ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В

ГАЗАХ -прохождение электрич. тока через ионизованные газы, возникновение и поддержание ионизованного состояния под действием электрич. поля. Термин "разряд" возник от обозначения процесса разрядки конденсатора через цепь, включающую в себя газовый промежуток, что происходит, когда напряжение превышает порог пробоя промежутка. Ныне это слово употребляют в более широком смысле.

Существует множество видов Э. р. в г. в зависимости от характера приложенного поля (пост. электрич. поле, переменное, импульсное, ВЧ, СВЧ), от давления газа, формы и расположения электродов и т. п. Ниже даны общее описание и примерная классификация разрядных явлений, рассмотрены их осн. составляющие элементы и более подробно- важнейшие виды разрядов.

Разряды в постоянном поле. Законы прохождения электрич. тока через газы значительно сложнее, чем через металлы и электролиты; лишь в редких случаях они подчиняются закону Ома. Их электрич. свойства описывают вольт-амперной характеристикой(BAX). Если в стеклянную трубку, наполненную к.-л. газом, ввести два электрода, подключённые к источнику пост, напряжения, то даже при небольшом напряжении (V<100 В) сверхчувствительный прибор зарегистрирует протекание очень слабого тока ~10-15 А. Ток создаётся "вытягиванием" полем на электроды зарядов, образующихся под действием космич.лучей и естеств. радиоактивности. Если облучать газ рентг. или радиоакт. источником, ток повысится до 10-6 А. При повышении напряжения ток сначала возрастает, затем достигает насыщения (чему соответствует полное вытягивание всех зарядов, образуемых внеш. источником)-участок AB на рис. 1.

469-512_09-20.jpg

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика газовых разрядов: AB- несамостоятельный разряд; BC-тёмный таунсендовский; DE- нормальный тлеющий; EF -аномальный тлеющий; FG -переход в дугу; GH -дуговой;469-512_09-21.jpg -нагрузочная прямая.


Такие разряды и ток, к-рые существуют только при действии постороннего ионизующего агента или, напр., благодаря электронной эмиссии, вызванной накаливанием катода, наз. несамостоятельными.


При нек-ром напряжении, зависящем от рода газа, давления r и расстояния между электродами d, происходит пробой и зажигается самостоятельный разряд, к-рый не нуждается в постороннем источнике ионизации.

Пробой газа начинается от случайных или искусственно впрыскиваемых нач. электронов, к-рые набирают в элек-трич. поле энергию, а затем теряют её на возбуждение и ионизацию атомов. В результате ионизации вместо одного энергичного электрона появляются два медленных, они снова набирают энергию и т. д.- развивается лавина электронная. За 469-512_09-22.jpg с ток вырастает на неск. порядков.
Дальнейший ход процесса зависит от ряда условий. При небольших давлениях (~10-1 -10 тор) и очень большом электрич. сопротивлении внеш. цепи 469-512_09-23.jpgограничивающем ток величиной ~10-6 А, зажигается тёмный (таунсен-довский) разряд (участок BC на рис. 1); при несколько меньших сопротивлениях - тлеющий разряд (участок CF). Для последнего характерны ток 469-512_09-24.jpg (в трубках радиуса R~1 см) и напряжение 469-512_09-25.jpgВ. При большом межэлектродном расстоянии образуется однородный светящийся столб (положит. столб разряда), представляющий собой плазму. Плазма тлеющего разряда неравновесная, электронная темп-pa469-512_09-26.jpgК значительно больше газовой темп-ры 469-512_09-27.jpgстепень ионизации 469-512_09-28.jpgплазмы тлеющего разряда низкая, ~10-8- 10-6, в 102-104 раз меньше термодинамически равновесной, отвечающей Т е. Если r порядка атмосферного, сопротивление мало, а источник тока мощный, то вскоре после пробоя зажигается дуговой разряд, для к-poro характерны сильный ток 469-512_09-29.jpg низкое напряжение 469-512_09-30.jpgВ (участок CH на рис. 1), ярко светящийся столб.

В дуге выделяется большая мощность, стеклянная трубка быстро разрушилась бы от перегрева. Длительно поддерживать дугу в замкнутом сосуде можно только при спец. охлаждении. Дугу часто зажигают в открытом воздухе. В дуговом разряде плазма чаще всего равновесная, с 469-512_09-31.jpgК и соответствующей таким темп-рам степенью ионизации 469-512_09-32.jpg Какой разряд получится после пробоя, зависит от давления, напряжения и сопротивления и на графике определяется местом пересечения BAX разряда 469-512_09-33.jpgнагрузочной прямой 469-512_09-34.jpg -эдс источника питания (рис. 1).

Классификация газовых разрядов. Среди стационарных самостоятельных разрядов в пост. поле наиб. важные и распространённые - тлеющий и дуговой. Они различаются механизмами катодной эмиссии, обеспечивающей возможность протекания пост. тока, поскольку осн. носителями тока являются электроны. В тлеющем и тёмном (таунсендовском) разрядах катод холодный. Электроны вырываются из него положит. ионами (и фотонами). В дуговом разряде катод разогревается сильным током и происходит термоэлектронная эмиссия. В резко неоднородных полях, усиленных около острий, проводов линий электропередачи, возникает коронный разряд, самостоятельный и слаботочный. Среди быстротечных сильноточных разрядов особенно важен искровой разряд. Он возникает обычно при 469-512_09-35.jpgсм и достаточно высоком напряжении, превышающем напряжение зажигания короны, если поле сильно неоднородное. Искровой пробой газа происходит в результате возникновения и быстрого развития тонкого плазменного канала от одного электрода к другому; затем получается как бы короткое замыкание цепи высокопроводящим искровым каналом. Одна из форм искрового разряда-молния. В коронном и искровом разрядах катодная эмиссия особой роли не играет.

Несущественна роль электродных процессов и в большинстве разрядов в быстропеременных полях. Поэтому разряды можно классифицировать, и не учитывая признаки, связанные с электродными эффектами, а по состоянию плазмы разряда и частоте электрич. поля. По характеру ионизац. состояния газа можно различать: 1) пробой;

2) поддержание электрич. полем неравновесной плазмы;

3) поддержание равновесной плазмы. Электрич. поля, вызывающие газовые разряды, делятся по частотам на: 1) постоянные, включая низкочастотные и не слишком кратковременные импульсные; 2) высокочастотные (ВЧ), с частотами 469-512_09-36.jpgсверхвысокочастотные (СВЧ), с 469-512_09-37.jpg и длинами волн 469-512_09-38.jpg

4) оптические (от далёкого ИК до УФ). Все 469-512_09-39.jpg вариантов разрядов реализуются на опыте, многие нашли широкое применение в физ. эксперименте и технике (табл. 1).

Табл. 1.- Классификация разрядов

469-512_09-40.jpg

Дрейф и энергия электронов в электрич. поле. Ускоряясь в пост. поле E, электрон при каждом столкновении теряет приобретённую направленную скорость. На фоне хаотич. движения устанавливается ср. скорость направленного дрейфового движения 469-512_09-41.jpg где 469-512_09-42.jpg -подвижность, 469-512_09-43.jpg -эфф. частота упругих столкновений электрона, е- заряд, т- масса. В слабоионизованном газе, при 469-512_09-44.jpg, частота столкновений 469-512_09-45.jpgгде W- плотность атомов и молекул, 469-512_09-46.jpg -ср. скорость хаотич. движения электрона,469-512_09-47.jpg -транспортное сечение,469-512_09-48.jpg -сечение упругих столкновений 469-512_09-49.jpgкосинус угла рассеяния (обычно 469-512_09-50.jpgТранспортная длина пробега 469-512_09-51.jpg При 469-512_09-52.jpgпреобладают столкновения с ионами; N заменяется на плотность ионов 469-512_09-53.jpg - на кулоновское сечение 469-512_09-54.jpg 469-512_09-55.jpg - кулоновский логарифм. При 469-512_09-56.jpg469-512_09-57.jpg см , тогда как 469-512_09-58.jpg Столкновение электрона с электроном к потере направленного импульса не приводит. В слабоионизованном газе действует подобия закон:469-512_09-59.jpgзависит от отношения 469-512_09-60.jpg Если темп-pa газа мало отличается от комнатной, плотность N обычно характеризуют давлением; при T=293 К давлению р=1 мм рт. ст. = 1 тор соответствует плотность 469-512_09-61.jpg
Плотность тока 469-512_09-62.jpg где 469-512_09-63.jpg469-512_09-64.jpg - проводимость. Когда преобладают столкновения электронов с ионами,469-512_09-65.jpgи не зависит от п е. Из-за большой массы подвижность ионов 469-512_09-66.jpg раз меньше 469-512_09-67.jpgпоэтому в плазме, где 469-512_09-68.jpgвклад ионов в ток пренебрежимо мал. В табл. 2 приведены эксперим. оценочные значения характеристик электронов в диапазонах 469-512_09-69.jpgсвойственных плазме тлеющего разряда.


Табл. 2.- Оценочные значения параметров слабоионизованного газа


469-512_09-70.jpg

В 1 см 3 за 1 с электрич. поле совершает над электронами работу 469-512_09-111.jpg Это есть джоулево тепло тока, передаваемое электронами газу при столкновениях. Упругая передача в одном эфф. столкновении составляет долю 469-512_09-112.jpgот энергии электрона(M469-512_09-113.jpg.- масса атома); 469-512_09-114.jpg В молекулярном газе электрон гораздо больше тратит на возбуждение колебаний молекул; 469-512_09-115.jpg . Cp. энергия электрона 469-512_09-116.jpgсоответствует балансу между приобретением и передачей энергии газу; баланс устанавливается очень быстро, за время 469-512_09-117.jpg. При не зависящем от энергии транспортном сечении 469-512_09-118.jpg469-512_09-119.jpg и максвелловском распределении скоростей 469-512_09-120.jpgср. энергия 469-512_09-121.jpg. Действует закон подобия: e~Е/N. В положит. столое тлеющего разряда 469-512_09-122.jpgэВ. Когда частота электрон-электронных столкновений много меньше 469-512_09-123.jpgэлектронный спектр далёк от максвелловского и 469-512_09-124.jpgимеет условный смысл. Более строгие выражения для 469-512_09-125.jpg и др. параметров находят, решая кинетич. ур-ние для ф-ции распределения электронов по скоростям 469-512_09-126.jpg

Образование и гибель заряженных частиц в электрическом поле. Атомы и молекулы ионизуются гл. обр. ударами электронов (см. Ионизация), в слабоионизованной неравновесной плазме - преим. из осн. состояния. Зная сечение ионизации 469-512_09-127.jpgи ф-цию распределения электронов, можно вычислить частоту ионизации 469-512_09-128.jpg -число ионизации, совершаемых электроном в 1 с. Вблизи порога (ионизационного потенциала /)469-512_09-129.jpgПри максвелловском распределении имеем:469-512_09-130.jpg
Константы 469-512_09-131.jpgдля разных газов различаются в 2-3 раза. Для Ar, напр., 469-512_09-132.jpgВ случае пост, поля удобнее оперировать ионизац. коэф.469-512_09-133.jpg -числом ионизации, к-рые электрон совершает на 1 см дрейфового пути вдоль поля:469-512_09-134.jpgОбычно экспериментально измеряют
469-512_09-135.jpg а не 469-512_09-136.jpg Для этих параметров также существует закон подобия:469-512_09-137.jpg (рис. 2). Для определения 469-512_09-138.jpgшироко используется полуэмпирич. ф-ла Таунсенда: ,469-512_09-139.jpgпостоянные A и B к-рой находят либо из опыта (для больших 469-512_09-140.jpgлибо на основе решения кинетич. ур-ния (при низких 469-512_09-141.jpg Напр., в для 469-512_09-142.jpg469-512_09-143.jpg469-512_09-144.jpg469-512_09-145.jpgпри

469-512_09-146.jpg

Ионизация может быть и ступенчатой: первым электронным ударом атом лишь возбуждается, а ионизуется следующим или после повторного возбуждения. При объединении возбуждённых атомов может произойти ассоциативная ионизация (напр.,469-512_09-147.jpg
Заряды из плазмы исчезают в результате рекомбинации в объёме или на стенках. При низкой темп-ре газа электронная рекомбинация в объёме идёт преим. диссоциативным механизмом типа 469-512_09-71.jpg с коэф. 469-512_09-72.jpg (в инертных газах после предварит. Частота рекомбинации 469-512_09-74.jpg При тор 469-512_09-75.jpg преобладает амбиполярная (совместная) диффузия электронов и ионов с частотой 469-512_09-76.jpgк стенкам, где они и нейтрализуются.
При 469-512_09-77.jpg коэф. амбиполярной диффузии 469-512_09-78.jpg (в азоте, напр.,469-512_09-79.jpg диффузионная длина. В длинной трубке 469-512_09-80.jpg

В электроотрицат. газах (O2, CO2, галогенах, их смесях и др.) происходит прилипание электронов с образованием отрицат. ионов. Скорость прилипания характеризуется частотой 469-512_09-81.jpg аналогичнымПод 469-512_09-82.jpg ударами возбуждённых частиц электроны могут отлипать от отрицат. ионов. Коэф. а нарастает с увеличением 469-512_09-83.jpg быстрее, чем а, поэтому кривые 469-512_09-84.jpgпересекаются [напр., в воздухе-при 469-512_09-85.jpg кВ/(см-атм)]. При меньшем 469-512_09-86.jpgв отсутствие отлипания ионизация в воздухе идти не может. В отсутствие поля прилипание идёт в тройных столкновениях типа 469-512_09-87.jpg в воздухе при p= 1 атм частота прилипания 469-512_09-88.jpg, т. е. электрон живёт- 469-512_09-89.jpg 10-8 с. Положит. и отрицат. ионы в воздухе при атм. условиях рекомбинируют с коэф.469-512_09-90.jpg
В равновесной плазме при 469-512_09-91.jpgи 469-512_09-92.jpgатм преобладают ступенчатая ионизация и электрон-ионная рекомбинация в тройных столкновениях, но п е однозначно определяется Т, и r- ур-нием Саха.

Пробой. Плоский промежуток длиной 469-512_09-93.jpgв пост, поле 469-512_09-94.jpg тор · см пробивается путём размножения лавин через вторичную эмиссию. От каждого электрона, вышедшего с катода, рождается 469-512_09-95.jpg электрон-ионных пар. Попав на катод, ион выбивает из него g вторичных электронов (коэф. эмиссии 469-512_09-96.jpg 10-3). Если вторичных электронов будет больше, чем первичных, ионизация будет неудержимо нарастать и произойдёт пробой. Порог пробоя или потенциал зажигания разряда V1 определяется из условия Таунсенда:

469-512_09-97.jpg

С учётом (2)469-512_09-98.jpg

Эта ф-ла неплохо описывает эксперим. кривые Пашена (рис. 3), имеющие минимум при следующих параметрах:

469-512_09-99.jpg

где 469-512_09-100.jpg -экспонента. В точке минимума кривой Пашена условия по pd оптимальны для размножения электронов.

Рис. 3. Потенциалы зажигания в постоянном поле (кривые Пашена).


469-512_09-101.jpg


В осциллирующем поле 469-512_09-102.jpgэлектрон совершает колебания: при 469-512_09-103.jpg -свободные, с амплитудой 469-512_09-104.jpg ; при 469-512_09-105.jpg -дрейфовые, с 469-512_09-106.jpgЕсли а много меньше характерных размеров разрядного объёма (что типично для СВЧ-диапазона), то лавины локализованы. Ионизация, вызванная случайным электроном, нарастает, если её частота 469-512_09-107.jpgпревышает частоту диффузии электрона к стенкам 469-512_09-108.jpg В начале процесса зарядов мало и электроны диффундируют свободно с коэф. диффузии 469-512_09-109.jpgПороговое для пробоя среднеквадратичное поле E, определяется из условия 469-512_09-110.jpg в электроотрицат. газе 469-512_09-148.jpgПорог пробоя Е t )имеет минимум в зависимости от давления (рис. 4). Это объясняется следующим. При больших р. когда 469-512_09-149.jpg электрон набирает в перем. поле энергию примерно так же, как в постоянном, и 469-512_09-150.jpg Ионизация идёт интенсивно,

469-512_09-151.jpg

если ср. энергия электрона 469-512_09-152.jpgпорядка I, т. е.469-512_09-153.jpgне меняется, и, следовательно,469-512_09-154.jpgПри низких р, когдаочень 469-512_09-155.jpgсильна диффузия, и чтобы произошёл пробой (т. е. было выполнено условие 469-512_09-156.jpgполе должно возрастать при уменьшении р. Минимум соответствует такому р, когда 469-512_09-157.jpg Для СВЧ-диапазона тор. 469-512_09-158.jpg469-512_09-159.jpg В/см. В качеств. отношении сказанное справедливо и для оптич. пробоя, но для оптич. частот pmin~103 атм (см. Оптические разряды). При понижении частоты в ВЧ-диапазоне амплитуды дрейфовых колебаний могут оказаться сравнимыми с размерами сосуда. Тогда электроны начинают ударяться о стенки, их потери и порог пробоя скачкообразно возрастают.

Тлеющий разряд. Неотъемлемым элементом тлеющего разряда является катодный слой положительного пространственного заряда с сильным полем у катода 469-512_09-160.jpg и значит. катодным падением потенциала V к ~150-400 В. Именно им обусловлено т. н. отрицательное тлеющее свечение за катодом, откуда и название разряда. Положит. плазменный столб играет роль проводника, соединяющего катодные части разряда с анодом (рис. 5). При уменьшении расстояния между электродами сначала сокращается именно он, потом фарадеево тёмное пространство (см. Тлеющий разряд), а катодный слой не изменяется, и лишь когда не хватает места для него (и отчасти для отрицат. свечения), горение разряда сильно затрудняется. Разряд может гореть и в сосудах замыслова-юй формы. Вследствие оседания электронов на стенках возникает дополнит. поле, к-рое векторно складывается с внешним. Силовые линии результирующего поля, протягиваясь от анода к катоду, повторяют все изгибы трубки.

Самоподдержание тока в тлеющем разряде осуществляется за счёт катодного слоя, благодаря неравномерному распределению потенциала между электродами (рис. 5). Часть межэлектродного промежутка заполняет хорошо проводящий . положит. столб со слабым полем 469-512_09-161.jpg В/(см · тор).


Рис. 5. Структура тлеющего разряда в трубке. Показаны распределения интенсивности свечения I, потенциала 469-512_09-162.jpg поля E, плотностей электронного j е и ионного 469-512_09-163.jpgтоков, плотностей ионов 469-512_09-164.jpg и электронов п e, плотности объёмного заряда 469-512_09-166.jpg

469-512_09-165.jpg

Тем самым сокращается толщина области d, где должно происходить осн. размножение электронов и осуществляется самоподдержание тока. Уменьшение d приводит к наиб. выгодным для размножения условиям, отвечающим минимуму напряжения на кривых Пашена (рис. 3) и ф-лам (5).

Когда ток занимает не весь катод, плотность тока на катоде j н имеет вполне определённое "нормальное" значение, удовлетворяющее закону подобия:

469-512_09-167.jpg

где 469-512_09-168.jpg

Обычно

469-512_09-169.jpg

469-512_09-170.jpg

469-512_09-171.jpg

При увеличении тока растет площадь свечения на катоде, а 469-512_09-172.jpgостаются неизменными (участок DE на BAX, рис. 1). 1акой разряд наз. нормальным. Когда свечение занимает весь катод, j, V к и V при росте тока возрастают. Это - аномальный разряд (участок EF на рис. 1).

В любом сечении длинного однородного положит. столба ионизация компенсирует гибель электронов за счёт рекомбинации, амбиполярной диффузии к стенкам, прилипания (к-рое может частично компенсироваться отлипанием). Этим определяется зависимость поля в столбе от плотности зарядов в плазме (эквивалент BAX столба). При сильном нагреве газа BAX - падающая. В тлеющем разряде возникают разл. неустойчивости. Наиб. распространена иони-зационно-перегревная, связанная с увеличением частоты ионизации при тепловом расширении газа, вызванном случайным локальным перегревом. Рост 469-512_09-173.jpgведёт к увеличению n е, дополнит. тепловыделению 469-512_09-174.jpgи дальнейшему росту T. Эта неустойчивость вызывает контракцию газового разряда- стягивание разряда в токовый шнур. Др. неустойчивости приводят к возникновению страт- расслоению положит. столба вдоль тока на сильно и слабо ионизованные участки. Чаще всего страты бегут от анода к катоду и глазом не видны (см. также Низкотемпературная плазма).

Дуговой разряд. Его отличит. черта - малость катодного падения,469-512_09-175.jpgРазогретый интенсивным потоком ионов катод или его токонесущие участки (катодные пятна) испускают достаточно сильный электронный ток. Плазма положит. столба дугового разряда при атм. давлении равновесна, её проводимость определяется темп-рой T. Поле в столбе 469-512_09-176.jpgопределяются балансом энергии: джоулево тепло 469-512_09-177.jpgвыносится за счёт теплопроводности к охлаждаемым стенкам (если дуга горит в трубке), либо рассеивается в пространстве (дуга в свободной атмосфере). Типичным примером последнего является дуга с угольными электродами в воздухе (рис. 6). BAX

469-512_09-178.jpg

столба и всей дуги падающая (рис. 7). Напряжение горения дуги складывается из напряжения на положит. столбе, пропорционального его длине, катодного 469-512_09-179.jpg и анодного падений напряжения. Когда на аноде образуется анодное пятно с 469-512_09-180.jpgанодное напряжение

резко уменьшается от Va5105-1.jpg40 В до 10 В при i5105-2.jpg15-20 А. Из-за большой плотности тока анод в пятне испаряется (темп-ра 5105-3.jpg4200 К), при этом дуга "шипит".

Для мощных (102 - 103 кВт) электродуговых устройств важнейшей является проблема эрозии электродов, в особенности катода. Даже тугоплавкие материалы, такие как вольфрам, подвержены разрушению и испарению, в особенности в катодных пятнах, где плотность тока достигает 107 А/см 2. В катодных пятнах происходит термоавтоэлект-ронная эмиссия - сочетание действия темп-ры Т5105-5.jpg3000- 5000 К и полевой эмиссии ( Е5105-6.jpg107 В/см). Катодные пятна всегда образуются в вакуумных дугах с металлич. электродами, используемых в вакуумных переключателях. В дугах высокого давления ( р5105-7.jpg10 атм) в Hg, Xe подавляющая часть джоулева тепла уносится излучением, что используется для изготовления дуговых ламп (см. Источники оптического излучения). В ряде приборов применяется низковольтная дуга низкого давления (p~ 1 тор, V5105-8.jpg10-20 В, i~ 1 А) с искусственно накаливаемым катодом.

5105-4.jpg

Рис. 7. ВАХ угольной дуги в воздухе; d- расстояние между электродами.

Высокочастотные разряды бывают двух типов: индукционные (ВЧИ) и ёмкостные (ВЧЕ). Безэлектродный ВЧИ-разряд обычно зажигают внутри диэлектрич. трубки, вставленной в катушку (достаточно и неск. витков), по к-рой пропускается ВЧ-ток (рис. 8, а). В этом случае перем. продольное магн. поле индуцирует в разрядной плазме кольцевые замкнутые поле Е и токи. ВЧИ-разряды чаще зажигают при р5105-10.jpg1 атм. Плазма ВЧИ-разряда равновесна, подобно плазме столба дуги, Т5105-11.jpg8000- 11 000 К. В устройствах небольшой мощности (~ 1 кВт) тепло отводится за счёт теплопроводности к охлаждаемым стенкам; в мощных устройствах (~ 10-103 кВт) по трубке продувают газ со скоростью и~1 м/с. Поток отжимает плазму от стенок и выносит тепло с плазменной струёй. Режим горения оптимален при таких темп-ре Т, проводимости s(T) и радиусе плазменного столба R, что толщина скин-слоя d = с/5105-12.jpg., на к-рый ВЧ-поле проникает в проводник, меньше, но сравнима с R~ 1-2 см.

5105-9.jpg

Рис. 8. Способы возбуждения ВЧ-разрядов: а- индукцион ный; б-ёмкостный; в -ёмкостный безэлектродный (изо ляторы заштрихованы).


ВЧЕ-разряд при низких и ср. давлениях (p~10-1 - 102 тор) обычно зажигают, подавая ВЧ-напряжение на плоские электроды. Электроды могут быть и оголёнными, и изолированными от плазмы диэлектрич. пластинами (рис. 8, б, в). Весь разрядный объём в плоском промежутке заполнен малоподвижными ионами. На их фоне электроны совершают дрейфовые колебания, так что граница плазмы, где п е = п + , также перемещается, поочерёдно касаясь одной из твёрдых поверхностей. При этом обнажается ионный слой положит. пространственного заряда около противоположной поверхности. Нехватка электронов в промежутке, отчего и получаются приэлектродные слои, возникает из-за того, что находившиеся вблизи поверхностей электроны в самом начале либо уходят в металл, либо прилипают к изолирующим электроды пластинам.

Существуют две формы горения ВЧЕ-разряда. В a-форме приэлектродные слои практически лишены проводимости и плазменный ток замыкается на электроды токами смещения. Этому режиму соответствуют небольшие плотности тока j~10 мА/см 2 при p~20 тор. При достаточно сильном общем токе и плотности зарядов в плазме п5105-13.jpg1010 см -3 (g-форма горения разряда) происходит таун-сендовский пробой слоев и у обоих электродов образуются слои с ионным током и вторичной эмиссией (в т. ч. и с диэлектрика, откуда срываются прилипшие электроны), очень похожие на катодный слой тлеющего разряда. В этой форме разряда ток j~ 102 мА/см 2, а толщина слоев (при средних давлениях) на порядок меньше, чем в a-режиме, и близка к d н нормального тлеющего разряда. В этих слоях сочетаются ток проводимости и ток смещения. Когда ВЧ-напряжение подают на единств. электрод, возникает факельный разряд.

СВЧ-разряды зажигают в резонаторах, в диэлектрич. трубке, пересекающей волновод; в последнем случае обычно при р= 1 атм. Как и в ВЧИ-разряде, через трубку продувают газ. Разрядная плазма квазиравновесна, но темп-pa при мощностях ~1 кВт ~4000-6000 К. Она не поднимается выше, т. к. от сильнее ионизованной плазмы СВЧ-излучение отражается (см. также Оптические разряды).

Искровой разряд. Первой стадией этого разряда служит стримерный, а чаще лидерный пробой-прорастание тонкого плазменного канала от одного электрода к другому (см. Стримеры, Пробой газа). Потом канал превращается в искровой, способный пропустить сильный ток ("короткое замыкание"). Важнейшим элементом искрового пробоя является стример, к-рый зарождается от мощной электронной лавины, в простейшем случае - около самого анода. Электроны, сосредоточенные вблизи переднего фронта лавины, уходят в анод, оставляя положительно заряженный ионный след. Возбуждённые в лавине молекулы испускают фотоны, к-рые производят фотоионизацию. Фотоэлектроны дают начало вторичным электронным лавинам, к-рые втягиваются в ионный след, являющийся источником сильного поля. Смешиваясь с ионами первичной лавины, электроны вторичных образуют плазму, а во вторичные ионные следы втягиваются лавины следующего поколения и т. д. Процесс происходит непрерывно, и от анода прорастает плазменный канал - стример.

Лавинно-стримерный переход может произойти лишь при сильном внеш. поле Е0, при к-ром поле пространственного заряда головки лавины достигает внешнего. Это случается, когда в лавине нарождается N5105-14.jpgехр[a(E0)d]~108 электронов или a(E0)d5105-15.jpg18-20 (условие Мика). Радиус стримерного канала r~10-2-10-1 см; плотность зарядов в нём n~3N/4pr3~1013-1014 см -3; ток стримера (нагнетание положит. заряда в канал и вершину) ic~ 10-3 - 1 А; скорость роста стримера uc~108 см/с. Новые порции газа ионизуются благодаря сильному собств. полю стримерной вершины, и в этом смысле процесс - самоподдерживающийся. Но внеш. поле (4,7 кВ/см в канале в атм. воздухе) всё равно необходимо, ибо энергию поставляет источник тока. В воздухе из-за прилипания стримерный канал теряет свою проводимость на расстоянии uc/va~10 см от вершины. Поэтому перекрытие стримером воздушного промежутка с d5105-16.jpg20 см к пробою не приводит. В этих случаях действует лидерный механизм.

Лидер-плазменный канал, прорастающий со скоростью u л~10 б см/с, но обладающий гораздо более высокой проводимостью благодаря повыш. темп-ре газа Т 5105-17.jpg5000 К, что исключает прилипание. Лидерный ток i л ~ 1 А складывается из токов множества стримеров, зарождающихся у лидерной вершины. Этот суммарный ток достаточен, чтобы нагреть воздух до Т5105-18.jpg2500 К, когда прекращается прилипание. Схема лидерного процесса в многометровом воздушном промежутке между стержневым анодом и заземлённой плоскостью (что типично для экспериментов) показана на рис. 9. Лидерный канал, обладая высокой проводимостью, в значит. мере переносит потенциал анода к вершине, где поле очень сильное, как около острия.

5105-19.jpg

Рис. 9. Лидер: 1- светящаяся головка (r~0,5 см); 2- канал (r~10-2-10-1. см); 3- стримерная зона; 4 - остатки стриме ров ("чехол").


Напряжение пробоя длинных промежутков (~ 10 м) достигает MB, но ср. поля в промежутке ( Е~1 кВ/см•атм - 1 В/см•тор) в десятки раз меньше, чем при таунсендов-ском пробое. Ионизация газа идёт только в областях сильного собств. поля лидерной и стримерных вершин. Когда лидер достигает заземлённого электрода, по его каналу, всё ещё находящемуся под высоким потенциалом, со скоростью ~109 см/с проходит обратная волна снятия напряжения (возвратный удар). Благодаря сильнейшему полю на фронте волны ионизация в канале резко возрастает и он превращается в искровой с равновесной плазмой при Т е5105-20.jpg Т5105-21.jpg20 000 К.

При постепенном подъёме напряжения на стержневом электроде искровому пробою предшествует коронный разряд, напряжение зажигания к-рого ниже, чем напряжение пробоя.

Применения. Газовые разряды применяют в газосветных приборах, в электронных диодах с газовым наполнением, тиратронах, ртутных выпрямителях (игнитронах), в качестве стабилизаторов напряжения в счётчиках Гейгера ядерных частиц, в антенных переключателях, озонаторах, маг-нитогидродинамических генераторах. Широко используются электродуговая сварка, электродуговые печи для плавки металлов, дуговые коммутаторы. Получили большое распространение генераторы плотной равновесной низкотемпературной плазмы с T~104 К, p~1 атм - плазмотроны (дуговые, индукционные, СВЧ). В них продуванием холодного газа через соответствующий разряд получают плазменную струю. Тлеющий и ВЧЕ-разряды используют для создания активной среды в лазерах самой разл. мощности- от мВт до многих кВт, в плазмохимии. Эти и др. приложения, использование результатов исследований Э. р. в г. в технике высоких напряжений поставило физику газового разряда в ряд наук, к-рые служат фундаментом совр. техники.

Лит.: Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Ховатсон А. М., Введение в теорию газового разряда, пер. с англ., М., 1980; Райзер Ю. П., Физика газового разряда, 2 изд., М., 1992. Ю. П. Райзер.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия..1988.



Физическая энциклопедия 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ →← ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ФОКУСИРОВКА

T: 0.295893205 M: 3 D: 3