Тліючий розряд

Форма і взаємне розміщення електродів, режим їхньої роботи (підведена потужність, характер охолодження та інші параметри) визначають тип розряду. Кожному типові відповідає певний стан іонізованого газу, який характеризується температурою, електропро­відністю, спектрами випромінювання і поглинання тощо. Більше то­го, виявляється, що стан деякого елемента іонізованого газу для кон­кретного типу розряду істотно залежить від того, в якій області роз­рядного проміжку міститься цей елемент, та від його відстані до електрода. У зв'язку з цим розрізняють не тільки типи розрядів, а й об­ласті розрядного проміжку, що належать до того самого типу розряду.

Рис. 11.4

Найпростішим і найбільш вивченим типом розряду, в якому газ перебуває в дуже не рівноважному стані, є тліючий розряд. Він спо­стерігається в газах при низьких тисках (близько 10³ Па і менше). Тліючим розрядом називають самостійний розряд, в якому звільнен­ня електронів з катода відбувається внаслідок бомбардування його позитивними іонами і фотонами, що утворюються в газі. Для спосте­реження розряду цього типу беруть скляну трубку 30—50 см завдовж­ки, в яку впаяно два електроди (рис 11.4, а). Коли напруга між елек­тродами становить кілька сотень вольтів і тиск газу у трубці бли­зько 7∙10³ Па, виникає самостійний розряд у вигляді тонкої гнутої нитки, а при тиску близько 133∙10^-1 —133∙10^-2 Па розряд має ви­гляд, який схематично зображено на рис 11.4, а. Розрядний проміжок між катодом і анодом поділяється на ряд областей. Безпосередньо до катода прилягає вузький, так званий астоновий темний простір 1. У цьому шарі електрони, звільнені з катода, ще не набули енергії, до­статньої для збудження атомів і молекул газу. Його ширина стано­вить кілька десятих часток міліметра. До цього шару прилягає тон­кий світлий шар 2, який називають катодним світінням. У цьому ша­рі відбувається збудження атомів і молекул електронами без іонізації їх. При переході в нормальний стан збуджені атоми випромінюють світло. За катодним шаром іде темний шар 3, який названо темним катодним простором або темним круксовим простором. У цьому просторі відбуваються іонізація атомів і молекул та наростання електронних лавин. Область темного катодного простору найважливіша для підтримання самостійного розряду, оскільки в ній утворюються позитивні іони, які й зумовлюють вторинну емісію електронів з катода. Світлий шар 4 називають тліючим світінням. Воно виникає внаслідок рекомбінації електронів з іонами, а також перехо­дів атомів із збудженого стану в нормальний. Цей шар має різку межу з боку катода. Його яскравість поступово зменшується і переходить у так званий темний фарадеїв простір 5. Області 1 – 5 називають ка­тодними частинами розряду. В них відбуваються всі процеси, вна­слідок яких розряд є самостійним. За Фарадеєвим простором лежить світна область 6, яка досягає анода. Цю область називають позитив­ним світним стовпом. Іноді цей стовп розпадається на кілька шарів, або страт. Позитивний стовп — це іонізований газ, і його світіння зу­мовлене в основному рекомбінацією електронів з позитивними іона­ми. Наявність позитивного стовпа не впливає на підтримання само­стійного розряду. Однак ця область найцікавіша з погляду застосу­вання тліючого розряду.

З'ясуванню характеру фізичних процесів, які відбуваються в кож­ній області тліючого розряду, допомагають криві розподілу потенціа­лу φ і напруженості електричного поля Е вздовж розрядної трубки l (рис. 11.4, б, в). Оскільки в позитивному стовпі хід залежності потен­ціалу від l лінійний, а напруженість постійна, то з цього випливає ви­сновок, що концентрації позитивних і негативних зарядів є однако­вими. Якщо в газорозрядній трубці зробити анод рухомим, то під час його переміщення до катода катодні області розряду 1 – 5 залишати­муться без змін, а позитивний стовп буде скорочуватись до повного зникнення його. З подальшим переміщенням анода в тліючий шар світіння зникає зовсім. Розряд припиняється, коли анод буде на межі просторів 1 і 2.

Дослід показує, що коли сила струму при розряді є невеликою, то катодний спад потенціалу не залежить від сили струму. Зміна сили струму зумовлює тільки зміну розміру світної поверхні на катоді. Та­кий спад потенціалу називають нормальним катодним спадом. Коли ж сила струму досягає певного значення, вся поверхня катода покрива­ється світною плівкою і катодний спад потенціалу починає зростати із збільшенням сили струму. У цьому разі його називають аномальним катодним спадом, а розряд — аномальним тліючим розрядом. Виявля­ється, що нормальний катодний спад потенціалу залежить тільки від матеріалу катода і роду газу. Катодний спад потенціалу при цьому пропорційний роботі виходу електронів із катода. Така залежність дає можливість виготовляти газорозрядні трубки з малою напругою запалювання розряду. Так, у неонових лампах, залізні електроди яких покриті шаром барію, напруга запалювання розряду близько 70 В. Такі лампи широко використовуються як індикаторні.

Оскільки речовина катода в тліючому розряді поступово пере­ходить у пароподібний стан, то такий розряд широко використову­ється для катодного розпилювання металів. Якщо перед катодом тліючого розряду розміщати різні предмети, то вони покриватимуть­ся тонким шаром металу катода. Так виготовляють металеві дзеркала високої якості.

Тліючий розряд також широко використовується як джерело світ­ла (лампи денного світла, рекламні газорозрядні трубки тощо).

На відміну від газу катодної частини розряду газ позитивного стовпа характеризується високим ступенем просторової однорідності параметрів уздовж стовпа. Характерною особливістю позитивного стовпа є те, що відношення напруженості електричного поля до гус­тини газу і середня енергія електронів встановлюються незалежно від сили струму, що проходить під час розряду, та від прикладеної до електродів напруги.

Розряд в атомарному газі значно відрізняється від розряду в моле­кулярному газі. Це пов'язано з наявністю у них коливальних і обер­тальних ступенів вільності. Наявність цих додаткових ступенів віль­ності визначає основні властивості розряду в молекулярних газах і уможливлює широке застосування розряду цього типу в різних ла­зерних, плазмохімічних та інших установках. Створення не рівноважного стану молекулярного газу за допомогою газового розряду дає змогу застосовувати його для прискорення хімічних реакцій.