ионизационного потенциала) катодное падение потенциала,

В зависимости от давления газа в разрядном промежутке различают дугу при пониженном давлении и дугу при высоком н сверхвысоком давлениях. Они различаются главным образом физическими процессами в столбе разряда (плазме).

По виду эмиссии электронов из катода различают:

а) дугу с независимым накалом катода (несамостоятельный дуговой разряд);

б) термоэлектронную дугу;

в) дугу с холодным катодом (электростатическая эмиссия).

а) Дуга с независимым накалом катода характеризуется двумя режимами горения: когда анодный ток /а меньше тока термоэлектронной эмиссии катода 1з.к и когда 1в>1э,к (за счет дополнительного вырывания электронов из катода электрическим полем). При нормальном режиме горения (/а</э,к) катодное падение потенциала имеет величину порядка ионизационного потенциала газа Ui и Практически ие зависит от Тока /а. При /a>Js,K катоднос падение потенциала растет с ростом тока.

б) Термоэлектронная дуга имеет место при катодах йз тугоплавких материалов. В результата разогрева катода ионной бомбардировкой На нем появляется раскаленное катодное пятно, йвляющееся источником электронов.

Процессы в столбе термодуги аналогичны процессам в дугах другого вида и столбе тлеющего разряда. Они описаны ниже.

в) Дуга с холодным катодом возникает при использовании в качестве катода легкоплавких металлов. Наиболее распространенным случаем дуги этого вида является дуга с ртутным катодом, горящая в парах ртути. Эмиссия электронов из ртутного катода концентрируется в одном или нескольких (в зависимости от тока) катодных пятнах. Плотность тока в элементарном катодном пятне достигает 10°- 10 А/м2. Прн токах более 2-3 А образуется групповое пятно с плотностью тока 2.10-4-10 А/м2. При токах более 30- 50 А появляется несколько самостоятельных групповых пятен.

Выделение в катодном пятне энергии, приносимой из разряда ионами, приводит к интенсивному испарению ртути. В результате резко уменьшается длина свободного пробега электронов и ионное облако образуется на очень малых расстояниях от Поверхности катода. Это обеспечивает при Д(7к-10 В напряженность поля у поверхности катода порядка 10 В/м, достаточную для электростатической эмиссии электронов.

Коронный и искровой разряды

Коронный разряд возникает при сравнительно больших давлениях и конфигурации электродов, при которой поле в разрядном промежутке очень неравномерно.

Ионизация происходит лишь в тонком слое (около электрода с малым радиусом кривизны). Называемом коронирующим слоем. На практике чаще всего встречается случай коронирующих цилиндрических проводов. При постоянном напряЖеииН в зависимости от полярности коронирующего электрода различают отрицательную и положительную корону.

При повышении напряжения на коро-нирующем электроде корона моЖет перейти в дуговой или искровой разряд (при мощности источника, недостаточной для поддержания стационарного дугового разряда). В случае положительной короны переход в искровой разряд происходит при меньшем напряжении, чем в случае отрицательной.

Температура газа в канале искры достигает 10 000 К, что приводит к возможности термической ионизации. Явления искрового разряда не укладываются в теорию лавинных разрядов и находят объяснение в теории стримеров.

Первое условие образования стримеров

=2.19-108-

р \pd)

где а - коэффициент объемной ионизации, м-; р - давление газа. Па; d - расстояние между электродами, м; Es напряженность поля между электродами, В/м.

Пользуясь этим выражением, можно найти напряжение искрового пробоя Us

Us = Esd.

Вычисленные таким образом значения Ua хорошо совпадают с экспериментальными данными при pd>2b0 м-Па.

Второе условие образования стримеров

nj>7.102o ион/м ,

где т - концентрация ионов в голове лавины.

Для сравнительно коротких искробых промежутков второе условие всегда соблюдается при соблюдении первого.

При искровом пробое разрядного промежутка острие - плоскость напряженность поля, необходимая для пробоя, значительно меньше в случае положительного острия.

В табл. 3-10 приведены значения пробивных напряжений между плоскими электродами Б воздухе при атмосферном давлении (р=10 Па) и температуре 293 К.

В высоковольтной технике находят применение газы, электрическая прочность которых в несколько раз превышает электрическую прочность воздуха (азота).

В табл. 3-11 приведены данные о двух таких газах.

Имеется ряд газов, электрическая прочность которых в 6-10 раз превышает прочность воздуха. К ним, в частности, относится четыреххлористый углерод

§ 3-7]

Виды электрического разряда в газах

Таблица 3-Ш

Пробивные напряжения между плоскими электродами в воздухе при p=W> Па (760 мм рт. ст.) и 7=293 К

й, см

31,35 58,1 85,8 112,0

138,5 163,8 215,0 265,0

12 14 16

315,5 363,2 412,6

Таблица З-П

Данные о плотности, температуре кипения и относительной электрической прочности высокопрочных газов.

(fnp.oth=6,3). Однако их практическому использованию препятствуют повышенная химическая активность, токсичность и высокие температуры кипения.

Газовая плазма

Газовой плазмой называется сильно ионизированная газовая среда, характеризующаяся почти полным равенством концентраций положительно и отрицательно заряженных частиц. Обычно в плазме беспорядочное движение частиц преобладает над их направленным движением под действием электрического поля или в результате диффузии.

В состоянии плазмы газ находится в столбе и фарадеевой темной области тлеющего и дугового разрядов, высокочастотном разряде, канале искрового разряда, в стволе молнии.

Плазма характеризуется следующими параметрами: Пе, Пг - концентрации электронов и ионов; Те, Ti, Гн - температуры электронного, ионного и нейтрального газов (атомов или молекул); Je, .h - плотности беспорядочных электронного и ионного

Таблица 3-12

Значения коэффициентов а а s для некоторых газов

токов; .Ген, JiK - ПЛОТНОСТИ направленных электронного и ионного токов; Ei - продольная напряженность электрического поля.

Для средних давлений газа связь между этими параметрами устанавливается с помощью диффузионной теории.

Рис. 3-36. Универ-К/б сальная зависимость температуры элект-

произведения давле-ния газа Ро на радиус разрядной трубки R (S - постоянная для данного Газа).

10 10 ID ID gV

Температура электронного газа Ге жет быть найдена из выражения

е = 1,16-106 (spR)?,

VeUilkTe

где Ui - потенциал ионизации газа. В; ро - давление газа, Па, приведенное к 273 К; R - радиус разрядной трубки, м;

- константа для данно-

го газа (табл. 3-12); Яео - средняя длина свободного пробега электронов при 1 Па, м;

Цг-подвижность ИОНОВ.

На рис. 3-36 приведен универсальный график зависимости температуры электронного газа от произведения spoR.

Продольная напряженность электрического поля в плазме может быть вычислена по формуле

где R - радиус разрядной трубки; Do - коэффициент двуполярной диффузии; Ui- потенциал ионизации; ixe - подвижность электронов; - доля мощности разряда, расходуемая на ионизацию.

На рис. 3-37, а приведены экспериментальные кривые зависимости продольной напряженности поля Ei от давления газа для инертных газов при диаметре разрядной трубки £)=2 см, а на рис. 3-37,6 - зависимости EiD от давления паров ртути.

Распределение концентрации зарядов по сечению разрядной трубки характеризуется формулой

Пег = ео 1 I 5

где Пег - концентрация зарядов на рассто-

ЯНИИ г от оси трубки; Пео=2,3--=--

enR?iie El

концентрация зарядов на оси; J,

функция Бесселя нулевого порядка; R - радиус разрядной трубки. Средняя концентрация зарядов Пе = Пео/2,3.

Плотности беспорядочного электронного Je и ионного Ji токов опредсляются из соотношений

/е = 2,48.10-1 ПеКт, ;

ноБИтся ПО СБОИМ свойствам близкой к изотермической плазме (Ге=Гг=Г ).

Основными процессами в плазме высокого давления являются термическая ионизация и рекомбинация зарядов в объеме.

Степень ионизации газа характеризуется уравнением Саха

Л-= 4,96.10-16;

те Mi

где Пе и т - средние концентрации электронов и ионов; Те, Ti - температуры электронного и ионного газов; те, nii - массы электрона и иона.

т зов гвв

D,t t ID 100 Па а)

Рнс, 3-37. Зависимость продольной напряженности

поля Ej в плазме разряда от давления газа. а - в инертных газах при разрядном токе /д = =0,3 А и диаметре трубки 2 см; б - в плазме ртутного разряда для различных диаметров разрядной тру.бки D при токе /д =3 А.

Соответственно

Плотность направленного электронного тока /ен определяется как

Jen = епе lie El ~ = 3.8.10-1? n,- EL

Экспериментальное исследование параметров плазмы при средних давлениях, результаты которого были приведены выше, проводится по методу зондов Ленгмюра [3.3].

Для плазмы низкого давления диффузионная теория неприменима, и некоторые основные соотношения могут быть получены по теории Ленгмюра и Тонкса.

Теория плазмы высокого и сверхвысокого давления основана на том факте, что с ростом давления газа средняя кинетическая энергия заряженных частиц приближается к средней кинетической энергии частиц нейтрального газа, т. е. плазма cta-

ар=АТе ,

где а - степень ионизации (пе=Пг=ап); р - давление газа; Л=6,55-10-2; Т - температура газа; Ui - потенциал ионизации газа.

На рис. 3-38 приведены графики зависимости a=f(T).

5DDD BDDD 7DDD 80DDK а)

В 8 10 !2 п IB W готк

В)

Рис. 3-38. Зависимость степени термической ионизации а от температуры Т.

а - для ртути при разных давлениях; б - для паров Ag, Си, Fe. Hg и газов Hj и Nj при Р= = 10= Па.

Внешний вид плазмы высокого давления (например, столба тлеющего или дугового разряда) отличается тем, что оиа не заполняет всего сечения разрядной трубки, а представляет собой узкий ярко светящийся шнур по оси трубки. Процесс отшнуро-вывания тем сильнее, чем выше давление и больше плотность тока. Так как в отшну-рованном положительном столбе стенки разрядной трубки практически не играют роли, то дуга при атмосферном давлении может гореть на воздухе ( дуга Петрова ). Температура шнура в парах ртути оказыва-