1.2.5. Несамостоятельный гр и его применение в гл

Итак, несамостоятельный ГР не может существовать без внешней ионизации газа.

Пусть газ ионизуется внешним ионизатором (рис. 9). Тогда в нем устанавливается термодинамическое равновесие между процессом ионизации и рекомбинации. В результате в стационарном случае всегда устанавливаются некоторые значения концентрации электронов и ионов. Если ионизация только однократная, тo n = n . В целом плазма всегда будет нейтральна.

Рис. 9 Рис. 10

Если теперь прикладывать напряжение к электродам с помощью источника ЭДС, то энергия электронов и ионов начнет возрастать. Обычно после ионизации внешним ионизатором вначале появляются медленные электроны и уже потом их энергия увеличивается полем Е. Эту энергию подбирают такой, чтобы ею наиболее эффективно можно было осуществлять инверсию среды в ГЛ. В этом суть применения несамостоятельного ГР в ГЛ .

А теперь более подробно рассмотрим ВАХ несамостоятельного ГР:

1. Участок ОА. Здесь напряжение нарастает от нуля, и ток растет по линейному закону. Если напряжение увеличивать еще дальше, то линейность ВАХ нарушается (участок АВ).

2. Участок ВС. На этом участке все электроны, что породил ионизатор, достигают анода, и ток дальше не растет. Поэтому хотя У увеличивается, но ток не увеличивается.

3. Участок СД. Наконец, при больших значениях напряжения энергия электронов становится близкой к той, которой достаточно для вторичной ионизации. Поэтому при значении напряжения, равном значению напряжения в точке D электроны смогут рождать столько вторичных электронов, сколько достаточно для самостоятельного ГР. Поэтому правее точки D (рис. 8) наступает самостоятельный ГР.

1.2.6. Самостоятельный гр и его применение в гл

Рассмотрим теперь виды разрядов, когда внешний ионизатор не используется. Однако напомним, что даже если внешний ионизатор нами не используется, он всегда есть. Это либо космические лучи, либо эмиссия на электродах, либо что-нибудь еще в таком же роде.

1. Участок ДЕ. Темный (таунсендовский ГР). Здесь 1 < 10 А.

Пусть вблизи катода случайно появляется один электрон. Двигаясь (дрейфуя) в поле, он будет ионизовать газ, появившиеся вторичные электроны тоже будут его ионизовать и т.д. Образуется лавина электронов. Положительные ионы будут стремиться к катоду, а электроны к аноду. В результате, в цепи появляется ток. Это будет темный (таунсендовский) ГР. Он не самостоятельный в принципе, т.к. для его поддержания нужно, чтобы в результате космической бомбардировки вблизи катода "случайно" появился электрон. В этом случае хотя и есть электронная лавина, но еще нет пробоя газа, а значит и нет его свечения.

Для электронной лавины справедливо уравнение баланса

dn /dz=αn

решение которого имеет вид

n (z)=n (0)e (1.9)

Здесь n (0) - концентрация электронов у поверхности катода;

n (z) - концентрация электронов в плоскости на расстоянии z от катода;

а — коэффициент размножения электронов, который показывает, сколько электронов рождает один электрон на 1 см пути. Его называют коэффициентом Таунсенда.

Если слегка уменьшить величину балластного сопротивления R (рис. 10), то ток I в цепи разряда наоборот немного увеличится, но настолько, что их произведение R I = U останется практически неизменным. И это будет справедливо для всего участка DE кривой ВАХ (рис. 8). Но при подходе к точке Е кривой ВАХ энергия зарядов (как электронов, так и ионов) возрастает. В результате, вблизи самой точки Е энергия ионов становится достаточной для того, чтобы они начали выбивать из катода новые электроны. Эти электроны поступают в разрядный промежуток, изменяют характеристики разряда, который переходит в новый режим, соответствующий участку EF кривой ВАХ.

2. Участок EF. Согласно решению балластного уравнения (1.9), от одного электрона

(n (0) =1), стартующего от катода, к аноду приходит n (L) = е штук электронов. Здесь

L — расстояние между электродами разрядной камеры. Следовательно, при разряде образуется (е — 1) вторичных электронов. Эта разность получилась в результате вычитания из полного числа электронов одного первичного электрона. Считая ионизацию атомов однократной, можно считать и число ионов равным величине (е — 1). Если один ион имеет вероятность γ выбить из катода один электрон, то полное число выбитых всеми ионами электронов равно γ (е — 1). Вблизи точки Е кривой ВАХ это число мало, но оно увеличивается при удалении от нее в сторону точки F. Если в некоторой точке участка EF это полное число равно единице, т.е. γ (е — 1)= 1, то разряд становится самостоятельным и наступает пробой газа. Если же γ (е — 1) >1, то сопротивление разрядного промежутка резко падает, газ знает святиться, и в точке F наступает новый режим разряда — тлеющий разряд.

3. Участок FG. Нормальный тлеющий разряд. Здесь I = 10 — 10 А. При появлении тлеющего разряда светящееся пятно на катоде имеет малый размер. При уменьшении балластного сопротивления ток растет, но при этом плотность тока остается постоянной, т.к. рост тока происходит за счет увеличения размеров пятна на катоде. Когда пятно полностью покрывает катод, разряд становится аномальным (точка G кривой ВАХ), т.е. для дальнейшего увеличения тока требуется увеличивать напряжение на разрядном столбе (путем уменьшения Rb ).

Вверху на рис. 11 показана структура тлеющего разряда. Ниже приведены графики зависимости напряжения U (z) и объемной плотности заряда ρ(z) соответственно.

Вблизи катода ток определяется положительными ионами, т.к. они разгоняются до больших скоростей. Между этими ионами и анодом почти нет падения напряжения, т.к. ионы и анод являются одноименно заряженными. Оно почти все приходится на узкую прикатодную область длиной d .

Участок GH. Аномальный тлеющий разряд. Он существует до тех пор, пока ток не достигнет достаточной плотности и не разогреет катод, в результате чего начнется термоэмиссия электронов.

Участок HKL. Дуга. Как только начинается термоэлектронная эмиссия, то надобность в большом внешнем U (для разгона электронов) исчезает, т.к. они интенсивно рождаются и разгоняются тепловой энергией. Поэтому прикатодное напряжение, а значит напряжение на разрядной трубке, падает до значения, необходимого для ионизации или возбуждения газа. Затем напряжение будет увеличиваться, т.к. усиливается рекомбинация, и ее необходимо компенсировать.

Все рассмотренные типы самостоятельных ГР постоянного тока характеризуются вполне определенными значениями необходимых для их поддержания полей и взаимосвязью этих полей с током. Это обстоятельство несколько ограничивает эффективность использования отдельных форм разряда для возбуждения конкретных лазеров. Отдельные ограничения дает и худшая устойчивость самостоятельных разрядов по сравнению с несамостоятельными.

Тем не менее, благодаря своей технической простоте, возможности осуществления в большом количестве газовых смесей, отсутствию внешнего ионизатора самостоятельные ГР находят очень широкое применение в ГЛ.