Самостійний розряд у газах

З підвищенням напруги до значень U > U₂ сила струму в газовому розряді різко зростає в сотні і тисячі разів. Дослід показує, що за певних умов припинення дії іонізатора не впливає на протікання розряду. Електричний струм у газі, який проходить без дії зовнішнього іонізатора, називають самостійним розрядом. Самостійний розряд підтримується за досить високої на­пруги на електродах, при якій той розряд, що почався, самостійно створює потрібні для його подальшого протікання електрони та іони. Поповнення носіїв заряду при самостійному розряді може відбува­тись із різних причин, зокрема завдяки механізмові ударної іонізації атомів (молекул) газу. Це процес вибивання електронів з нейтраль­них атомів під час зіткнення їх з потоком швидких електронів. Отже, несамостійний розряд переходить у самостійний тоді, коли нові іони утворюються внаслідок внутрішніх процесів, що відбуваються у са­мому газі.

Первинні електрони, які спричиняють лавиноподібне зростання концентрації носіїв заряду в між електродному газовому просторі, можуть з'явитися внаслідок виривання електронів сильним електричним полем з окремих молекул газу або з холодного катода (автоелек­тронна емісія), іонізації газу космічним, γ- або рентгенівським про­мінням тощо. Первинні електрони на шляху вільного пробігу при­скорюються сильним зовнішнім полем і розганяються до швидко­стей, коли їх кінетична енергія дорівнює або й стає більшою від роботи іонізації атомів газу. При цьому з'являються позитивні іони та нові електрони, які також набувають енергії, потрібної для іоніза­ції нейтральних атомів газу. Цей процес народження все нових носіїв заряду багаторазово повторюється і лавиноподібно наростає. Так від­бувається з кожним електроном, аж поки він не досягне анода. Це спрощена картина ударної іонізації. У дійсності не при кожному зіткненні відбувається іонізація, далеко не всі електрони на шляху вільного пробігу набувають енергії, потрібної для іонізації нейтраль­них атомів. Разом з процесом іонізації відбувається просто збуджен­ня атомів, коли вони переходять на більш високі енергетичні рівні, а при поверненні в нормальний стан випромінюють світло і, отже, газ при самостійному розряді світиться.

Ударна іонізація відбувається за умови, коли кінетична енергія за­ряджених частинок (електронів) W_к стає більшою від роботи іоніза­ції А_і, атомів газу, тобто

W_к > А_i, , або ,

де — потенціал іонізації. Кінетичну енергію електрон набуває в постійному електричному полі на шляху вільного пробігу:

,

де d — відстань між електродами. Умова ударної іонізації набуває ви­гляду

.

З цієї умови випливає, що досягти ударної іонізації атомів газу мож­на або збільшенням напруженості електричного поля Е= U/ d, або збільшенням < l > (розрідженням газу).

Розглянемо елементарні основи теорії самостійного розряду. За­значимо, що при великих значеннях напруженості поля Е реком­бінацією носіїв заряду можна нехтувати, оскільки зразу після виник­нення різнойменних зарядів вони розводяться в протилежні боки сильним електричним полем.

Приймемо, що відстань між електродами в газорозрядній трубці d (рис. 11.3). Нехай за час t біля катода утворилися первинні електрони концентрацією n₀. Рухаючись у прискорювальному електричному полі, електро­ни на своєму шляху х будуть іонізувати атоми газу.

Вважатимемо, що на шляху х внаслідок ударної іонізації утворилось у кожній одиниці об'єму п вторинних елек­тронів. Виділимо шар газу dx >> <l>. Пролітаючи крізь цей шар, п електронів іонізують атоми і їхня концентрація на цьому шляху зростає на dп. Очевидно, що dп буде прямо пропорційним як кількості електронів п, так і відстані dх:

Рис. 11.3 , (11.7)

де α — коефіцієнт ударної іонізації, м ^-1. Інтегруючи останній вираз, одержимо:

п = Се^αx. (11.8)

При х = 0 С = п₀. Тоді

п = n₀е^αx. (11.9)

Кількість електронів, які досягають одиниці площі анода (х =d),

n_а = n₀е^αd. (11.10)

З формули (11.10) випливає, що при n₀ = 0 n_a, також дорівнює ну­леві і, отже, ударної іонізації не відбудеться. Щоб розряд був само­стійним, треба, щоб електронні лавини підтримували самі себе, тобто щоб у газі відбувався ще один процес, завдяки якому утворю­валися б нові електрони. Одним із таких процесів може бути вторин­на електронна емісія з катода під час його бомбардування іонами. Позначимо кількість електронів, що звільняються з одиниці поверх­ні за одиницю часу під дією зовнішнього іонізатора і внаслідок вто­ринної електронної емісії, через n_к. Тоді густина потоку електронів на аноді буде

n_а = n_kе^αd. (11.11)

Внаслідок ударної іонізації кількість електронів, що виникає в лави­ні, дорівнює кількості позитивних іонів, які при цьому утворюються, тобто

n_а – n_к = n_к (е^αd -1). (11.12)

Під час бомбардування катода іонами внаслідок вторинної елект­ронної емісії з нього звільнятиметься електронів , де γ — коефіцієнт пропорційності (для металів γ <1). Тоді, враховуючи од­ночасну дію зовнішнього іонізатора і вторинну електронну емісію з катода, можна записати, що

. (11.13)

Звідси

. (11.14)

Густина потоку електронів на аноді

. (11.15)

На аноді струм газового розряду повністю визначається рухом елек­тронів, тому густина струму на основі (11.15) виражатиметься так:

. (11.16)

При стаціонарному режимі розряду густина струму має бути однаковою в усьому проміжку газового розряду, тому в будь-якій точці на струму складатиметься із суми густин електронного j_е та іонного j_i струмів, тобто

j = j_e + j_i.

Аналіз виразу (11.16) свідчить про те, що за умови, коли , густина струму навіть у разі припинення дії зовнішнього іонізатора (n₀ = 0). Отже, умовою виникнення самостійного розряду є рівність

. (11.17)

Напругу, при якій виконується умова (11.17), називають напругою про­бою газу або напругою запалювання газового розряду.

Розглянуту теорію самостійного розряду вперше розробив англій­ський фізик Дж. Таунсенд (1868—1957).