5.2. Несамостійний газовий розряд

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом. Якщо електропровідність газу створюють зовнішні іонізатори, то електричний струм, що виникає в ньому, називають несамостійним газовим розрядом. Коли припиняється дія зовнішніх іонізаторів, несамостійний розряд також припиняється. Несамостійний газовий розряд не супроводжується світінням газу.

Д ля дослідження залежності сили струму при несамостійному газовому розряді від напруги U між електродами можна використати установку, схему якої подано на рис. 5.1.

Напругу, прикладену до електродів А і К, регулюють за допомогою потенціометра Р і вимірюють вольтметром V. Силу струму вимірюють чутливим гальванометром G. Газ іонізують рентгенівським промінням, яке випромінює трубка R. Інтенсивність іонізації підтримують незмінною. Результати вимірювань подані на рис. 5.2.

При невеликих напругах (1-а область напруг) сила струму пропорційна напрузі, тобто несамостійний газовий розряд подібний до струму в електролітах: обидва вони відбуваються за рахунок упорядкованого руху іонів. Отже, в даному випадку густину струму можна описати рівнянням (4.12)

При іонізації в газах звичайно утворюється електрони і одновалентні іони, тому рівняння (5.3) можна записати у вигляді

Дослід показує, що рухливість газових іонів у широкому інтервалі тисків (від 10 до 10⁷ Па) обернено пропорційна тиску (див. [3]).

При подальшому збільшенні напруги U лінійна залежність сили струму I від U порушується (2-а область напруг). Це зумовлено тим, що зі збільшенням напруженості поля Е концентрація іонів у газі внаслідок рекомбінації зменшується, в той час як в електролітах вона майже не залежить від густини струму і залишається незміною внаслідок дисоціації розчину.

Починаючи з деякого значення напруги U_н, сила струму при несамостійному розряді залишається незмінною, незважаючи на зростання напруги (3-я область напруги). Це явище можна пояснити тим, що в сильних електричних полях швидкість іонів досягає великих значень, і всі іони, що виникли в газі, на шляху до електродів не встигають рекомбінувати в нейтральні молекули. Тому при незмінній інтенсивності іонізації подальшого зростання струму немає.

Максимальну сили струму I_н при даній інтенсивності іонізації називають струмом насичення. Коли струм досягає насичення, до електродів щосекунди надходить електричний заряд eN₀, де N₀ – число пар одновалентних іонів, що утворюються в об’ємі газу під дією іонізатора за одну секунду. Очевидно, що сила струму насичення

. (5.4)

З рівняння (5.4) випливає, що при збільшенні в кілька разів інтенсивності іонізації в стільки ж разів збільшується і струм насичення. Існування струму насичення підтверджує іонну природу провідності газу.

При подальшому збільшенні напруги між електродами сила струму різко зростає (4-а область напруги). Це зумовлено виникненням ударної іонізації газу, що буде розглянуто в наступному параграфі.

5.3. Самостійний газовий розряд

Електричний розряд у газах, що зберігається з припиненням дії зовнішнього іонізатора, називають самостійним газовим розрядом. Щоб його утворити, треба, щоб внаслідок самого розряду в газі безперервно створювалися вільні електричні заряди. Основним джерелом для їх виникнення є ударна іонізація молекул газу.

Розглянемо вплив величини напруги U між електродами газорозрядної трубки (рис.5.1) на провідність газу і процеси, що відбуваються в ньому при проходженні електричного струму. При деякому досить великому значенні напруги електрони, що виникають у газі під дією зовнішнього іонізатора, настільки сильно прискорюються електричним полем, що, стикаючись з молекулами газу, іонізують їх. При цьому утворюються вторинні електрони та іони. Вторинні електрони також прискорюються електричним полем і вже самі іонізують нові молекули газу. Отже, число носіїв струму в газі та його провідність суттєво зростають. У цьому полягає причина різкого зростання електричного струму на початку 4-ї області напруг (рис. 5.2) Проте ударної іонізації, створеної одними електронами, не досить для підтримання розряду без дії зовнішнього іонізатора, тобто для здійснення самостійного розряду. Це зумовлено тим, що електрони можуть іонізувати ті молекули газу, які лежать ближче до анода порівняно з місцем виникнення електронів. Отже, якщо енергії позитивних іонів недостатньо, щоб утворити ударну іонізацію молекул газу або вибити електрони з металевого катода, електрони можуть виникати тільки завдяки дії зовнішнього іонізатора. Якщо його дія раптово припиняється, то область ударної іонізації газу електронами поступово скорочується, стягуючись до анода в міру руху до нього електронів. Нарешті ударна іонізація і електричний струм у газі припиняються зовсім.

Якщо ж напруга U настільки велика, що позитивні іони також набувають здатність іонізувати молекули газу біля катода і вибивати електрони з металу катода, то утворюється двостороння лавина електронів і позитивних іонів, що виникають в усіх частинах об’єму газу. Тепер зовнішній іонізатор вже не відіграє майже ніякої ролі в створенні газового розряду, оскільки число створених ним первинних електронів та іонів дуже мале порівняно з числом вторинних електронів та іонів, що виникають завдяки зазначеним вище процесам. Тому припинення дії зовнішнього іонізатора ніяк не позначається на подальшому протіканні газового розряду. Отже, підвищуючи напругу U між електродами газорозрядної трубки, можна здійснити перехід несамостійного газового розряду в самостійний. Цей перехід називають електричним пробоєм газу, а відповідну йому напругу U=U₃ – напругою запалювання газового розряду, або напругою пробою газу.

Як показує дослід, для виникнення електричного пробою газу не треба використовувати спеціальні зовнішні іонізатори, оскільки у природних умовах газ завжди зазнає дії космічного проміння і рентгенівського випромінювання Землі, які іонізують невелику частину його молекул.

У розглянутій вище картині самостійного розряду не враховано ряд процесів, що відіграють у розряді більш-менш істотну роль. Так, наприклад, електрони та іони, які мають недостатню енергію для іонізації молекул, стикаючись з молекулами газу, можуть перевести їх у збуджений стан. Повертаючись у попередній стан, збуджені молекули випромінюють світло. Випромінюється світло також під час рекомбінації позитивних іонів з електронами (це явище називають рекомбінаційним світінням). Світло, падаючи на катод, може викликати на його поверхні фотоефект, тобто вибивати з катода фотоелектрони, які беруть участь в утворенні двосторонньої лавини. Виривання електронів із катода відбувається внаслідок нагрівання його при бомбардуванні позитивними іонами (термоелектронна емісія), а також під дією сильного електричного поля (холодна емісія). Нарешті, електрони, стикаючись з анодом, можуть вибивати з нього позитивні іони.

Досліди показують, що напруга запалювання U₃ в газорозрядній трубці між плоскими електродами, паралельними один одному, залежить від хімічної природи газу (потенціалу іонізації ), матеріалу катода (роботи виходу електрона з металу) і добутку тиску Р газу на відстань d між електродами трубки (від відстані d залежить набута електроном або іоном кінетична енергія, а від тиску – їх довжина вільного пробігу при зіткненні з молекулами газу).

У подальшому розглянемо деякі типи самостійних розрядів, які відрізняються один від одного як за зовнішнім виглядом, так і за характером фізичних процесів , що зумовлюють їхню появу і протікання.