирующих за это же время. Наложенное напряжение нарушает равновесие: часть ионов достигает электродов, не успев рекомбинировать. По мере увеличения напряжения все большая и большая часть создаваемых в единицу времени ионов достигает электродов: электрический ток через газ растет. Так продолжается до тех пор, пока совсем не остается времени для рекомбинации и все ионы, создаваемые ионизаторами, доходят до электродов. Ясно, что дальнейшее увеличение напряжения не может увеличить тока (ток насыщения, плато на рис. 207).

Рис. 207.

Чем меньше плотность газа, тем при меньших напряженностях поля будет достигнут ток насыщения.

Сила тока насыщения равна заряду ионов, образуемых ионизатором за секунду в объеме газоразрядной трубки.

При дальнейшем увеличении напряжения возникают новые явления. В некоторый момент скорость электронов становится достаточной для выбивания электронов из нейтральных атомов и молекул. Напряжение на трубке должно при этом достигнуть такого значения, при котором электрон успевает набрать на длине свободного пробега энергию, достаточную для ионизации молекулы.

Возникновение ударной ионизации сказывается на кривой зависимости тока от напряжения: ток начинает расти, поскольку увеличение напряжения означает увеличение скорости движения электрона. Увеличение же скорости влечет за собой увеличение ионизующей способности электрона, а следовательно, создание большего числа пар ионов и увеличение силы тока.

Для этой области напряжений прохождение тока через газы начинает сопровождаться оптическими явлениями — газ светится. Действительно, если удары частиц могут привести к ионизации атома и молекулы, то они тем более могут привести к явлениям

возбуждения частиц,т. е. к переходу на более высокие энергетические уровни. Возвращаясь в нормальное состояние, молекула или атом излучает квант света. Мы не будем здесь останавливаться на этой стороне дела, поскольку излучению возбужденных атомов и молекул посвящено много места в дальнейшем (см. гл. 28 и 29).

Если энергия электрона будет в несколько раз превышать энергию, необходимую для ионизации одной молекулы, то прохождение электрического тока через газ приобретет ярко выраженный лавинный характер. Какой-либо электрон разрушает атом, создает ион и электрон. И созданный электрон обладает ионизующей способностью, и первичный электрон сохранил еще достаточно энергии, чтобы ионизовать другой атом. Процесс расширяется, и из мест первичной ионизации в сторону электродов распространяется лавина электрических зарядов: в каждом последующем слое число пар ионов будет больше, чем в предыдущем. При более или менее высоких напряжениях возрастание этой лавины происходит с исключительной быстротой.

Вторичными ионизаторами в газе являются электроны, а не ионы. Последние приобретают способность ионизовать молекулы газа только при очень больших скоростях движения, с которыми мы обычно не имеем дела. Если ионы не производят ионизацию, то устранение внешнего ионизатора прекратит разряд даже в том случае, если число пар ионов, создаваемых ударами, в сотни и тысячи раз превосходит первичную ионизацию. Каждая лавина должна начаться с первого электрона, а так как электроны движутся к аноду, то разряд прекратится в отсутствие внешнего ионизатора, как только все электроны доберутся до анода.

Такого рода весьма сильные несамостоятельные разряды обладают следующей особенностью: при данном напряжении сила электрического тока, проходящего через газ, пропорциональна числу первичных ионов, создаваемых внешним ионизатором в единицу времени. Отношение силы такого, как говорят, газоусиленного тока к силе тока насыщения, создаваемого первичной ионизацией, может достигать сотен и тысяч. Это свойство разряда используется при создании измерителей ионизации — пропорциональных усилителей (см. стр. 504).

Электрический разряд может стать самостоятельным, т. е. будет продолжаться при устранении внешнего ионизатора, лишь в том случае, если ионы станут дополнительными поставщиками заряженных частиц. Это всегда произойдет при очень больших напряжениях, когда, как мы указывали выше, ионы смогут ионизовать ударом молекулы газа. В этом случае ионы будут создавать все новые и новые электроны — первичные источники лавин.

Однако самостоятельный разряд возникнет и при значительно меньших напряжениях, если мы изготовим катод газоразрядной трубки в виде пластинки. Дело в том, что ионы способны выбивать электроны из холодного катода. Если скорость иона достаточна для такого процесса, то условие самостоятельного разряда

можно сформулировать так: появление новых электронов на катоде должно по крайней мере заменить работу первичного ионизатора.

Мы не сказали еще ничего о роли давления. При больших давлениях столб разряда сжимается, начинается термическая ионизация. Различие давлений меняет картину распределения плотности тока и соответственно характер свечения газового разряда. При нормальных и более высоких давлениях мы сталкиваемся с разными видами разрядов: характерны тихий разряд, дуговой разряд, искровой разряд. В разреженных газах имеет место так называемый тлеющий разряд. Каковы же условия возникновения и внешний вид этих разрядов?

Тихим разрядом называются не сопровождающиеся ни звуком, ни свечением утечки зарядов с конденсаторов или иных заряженных тел. На остриях, тонких проводах и вообще всюду, где имеет место резкое падение потенциала, а значит, большая напряженность поля, могут возникнуть самостоятельные тихие разряды — кистевой и корона.

Рис. 208.

При более высоких напряжениях возникает искровой разряд (газ пробивается). Пробивное напряжение довольно строго зависит лишь от произведения давления газа на расстояние между электродами. Воздух между шаровыми электродами пробивается искрой при напряженности поля (при нормальном давлении). Измерение пробивного расстояния можно использовать для измерения высоких напряжений.

Особый вид разряда наблюдается в электрической дуге. В дуговом разряде плотность тока велика, хотя напряжение между электродами мало. Особенностью дугового разряда, который чаще всего создается между угольными электродами, является чрезвычайно высокая температура электродов. Поэтому в дуге большую роль играет термоэлектронная эмиссия с катода.

Тлеющий разряд в разреженных газах имеет характерный вид для каждого давления. При некотором опыте можно по одному лишь виду разряда с большой точностью определять степень разрежения. Вид различных типов газового разряда представлен схемой рис. 208.