Чистяков Ч2

При дальнейшем увеличении произведения pd время формирования разряда вновь уменьшается, например, в воздухе промежуток в 0,2 см при атмосферном давлении (pd = 152 см мм рт.ст.) при перенапряжении в 50% пробивается за время порядка 10-8 с. Так как за такое короткое время ионы практически не успеют сдвинуться с места, то электронно-ионный механизм увеличения тока здесь невозможен. В этом случае ионы могут влиять на процесс развития разряда только за счет эффекта присутствия, т.е. поля объемного заряда, образовавшегося после прохождения электронных лавин.

Пробой газов при высоких величинах pd сопровождается формированием тонкого плазменного канала, соединяющего электроды. В стадии формирования этого канала область положительного пространственного заряда распространяется или от катода к аноду, или в противоположном направлении. Этот самораспространяющийся узкий поток положительного пространственного заряда называется стримером. Скорость распространения стримеров превосходит скорость лавин и имеет порядок 108 см/с.

В отличие от медленного электронно-ионного механизма образование стримера основано на электронно-фотонном механизме, причем начальные электроны вспомогательных (дочерних) лавин появляются в этом случае не из катода, а возни кают в газе на некоторых расстояниях от фронта (головки) стримера. Происходит один из видов ионизации газов собственным излучением.

Кроме процессов, указанных ранее (Конспект лекций. 4,1, гл. III), этот вид ионизации газов может с большой вероятностью вызываться процессами с участием ионно-молекулярных реакций типа

происходящих в смесях газов, где A – атом, возбужденный до высоколежащего энергетического уровня; B – атом примеси в нормальном состоянии. Этот процесс, называемый ассоциативной ионизацией, возможен также в чистом газе

В работе [34] ассоциативная ионизация была изучена для всех инертных газов. По мнению авторов работы [37], наибольший вклад в ионизацию при высоких давлениях дает не ионизация электронным ударом, а реакции типа (85) и (86).

81

4. Стримерный механизм пробоя газа

Стримерный механизм пробоя газа рассмотрен в книгах [32, 35-36].

Стример, продвигающийся от катода к аноду, называется отрицательным. Схема распространения отрицательного стримера показана на рис. 30. Начальный электрон возник в точке A и в электрическом поле между электродами образовал начальную лавину большой плотности. В лавине, которая продвинулась к аноду на расстояние x , возникло некоторое число жестких фотонов, для которых hν ≥ eUi

или фотонов, вызывающих образование атомов A* в реакциях (85) и (86). Они были испущены, например, в точках 1, 2, 3 и далее сравнительно быстро поглощены молекулами газа с образованием ионов и электронов. Во всех этих случаях вновь возникли лавины большей или меньшей мощности. В том случае, когда эти дочерние лавины образуются в направлении движения первой лавины, их мощность получается больше, так как между головкой первой лавины и анодом поле более высокое, чем в любой другой области разрядного промежутка. В самом деле, электрический заряд в первой лавине распределен неравномерно, а именно, электроны из-за их высоких скоростей в поле смещены по направлению к аноду, а ионы - к катоду (рис. 31). Таким образом, в промежутке практически одновременно развиваются несколько последовательных лавин, которые за короткое время сливаются, образуя тонкий проводящий канал. Подобный само распространяющийся поток объемного заряда движется быстрее первой лавины так как «лавинная эстафета» передается фотонами, скорость которых на три порядка выше скорости электронов первой лавины.

Описанный механизм не связан с процессами на катоде; стример, как показано выше, может начаться электроном, возникшем в газе (см. I на рис. 30), но в частном случае это может быть и фотоэлектрон из катода, (см. II, рис. 30).

Подобным же образом объясняется и механизм формирования положительного стримера. На рис. 32 даются различные стадии этого процесса. Электрон, возникший в точке А , образовал начальную лавину, наибольшее число электронов и ионов в которой возникло вблизи анода. Там же образуется и наибольшее число фотонов, испускаемых возбужденными атомами в различных на правлениях. Эти фотоны ионизуют газ на некотором расстоянии от анода и образуют дочерние лавины, их объемный заряд при соединяется к заряду, образованному у анода первой лавиной. Дочерние лавины «достраивают» стример в основном направление к катоду, так как между головкой стримера и катодом поле наибольшее за счет дополнительного поля пространственного заряда в этой головке.

82

Стример находится в средней части промежутка. Дочерние лавины, образованные фотоэлектронами, продолжают его достраивать. Стримеры могут ветвиться, распространяясь по наиболее благоприятным направлениям для процессов ионизации.

Стример приближается к катоду и при этом у катода образуется сильное электрическое поле, вызывающее автоэлектронную эмиссию; далее формируется катодное пятно. По стримеру мощный поток электронов устремляется к аноду, создавая обратную волну ионизации. Стримерный канал за короткое время приобретает высокую электропроводность. Скорость продвижения обратной волны ионизации

108 −1010 см/с.

Таким путем образуется искровой разряд. Первый опыт построения теории начальной стадии искрового разряда дан в [37].

Делаются также попытки объяснить процесс распространения стримеров к катоду и аноду без привлечения механизма фотоионизации газа. В работах [38–39] стример рассматривается как плазма, а механизм его распространения как чисто электронный, основанный на плазменных колебаниях.

5. Искровой разряд

После прохождения обратной волны ионизации в газе при высоком давлении устанавливается вид разряда в зависимости от мощности источника питания и активного и реактивного сопротивления, включенного во внешнюю цепь. При достаточной мощности источника питания и большом балластном, сопротивлении устанавливается особая форма стационарного тлеющего разряда; если балластное сопротивление мало и возникающий ток велик, формируется дуговой разряд.

При маломощном источнике питания образуется прерывистый искровой разряд. После возникновения в каком-то месте промежутка стримерного пробоя на короткое время устанавливается сильный ток из-за разрядки межэлектродной емкости и распределенных емкостей электрической схемы. Однако в дальнейшем такой ток не может поддерживаться источником питания, так как внешнее напряжение уменьшается и разряд гаснет.

Далее следует пробой газового промежутка в другом месте, вновь на короткое время формируется сильноточный импульсный разряд, напряжение источника уменьшается, разряд вновь гаснет и т.д. Частота таких пробоев велика. В промежутке

возникают и гаснут яркие и тонкие светящиеся полосы. Поскольку при каждом

84

отдельном импульсе ток достигает большой величины, то в канале выделяется большая энергия, канал разогревается за очень короткое время, что сопровождается быстрым и резким увеличением давления к образованием ударных волн. Разряды подобного типа сопровождаются звуковыми эффектами, начиная от потрескивания искр, возбуждаемых приборами Тесла или д'Арсонваля, до мощных звуковых волн, вызываемых молнией или разрядом в коммутирующих приборах большой мощности в воздухе. В канале искры в воздухе достигается на короткое время температура в диапазоне 104–2 104 К.

Искровой разряд нашел широкое применение в коммутирующих приборах импульсной техники, искровых и стримерных камерах, разработанных группой советских ученых Б. А. Долго-шейным, Б. И. Лучковым и др. На искровом разряде основаны приборы Тесла и д'Арсонваля, применяемые в медицине и вакуумной технике, эффективно использование искрового разряда в жидкостях и газах для обработки металлов, предложенное советскими учеными Б. Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко; следует также отметить использование искрового разряда в воздухе для измерения высоких напряжений.

85

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Stein R.P. Electrical Fields in Low Pressure glow Discharge Crooke’s Dark Space in Air and Nitrogen - «Physical Review», l953, v.89, p.134-145.

2.Энгель А. Ионизованные газы. Пер. с англ. М., Физ-матгиз, 1959.

3.Чистяков П.Ц. Некоторые зависимости нормального катодного падения потенциала в инертных газах. – «Ж. техн. физ.», 1970, т. 40, № 2, с. 303-304; Физическая электроника (сб. трудов). Вып. 3. М., Атомиздат, 1966, с. 3-19.

4.Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. М., «Наука»,

1966.

5.Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М., Атомиздат, 1968.

6.Метель А. С., Настюха А. И. О роли дополнительной ионизации газа осциллирующими электронами в области катодного падения потенциала тлеющего

разряда с полым катодом. – «Радиофизика», 1976, т.19, №12, с.1884-1890.

7.Druyvesteyn M.Z., Penning F.M. The Mechanism of Electrical Discharges in Gases of Low Pressure. –«Reviews of Modern Physics», 1940, v.12, №2, p.87174.

8.Кесаев И. Г. Катодные процессы электрической дуги. М, «Наука», 1968.

9.Козодаев A.M. Электрические управляемые вентили для формирования мощных импульсов тока. М., Атомиздат, 1975.

10.Langmuir I., Tonks L. А General Theory of the Plasma of on Arc. The Collected Works of I. Langmuir. Oxford, Pergamon Press, 1961, v.5, p.176-224.

11.Фабрикант В. А. Механизм изучения газового разряда. Труды ВЭИ. Вып. 41.

Электронные и ионные приборы. М., Госэнергоиздат, 1941, с. 236-296.

12.Клярфельд Б. Н. Положительный столб газового разряда и его использование для получения света. Труды ВЭИ. Вып. 41. Электронные и ионные приборы, с. 165-235. М., Госэнергоиздат, 1941.

13.Франк-Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы. М., Атомиздат, 1964.

14.Спитцер Л. Физика полностью ионизованного газа. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1957 и 1965.

15.Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М., «Наука», 1971.

16.Арцимович Л. А. Управляемые термоядерные реакции. М., Физматгиз,

1961.

17.Клярфельд Б. Н., Неретина Н.А. Анодная область в газовом разряде при низких давлениях. – «Ж. техн. физ.»,1958, т. 28, № 2, с. 296-315.

86

18.Чистяков П.Н., Татаринова Н. В. Повышение электрической прочности вакуумного промежутка обработкой электродов сильноточным тлеющим разрядом. Физическая электроника (сб. статей). М., Атомиздат, 1966, вып. 3, с. 51-56.

19.Радионовский А. Л., Трещикова Д.С. О зависимости характеристик пробоя вакуумного промежутка от количества органических загрязнений на поверхности электродов. - "Электронная техника", 1967, № 7. Сер.1, с. 47-51.

20.Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. М., Атомиздат, 1972.

21.Электростатические генераторы. Под ред. А. К. Вальтера (сб. статей). М., Атомиздат, 1959.

22.Гохберг Б. М., Яньков Г. Б. Электростатические ускорители заряженных частиц. М., Атомиздат, 1960.

23.Ергаков В. и др. Электростатический сепаратор с катодом из

полупроводникового оксидного стекла. - «Приборы и техника эксперимента», 1969,

№4, с. 30-32.

24.Лебедев И. В. Газоразрядные приборы для сверхвысоких частот. Усп. электровакуумной техники. Под ред.Г.А. Тягунова (сб. статей). М., Госэнергоиздат, 1956.

25.Langmuir I., Tonks L. Oscillations in Ionized Gases. The Collected Works of Langmuir. Oxford, Pergamon Press, 1961, v.5, p.122-139.

26.Френсис Г. Ионизационные явления в газах. Пер. с англ. M., Атомиздат,

1964.

27.Мак-Дональд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. Пер. с англ. М., «Мир», 1969.

28.Johnson E., Malter L. A Floating Double Probe Method for Measurement in Gas Discharge. - «Physical Review», 1950, v.80, p. 58-68.

29.Габович М. Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М., Атомиздат, 1972.

30.Экзоэлектронная эмиссия (сб. статей). М., Изд-во иностр. лит., 1962.

31.Чистяков П. Н., Татаринова Н. В. Статистические запаздывания пробоя в инертном газе при чистометаллическом и активированном катодах. – «Радиотехника и электроника», 1963, т. 8, № 7, с. 1246-1252.

молибденового катода в аргоне. – «Ж. техн. физ.», 1961, т.31, № 6, с. 746-748.

87

34.Hornberk J., Molnar J. Mass Spectrometric Studies of Molecular Ions in the Noble Gases. – «Physical Review», 1951, v.84, p.621-624.

35.Леб Л. Основные процессы электрических разрядов в газах. Пер. с англ. М., Гостехиздат, 1950.

36.Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. Пер. с англ., М., «Мир»,

1968.

37.Лозанский Э. Д., Фирсов О. Б. Теория искры. М., Атомиздат,1975.

38.Руденко Н. С., Сметанин В. И. Характеристика плазмы стримера в неоне.

–«Изв. вузов. Сер. Физика», 1977, т. 3, с. 65-70.

39.Руденко Н.С., Сметанин В. И. Механизм распространения стримера на основе плазменных колебаний. – «Изв. вузов. Сер. Физика», 1977, с. 6.

88

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава I. Тлеющий разряд…………………………………………………………....3

1.Описание тлеющего разряда……………………………………………...3

2.Теория катодной части…………………………………………………….8

3.Разновидности тлеющего разряда………………………………………14

4.Положительный столб тлеющего разряда……………………………...21

5.Явление в анодной области……………………………………………...26 Глава II. Дуговой разряд…………………………………………………………...29

1.Виды дуг. Переход тлеющего разряда в термоэлектронную дугу…………………………………………….............. ..........................29

2.Катодная область самостоятельной дуги……………………………….32

3.Баланс мощностей на электродах……………………………………….41

4.Несамостоятельный дуговой разряд…………………………….............43

5.Положительный столб дуги……………………………………………..46

6.Анодная область………………………………………………………….48 Глава III. Электрический пробой ваккума………………………………………..51

1.Условия возникновения пробойных токов……………………………..51

2.Основные факторы, влияющие на электрическую прочность вакуумного

промежутка………… ………………………………….…………….53

3.Гипотезы механизма пробоя…………………………………………….55 Глава IV. Высокочастотный разряд в газе и вакууме……………………………58

1.Основные определения……………………………………………..........58

2.Движение заряженных частиц в высокочастотном электрическом поле………………………………………………………………………..59

3.Высокочастотный пробой газа и сформировавшийся разряд……………………………………………………………………64

4.Высокочастотный разряд в вакууме…………………………….............71 Глава V. Развитие разряда во времени. Искровой разряд……………………….76

1.Начальные токи в газовом промежутке………………………………...76

2.Запаздывание возникновения разряда…………………………………..77

3.Время формирования разряда…………………………………………...80

4.Стримерный механизм пробоя газа……………………………………..84

5.Искровой разряд………………………………………………………….87 Список литературы…………………………………………………………………88

89