где Ue соответствует средней энергии электронов, В.

В случае, если в газовом объеме двигаются ионы и их распределение по энергиям соответствует закону Максвелла или не слишком от него отступает, для них могут быть записаны соотношения, аналогичные приведенным для электронного газа.

Направленное движение электронов и положительных ионов под действием силы электрического поля происходит (вследствие трения их о частицы газа) с некоторой постоянной средней скоростью Vx.

Для положительных ионов

йгж = ( .££,

где Е-напряженность электрического поля.

Коэффициент пропорциональности называется подвижностью ионов.

Рассмотрение взаимодействия иона и молекулы нейтрального газа как соударения упругих шаров приводит к выражению

иг = 0,815 = 0.815

ehj mivi

ekjB 1 mivt Ро

где Я.;о - средняя длина свободного пробега иона при давлении 1 Па; ро -давление газа. Па, приведенное к 273 К; Шг - масса иона; Vi - средняя скорость беспорядочного движения ионов, м/с.

Формула дает несколько завышенные значения ц , так как не учитывает электрического взаимодействия ионов с атомами (явлений поляризации атомов и перезарядки).

Для случаев, когда существенное влияние оказывает перезарядка,

Ui / Е \1/2

где t/г - потенциал ионизации газа. В; - атомная масса газа.

На рис. 3-29 приведены кривые зависимости Vix от Elpa для криптона и ксенона. Пунктиром изображены расчетные зависимости.

Для электронов также используется понятие подвижности lie. ОдНЭКО СЛОЖНЫЙ

характер взаимодействия электронов с атомами приводит к тому, что зависит не только от рода и давления газа, но и от капряжеиности электрического поля Е. На рис. 3-30 приведены кривые зависимости Vex от £/ро для ряда газов.

Направленное движение заряженных частиц в газе может возникать за счет перепада их концентраций (диффузионное движение). Скорости диффузионного движения при наличии зарядов одного знака

(электронов или ионов) выражаются диффузионными уравнениями

Dp йпр Di drii

Vex =

Пе dx

где De к Di - соответственно коэффициенты диффузии электронов и ионов; Пе, Пх -

концентрации электронов или ионов в данной точке; dnjdx - градиент концентрации частиц в данной точке.

М/с Б

Рис. 3-29. Зависимость V скорости направленного движения ионов от

9 Ъ & 10 tZ

W т/(м-Ла}

Рис. 3-30. Зависимость скорости направленного движения электронов ti от Е/ра.

Коэффициенты диффузии могут быть вычислены по уравнениям

кТе Тр

De = V-e---- = \>-е-

Di = 14 = \М

11600 11600

в случае, когда в газовом объеме имеются заряды двух знаков (электроны и положительные ионы), причем концентрации их равны в каждой точке, имеет место дву-полярная диффузия. При этом вследствие электрического взаимодействия между электронами и ионами скорость их диффузионного движения определяется коэффи-циенюм двуполярной диффузии Da-

DeV-гЛ- Dj lie P-J + He

или приближенно

Te + Tj 11600

При сравнительно низких давлениях газа ТгТе, н тогда Da~iHiTein600.

На рис. 3-31 приведены кривые зависимости Da ОТ давления газа ро для инертных газов и паров ртути.

5 Ч 3

tUOOa

Рис. 3-31. Зависимость коэффициента двуполяр-иой диффузии от давления р . а - для инертных газов; б - для паров ртути.

3-7. ВИДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ГАЗАХ

Электрические разряды в газе делятся Еа дв.е группы: несамостоятельные и самостоятельные разряды.

Несамостоятельным разрядом называют электрический разряд, требующий для своего поддержания образования в разрядном промежутке заряженных частиц под действием внешних факторов (внешнего воздействия на газ или электроды, увеличивающего концентрацию заряженных частиц в объеме).

Самостоятельным разрядом называют электрический разряд, существующий под действием приложенного к электродам напряжения и не требующий для своего поддержания образования заряженных частиц за счет действия других внешних факторов.

Если разрядную трубку с двумя плоскими холодными электродами наполнить газом и включить в электрическую цепь, схема которой изображена на рис. 3-32, а, то можно снять вольт-амперную характеристику. Участки ее соответствуют следующим видам разряда: / - несамостоятельный .темный разряд, -самостоятельный темный разряд, III - переходная форма разряда от темного к тлеющему, IV - нормальный тлеющий разряд, I- аномальный тлеющий разряд, VI - переходная форма от тлеющего разряда к дуговому, VII - дуговой разряд*.

* Интервалы токов даны ориентировочно, так как они могут изменяться в зависимости от рода и давления газа, материала электродов и расстояния между ними.

Приведенная на рис. 3-32,6 вольт-амперная характеристика не включает в себя видов разряда, возникающих при высоких давлениях, а именно искрового, коронного и безэлектродного высокочастотного.

I I I iJAl IeHF

10V)0VW~10

W WBA

Рис. 3-32. Самостоятельный разряд.

с -схема включения разрядной трубки; б - вольт-амперная характеристика самостоятельного разряда.

Темный разряд и развитие самостоятельного разряда

При несамостоятельном темном разряде развитие электронных лавин описывается уравнением

/а = /ое° а. где /а - ток на анод с учетом газового усиления; /о - ток электронов с катода; Ха - расстояние между катодом и анодом; а - коэффициент объемной ионизации (число ионизации, производимых электроном на 1 м пути).

1/(м-Па)

Рис. 3-33. Относи- to тельиый коэффициент ионизации а/ро в функции отношения напряженности поля к давлению газа Я/р .

В/(м-Па)

При учете процесса вторичной электронной амиссин из катода под действием бомбардировки его ионами

/а = /о

1 (е а-1)

где Y - коэффициент вторичной эмиссии катода под действием ионной бомбардировки.

Значения у

приведены в § 3-6

Виды электрического разряда в газах

(рис. 3-27). Значения - =f(-) для

Рв \ Рв / инертных газов приведены на рис. 3-33. Условие самостоятельности разряда, полученное Таунсендом, имеет вид:

-у(е а-1)=1.

Из этого выражения следует, что напряжение возникновения самостоятельного разряда t/а.з является функцией произведения давления газа ро и расстояния меж-

- Рие. 3-34. Завиеимость напряжения возникновения .самостоятельного разряда от произве-Дения давления газа на расстояние между электродами Роа-

ду электродами х. Такие зависимости ( кривые Пашена ) для разных газов и -различных материалов .ллектродов- приведены на рис. 3-34.

Тлеющий разряд

На рис. 3-35 показан схематически вид тлеющего разряда, характеризующийся че-

7gJ- V 5

Рис. 3-35. Тлеющий разряд.

а - внешний вид; б-распределение

интенсивности свечения; в-распределение потенциала; г - напряженность поля; б-распределение объемных зарядов.

редованием темных и светящихся слоев газа, носящих названия:

1 - первая катодная темная область;

2 - первое катодное свечение;

S - вторая катодная темная область;

4 - второе катодное свечение (катодное тлеющее свечение);

5 - фарадеева темная область; 7-288

6 - столб разряда;

7 - анодная темная область;

8 - анодное свечение.

Катодное падение потенциала ДУк.я при нормальном тлеющем разряде (свечением покрыта только часть поверхности катода) зависит от материала катода и рода газа и не зависит от давления газа и тока.

Ширина йк.в области нормального катодного падения потенциала зависит от материала катода и рода газа. Зависимость от давления газа определяется соотношением dK,Hpo=const==0,15-l,0 м-Па.

Для нормального тлеющего разряда характерна постоянная (нормальная) плотность тока на катоде /я.

При изменении давления газа рй нормальная плотность тока изменяется по закону

где /во - нормальная плотность тока на катоде при ро=1 Па; а - постоянная, зависящая от геометрии электродов и рода газа.

При плоских электродах обычно а 2 (для Ne asa 1,5-1,75).

Когда при увеличении анодного тока вся поверхность катода покрывается свечением, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением плотности тока. Такое катодное падение называется аномальным катодным падением потенциала, а сам разряд называется аномальным тлеющим разрядом.

Прикатодные области разряда 1-4 (рис. 3-35), в которых сосредоточено катодное падение потенциала, являются жизненно необходимыми для существования тлеющего разряда. Участки 5 (фарадеева темная область) и 6 (столб разряда) являются пассивными участками разряда с хорошей электропроводностью, связывающими анодные области разряда 7 и S с катодными областями разряда.

В столбе разряда газ находится в сильно ионизированном состоянии, причем концентрация электронов и ионов примерно равны, т. е. объемный заряд компенсирован. Газ, находящийся в таком состоянии, называется плазмой.

Особенности и характеристики плазмы рассмотрены ниже.

При сближении анода с катодом последовательно сокращаются, а затем исчезают столб разряда, анодная область, фарадеево темное пространство. При вторжении в область тлеющего свечения падение напряжения иа приборе резко возрастает (затрудненный разряд).

Дуговой разряд

Понятие дугового разряда охватывает несколько видов разряда, внешним признаком которых является низкое (порядка