МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра ЭПУ
отчет
по лабораторной работе №4
по дисциплине «Плазменная электроника»
Тема:
«РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
ГАЗОВОГО РАЗРЯДА (КРИВЫЕ ПАШЕНА)»
Студентка гр. 4209 |
|
Розкалий Ю. С. |
Преподаватель |
|
Марцынюков С.А. |
Санкт-Петербург
2016
Цель работы.
Расчет напряжения возникновения газового разряда при различных условиях.
Основные теоретические положения.
Разность потенциалов между электродами, при которой разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный, называется пробивным напряжением, или напряжением возникновения газового разряда, и имеет большое значение при разработке плазменных приборов и устройств. Физический смысл напряжения возникновения () иллюстрируется с помощью вольт-амперной характеристики двухэлектродного промежутка, показанной на рис. 1, где j – плотность тока, протекающего между электродами; – приложенное к ним напряжение.
Рис. 1. Обобщенная вольт-амперная характеристика.
Область I обусловлена током частиц, образовавшихся в промежутке за счет объемной ионизации и вторичной эмиссии электронов поверхностью катода под действием достаточно жестких квантов и быстрых ядерных частиц, связанных с естественным (космическим) или искусственным фоном облучения. Если каким-то образом оградить промежуток внешнего ионизирующего воздействия, то ток между электродами в области I практически прекратится. По этой причине протекание тока на участке I вольт-амперной характеристики (ВАХ) называется «несамостоятельным» разрядом.
Совершенно иначе обстоят дела на II участке вольт-амперной характеристики. Здесь очень существенна вторичная эмиссия электронов катодом под действием бомбардирующих его ионов. За счет образования ионов в объеме и выбивания ими вторичных электронов разряд перестает зависеть от внешних ионизирующих воздействий, он переходит в режим самоподдержания – становится «самостоятельным». Показанная на рис. 1 точка напряжения возникновения газового разряда (Uв) является граничной, определяющей «несамостоятельный» разряд от «самостоятельного».
Расчётные формулы.
Условие самостоятельности:
, (1)
где коэффициент вторичной эмиссии ионно-электронного типа; расстояние между электродами; коэффициент объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами.
Коэффициент объемной ионизации :
, (2)
где напряженность электрического поля; р – давление газа (или пара) в промежутке; А и В – константы, зависящие от рода газа.
Напряженность поля :
(3)
Напряжение возникновения разряда :
где – давление; – расстояние между электродами.
Обработка результатов эксперимента.
1. Выведем зависимость Uв=f(pL).
Подставим выражения (2) и (3) в условие самостоятельности (1). Полученное при этом уравнение решается относительно Unp. Unp=f(эту зависимость pL) – получим:
,
В данной работе исследовался газ аргон, а материалом мишени был никель.
Данные для этих веществ
Для аргона: А=13.6 см-1*мм рт.ст.-1; В=235 В*см-1*мм рт.ст.-1; Для никеля: γ=0,058.
2. Зависимость коэффициента объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами от отношения Е/р имеет вид:
График зависимости коэффициента объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами от отношения Е/р представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость коэффициента объемной ионизации.
3. Зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв от произведения pL имеет вид:
График зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв от произведения pL, где р – давление газа, а L – расстояние между электродами, представлен на рисунке 4 для одного газа (аргона) и трех мишеней (железо, платина, никель) и на рисунке 3 для трех газов (аргон, неон, водород) и одной мишени (никель).
Рис. 3. Зависимость напряжения возникновения газового разряда Uв.
Рис. 4. Зависимость напряжения возникновения газового разряда Uв.
Выводы.
В данной лабораторной работе были рассчитаны напряжения возникновения газового разряда при различных условиях (разный коэффициент вторичной электронной эмиссии, зависящий от материала катода и разные константы А и В, зависящие от газа).
Была рассмотрена зависимость , которая определяет количество или число пар «ион-электрон», приходящихся на 1 м длины при давлении 133 Па. Теоретическая и практическая зависимости, представленные на рис. 2, качественно совпадают.
Также был рассмотрены кривые Пашена, представленные на рис. 3 и 4. Так как коэффициент вторичной электронной эмиссии ионно-электронного типа для Fe близок по значению к Ni, кривые почти накладываются друг на друга и лежат ниже кривой для Pt, из чего можно предположить, что, чем меньше тем больше требуется . Экспериментальная и теоретическая зависимости качественно совпадают.
Если меняется газовый состав, то, чем больше порядковый номер газа, тем ниже находится кривая Пашена. У большего порядкового номера больше электронных оболочек и меньшую энергию нужно затратить для вырывания электрона, а, значит, и меньший потенциал нужно приложить.