книги / Техника высоких напряжений
..pdf
|
Таблица |
2-2 |
Энергия выхода электронов |
|
|
из различных металлов |
|
|
Металл |
Энергия |
|
выхода, |
вв |
|
Алюминий |
1,8 |
|
Медь . . . |
3.9 |
|
Окись меди |
5,34 |
|
Железо |
3,9 |
|
Серебро . |
3,1 |
|
Платина |
3,6 |
|
Окись бария |
1,0 |
|
Нагреванием катода, которое сопровождается увеличением скоро сти электронов. Если при этом ки нетическая энергия электрона пре высит энергию выхода, он может перескочить через потенциальный барьер и покинуть пределы электро да (термоэлектронная эмиссия).
Бомбардировкой поверхности ме талла какими-либо частицами (на пример, положительными ионами), обладающими достаточной энер гией.
Облучением поверхности метал ла коротковолновым излучением, обладающим достаточно малой дли ной волны (фотоэффект).
Наложением сильного внешнего поля (холодная эмиссия).
Первый способ поверхностной ионизации имеет решающее значение в электронных приборах, в которых катод нагревается специально для освобождения большого числа элек тронов. В изоляционных конструк циях в начальных стадиях разряда этот процесс не имеет места, нов ду говом разряде в месте соприкосно вения с дугой катод нагревается до температуры в несколько тысяч гра дусов и термоэлектронная эмиссия приобретает важное значение® снаб жении канала дуги свободными электронами.
Для осуществления поверхност ной ионизации внешнее поле долж но иметь очень большую величину порядка 1000 кв/см, что в промыш ленных изоляционных конструкциях бывает крайне редко. Поэтому в га зовых промежутках, с которыми при
ходится иметь дело в технике высо ких напряжений, основное значение имеет бомбардировка поверхности металла частицами и облучение ее коротковолновым излучением. При этом следует иметь в виду, что на личие внешнего поля, напряжен ность которого недостаточна для осуществления холодной эмиссии, несколько уменьшает энергию выхо да электрона из металла и тем са мым способствует осуществлению других видов ионизации на поверх ности.
2-3. КОЭФФИЦИЕНТ УДАРНОЙ ИОНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОНАМИ
Как указывалось выше, при ком натной температуре энергия тепло вого движения частиц газа недоста точна для ионизации. Но заряжен ные частицы (электроны и ионы) могут приобретать дополнительную энергию, разгоняясь под действием электрического поля. Так как эти частицы двигаются в газовой среде, на пути между электродами они многократно сталкиваются с моле кулами газа, при каждом столкно вении теряя большую часть приоб ретенной ими энергии. Поэтому на копление энергии электронами и. ионами происходит главным обра зом на пути между двумя последо вательными столкновениями, *т. е. на пути свободного пробега данной частицы. В кинетической теории га
зов |
доказывается, |
что с р е д н я я |
длина свободного пробега X части |
||
цы |
с радиусом |
г0, двигающейся |
в газовой среде, содержащей в 1 смг N частиц радиуса г, определяется выражением
|
Х~ |
*(г» + г)2ЛГ |
(2'5) |
|
Если |
движущейся |
частицей |
||
является |
электрон, то г0 |
г и |
||
|
Яэ ~ |
1 |
(2-6) |
|
|
тсr2N |
|||
Если |
движущейся |
частицей |
||
является |
ион, |
то |
г0 ^ г и |
|
|
Я |
— |
1 |
(2-7) |
|
Ли ~ |
4iirW • |
|
|
Таким образом, средняя длина сво бодного пробега электрсхна прибли зительно в 4 раза больше, чем у иона.
Воспользуемся известным соот ношением
где k — постоянная Больцмана; р — давление газа;
Т — абсолютная температура.
Тогда для средней длцны сво бодного пробега электрона получим:
т. е. средняя длина свободного про бега прямо пропорциональна темпе ратуре и обратно пропорциональна давлению газа. Поскольку в нор мальных условиях температура Т изменяется в довольно узких преде лах, положим ее постоянной, а в дальнейшем будем вводить поправ ку, учитывающую изменение темпе ратуры.
При неизменной температуре
-Т=АР> (2-9)
где А — постоянная, зависящая от вида газа и от величины температу ры, принятой неизменной.
Так как частицы газа в своем тепловом движении двигаются бес порядочно, то действительные дли ны свободных пробегов могут силь но отличаться от средней. Поэтому, если средняя длина свободного про бега недостаточна для накопления необходимой для ионизации энер гии, это не означает, что ионизация в газе будет вовсе отсутствовать.
Предположим, что из точки х = 0 вдоль оси х вылетело п0 частиц. По мере продвижения вдоль оси х чи сло частиц пу не испытавших ни од ного столкновения с частицами га за, будет постепенно уменьшаться. Общее число столкновений на пути dx равно убыли числа нестолкнувшихся частиц dn. Если число выле тевших частиц достаточно большое,
то общее число столкновений на пути dx равно:
где dx!% — число столкновений, ис пытанных каждой частицей.
Разделяя переменные и интегри руя по х от 0 до х и по п от по до /г, получаем:
х
- г = е х |
<2-10) |
по |
|
Отношение п/по представляет со бой долю частиц, пролетевших без столкновения путь х или больший, для которых, следовательно, факти ческая длина свободного пробега равна или больше х. Поскольку все
частицы находятся в равных усло-
*
~ X
виях, величина е представляет собой вероятность того, что дейст вительная длина свободного пробе га равна или больше х. Из этой за висимости следует, что Свободный пробег частицы всегда больше ну ля, пробег, равный или больше сред него, частица имеет в 37% всех слу чаев, а пробег в 8À осуществляется только после 3 000 последователь ных соударений. Вероятность пробе га в 8% не должна считаться очень малой, если учесть, что при атмо сферном давлении и комнатной тем пературе на 1 см пути электрон ис пытывает всего около 15 000 столк новений.
Зная вероятность различных длин свободного пробега, нетрудно количественно оценить ионизацию, осуществляемую электронами или ионами.
Назовем коэффициентом объем ной ионизации а число ионизаций, совершаемых одним электроном на пути в 1 см по направлению поля. Для ионов можно ввести аналогич ный коэффициент р, но, как будет видно из дальнейшего, ионизация, осуществляемая ионами в объеме газа, имеет второстепенное значе ние.
При определении коэффициента объемной ионизации обычно делают следующие допущения:
а) принимается, что электрон абсолютно не производит иониза ции, если его кинетическая энергия меньше WUt и что он ионизирует во всех случаях, когда его энергия больше или равна Wn;
б) предполагается, что при каж дом соударении электрон отдает всю свою энергию и новый пробег начи нает с нулевой скоростью.
в) траектория движения элек трона считается совпадающей с на правлением силовых линий элек трического поля.
Эти допущения являются весьма грубыми, однако с их помощью удается наглядно получить анали тическую формулу для определения коэффициента а, которая при пра вильном подборе коэффициентов дает удовлетворительное совпаде ние с экспериментом.
Если электрон пролетел без стол кновений путь х в электрическом поле с напряженностью £, то на копленная им к концу пути энергия равна Eqx, где q — заряд электрона. Для того чтобы столкновение элек трона с молекулой закончилось ионизацией, необходимо выполне ние неравенства
Eqx ^
т. е. перед столкновением электрон должен свободно пролететь путь
x ^ w = ~ w - |
(2-П) |
При средней длине свободного пробега Я вероятность того, что элек трон пролетит перед столкновением путь х в или больше, как было по-
_ *и
казано выше, равна е х . Общее же число столкновений на единице пути
равно |
Следовательно, число |
|
* |
ионизирующих столкновений на еди нице пути определяется произведе нием
х (2-12)
Учитывая (2-11) и (2-9) и обозна чая AUа — В, можно получить:
_Вр_
л — Аре Е |
(2-13) |
или в общем виде
т = ? ( - ? •)• |
(2‘14) |
Зависимость, определяемая (2-14), полностью подтверждается экспериментально и свидетельствует о том, что при неизменном отноше нии Е/р коэффициент ударной ионизации электронами прямо про порционален давлению газа (при не изменной температуре). Что касает ся формулы (2-13), то она не яв ляется точной, так как была полу чена на основании весьма грубых упрощений. Однако для относитель но небольших пределов изменения Е1р удается подобрать значения ко эффициентов А и В таким образом, чтобы формула давала удовлетвори тельное совпадение с результатом непосредственных измерений. Та кие эмпирически подобранные зна чения коэффициентов для некото рых газов приведены в табл. 2-3, а на рис. 2-2 показано сравнение рас-
Рис. 2-2. Зависимость коэффициента объем ной ионизации электронами от напряжен ности поля и давления.
/— воздух; 2—гелий; 5—аргон. Сплошные линии—
Вр
расчет по формуле |
= Ае Е |
точкЦг-:ре |
зультаты опытов Сандерса. |
|
|
Таблица 2-3
а —
Постоянные уравнения — = А е Е для t = 20° С
|
Диапазон изменения |
• |
А, |
в, |
Газ |
Е /р, |
|||
а!см»мм pm. ст |
|
11см»мм рт. ст. |
в/см-мм рт. ст. |
|
Воздух . |
20—150 |
|
8,5 |
250 |
Гелий |
150—160 |
|
14,6 |
365 |
20—100 |
|
1,85 |
52 |
|
Аргон |
20—150 |
|
4,8 |
90 |
четных и экспериментальных дан ных.
Зависимость коэффициента удар ной ионизации электронами от на пряженности поля для воздуха при нормальных атмосферных условиях (р = 760 мм рт. ст, 2= 20° С) показа на на рис. 2-3, из которого следует, что при напряженности поля менее 25—30 кв/см величина а весьма ма ла и ионизация в объеме практиче ски отсутствует. Например, при £=20 кв!см электрон на пути 1,5 см осуществляет только один акт иони зации, а при £= 15 кв)см один акт ионизации совершается на пути 100 см. Ионизация такой интен сивности, как мы увидим в даль нейшем, не может играть сущест венной роли в процессе формирова ния разряда.
Оценим удельный вес ионизации в Объеме, осуществляемом ПОЛОЖИ
ЛА 20 85 30 75 кб/Ы
Рис. 2-3. Зависимость коэффициента а для
воздуха от напряженности |
электрического |
|
поля при |
нормальных атмосферных усло |
|
виях |
{р -7 60 мм рт. ст., |
/= 2 0 °С). |
тельными ионами. Так как длина свободного пробега иона приблизи тельно в 4 раза меньше, чем элек трона, в соответствии с (2-12) коэф фициент ударной ионизации иона-
ми р должен быть в -^-»13 раз
меньше а. Таким образом, при £ = 20 кв/см ион совершает один акт ионизации не на пути 1,5 см, как электрон, а на пути примерно 20 см. Кроме того, известно, что скорость движения ионов в электрическом поле вследствие их значительно большей массы приблизительно в 100 раз меньше скорости электро нов. Таким образом, ионизация ионами будет осуществляться в 1300 раз реже, чем электронами, а следовательно, не может иметь существенного значения.
2-4. ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ
Рассмотрим газовый промежуток между двумя электродами и допу стим, что вблизи катода этого про межутка появился один электрон. Если напряженность поля у катода достаточно велика, то, летя к аноду, электрон будет осуществлять удар ную ионизацию. Первое ионизирую щее столкновение о молекулой га за приведет к образованию еще од ного электрона, который также бу дет ионизировать. Поэтому при следующем ионизирующем столкно вении число электронов увеличится до четырех, затем до восьми и да лее будет расти в геометрической прогрессии. Такой постепенно уси ливающийся поток электронов полу-
чил название лавины. Двигающиеся |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
электроны |
оставляют |
позади |
себя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
положительные исины, которые пере |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
мещаются к катоду приблизительно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
в 100 раз медленнее, чем электро |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ны летят к аноду (при разрядных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
напряженностях поля скорость элек |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
тронов |
при |
|
атмосферном |
давлении |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
имеет |
порядок 2 • 107 |
см/сек, |
а |
ско |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
рость |
положительных |
ионов |
около |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2 • Ю5 |
см/сек). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Число электронов в головке ла |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
вины нетрудно определить, если из |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
вестен коэффициент объемной иони |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
зации а и закон изменения напря |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
женности электрического поля вдоль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
траектории |
движения |
лавины. |
До |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
пустим, |
что |
число |
электронов на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
расстоянии х |
от |
катода |
возросло |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
до п. На пути dx каждый из этих |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
электронов |
производит adx иониза |
|
|
|
г) |
|
|
|
|
|||||||||
ций, а |
все электроны |
вместе |
nadx |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ионизаций. |
Следовательно, |
увели |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
чение числа электронов на пути dx |
Рис. 2-4. Искажение поля между плоскими |
|||||||||||||||||
будет равно: |
|
|
|
|
|
|
электродами объемными |
зарядами началь |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ной лавины. |
|
|
||
dn = nadx или — = a d x . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
лавины |
и |
распределение |
зарядов |
|||||
Интегрируя по л от 1 (начальный |
в лавине должно быть резко нерав |
|||||||||||||||||
электрон) до л, а по |
л: от 0 до х, |
номерным. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
получаем: |
|
X |
|
|
|
|
При достаточно большом пробе |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ге заряды лавины приобретают за |
||||||||||
|
|
|
|
|
Çadx |
|
|
|
|
метную величину и могут сущест |
||||||||
|
|
|
п = б |
|
|
|
(2-15) |
венно искажать электрическое поле |
||||||||||
Для однородного поля, в кото |
в пространстве между электродами. |
|||||||||||||||||
На рис. 2-4,а показаиы однородное |
||||||||||||||||||
ром напряженности во всех точках |
поле между |
плоскими |
электродами |
|||||||||||||||
одинаковы, |
|
|
|
|
|
|
|
и начальная лавина,распространяю |
||||||||||
|
|
|
|
п = |
еах. |
|
|
(2-16) |
щаяся |
от |
катода. |
На рис. |
2-4,6 |
|||||
|
|
|
|
|
|
изображено |
|
примерное |
распре |
|||||||||
Так, например, в однородном по |
|
|||||||||||||||||
деление |
положительного |
и |
от |
|||||||||||||||
ле при |
нормальных |
атмосферных |
рицательного |
объемных |
зарядов, |
|||||||||||||
условиях |
и |
напряженности |
|
Е= |
а |
на |
рис. |
|
2-4,в |
дана |
продоль |
|||||||
= 30 кв/см |
|
( а = 11) |
возрастание |
ная |
составляющая |
напряженности |
||||||||||||
электронов в головке лавины по ме |
создаваемого этими зарядами элек |
|||||||||||||||||
ре ее продвижения к аноду харак |
трического поля, причем за положи |
|||||||||||||||||
теризуется |
следующими |
данными: |
тельное |
направление |
принято |
на- |
||||||||||||
X , см |
0,2 |
|
0,3 |
0,4 |
0,5 |
|
0,6 |
0,7 |
|
0,8 |
|
0,9 |
|
1,0 |
||||
п |
|
9 |
|
27 |
81 |
245 |
|
735 |
2 208 |
|
6 634 |
19 930 |
59 430 |
|||||
Следовательно, для х=1,0 см правление напряженности внешнего более 60%'! всех электронов создаполя. Наконец, рис. 2-4,г показыно на последнем миллиметре пути вает результирующую напряжен-
ность поля. Здесь характерным яв |
переходом их в нормальное состоя |
|||||||||||||
ляется резкий |
подъем напряженно |
ние. |
Энергия, |
освобождающаяся |
||||||||||
сти перед головкой лавины и спад |
при переходе в нормальное состоя |
|||||||||||||
напряженности |
поля |
позади |
голов |
ние |
возбужденных |
молекул, |
доста |
|||||||
ки. Такое искажение поля способст |
точна для осуществления ионизации |
|||||||||||||
вует излучению |
лавиной |
фотонов, |
на поверхности |
катода |
или |
на |
по |
|||||||
обладающих |
большой |
энергией. |
верхности содержащихся в воздухе |
|||||||||||
Известно, что |
рекомбинация |
ионов |
пылинок. Энергия, |
излучаемая |
пе |
|||||||||
происходит наиболее интенсивно при |
реходящими |
в |
нормальное |
состоя |
||||||||||
небольшой скорости |
относительного |
ние возбужденными |
ионами, |
доста |
||||||||||
перемещения |
ионов |
разных знаков, |
точна и для непосредственной иони |
|||||||||||
т. е. в слабых электрических полях. |
зации в объеме газа. По мере про |
|||||||||||||
Такие условия соблюдаются в обла |
движения лавины к аноду, когда |
|||||||||||||
сти пониженной напряженности по |
создаваемое |
ею искажение |
поля |
|||||||||||
ля, где, следовательно, будут выде |
увеличивается, |
излучение лавины |
||||||||||||
ляться фотоны с энергией, равной |
делается все более интенсивным и, |
|||||||||||||
энергии ионизации |
данного |
газа. |
как |
мы увидим |
в дальнейшем, |
на |
||||||||
В области повышенной напряженно |
чинает |
оказывать |
существенное |
|||||||||||
сти поля также будет происходить |
влияние |
на |
дальнейшее |
прохожде |
||||||||||
интенсивное |
излучение, |
связанное |
ние разряда. |
|
|
|
|
|
|
|||||
с возбуждением молекул и ионов и
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
РАЗРЯД в ОДНОРОДНОМ ПОЛЕ
3-1. ФОРМИРОВАНИЕ РАЗРЯДА. |
промежутке, и еще до того, как пер |
|||||||
УСЛОВИЕ |
САМОСТОЯТЕЛЬНОСТИ |
вая |
лавина |
полностью |
прекратила |
|||
Возникновение |
лавины |
и даже |
свое |
существование. Развитие |
пер |
|||
пересечение |
ею |
всего расстояния |
вой лавины создает для этого |
бла |
||||
между электродами еще |
не озна |
гоприятные |
условия. |
Вторичные |
||||
чает пробоя промежутка и превра |
электроны |
могут |
создаваться |
под |
|||||||||||
щения разряда |
в самостоятельный. |
действием: |
|
|
|
катода |
соз |
||||||||
Действительно, |
канал |
лавины |
за |
а) |
бомбардировки |
||||||||||
полнен положительными ионами, и, |
данными |
лавиной |
положительными |
||||||||||||
хотя движение этих ионов к катоду |
ионами; |
|
|
|
|
на |
катоде, |
||||||||
и создает в промежутке ток, этот |
б) |
фотоионизации |
|||||||||||||
ток прекращается после ухода на |
осуществляемой излучением началь |
||||||||||||||
катод всех ионов. Для возобновле |
ной лавины; |
|
|
|
в объеме |
за |
|||||||||
ния ионизации |
необходимо |
образо |
в) |
фотоионизаций |
|||||||||||
вание нового электрона, и если этот |
счет |
излучения |
начальной |
лавины. |
|||||||||||
новый электрон может быть создан |
При |
различных давлениях |
газа |
||||||||||||
только |
внешним ионизатором, раз |
удельный вес этих процессов будет |
|||||||||||||
ряд остается |
несамостоятельным и |
различным. |
Ионизация на |
поверх |
|||||||||||
сопровождается |
прохождением |
в |
ности |
|
катода |
|
положительными |
||||||||
промежутке |
отдельных |
импульсов |
ионами происходит довольно интен |
||||||||||||
тока, частота |
повторения |
которых |
сивно. В среднем один электрон вы |
||||||||||||
зависит |
только |
от интенсивности |
бивается с поверхности после уда |
||||||||||||
внешнего ионизатора. |
|
|
|
ра нескольких десятков ионов. Но |
|||||||||||
Для превращения разряда в са |
при |
атмосферном |
давлении |
этот |
|||||||||||
мостоятельный |
необходимо |
образо |
процесс |
является |
весьма |
медлен |
|||||||||
вание новых электронов (их обыч |
ным. Так как большая часть ионов |
||||||||||||||
но называют вторичными) за счет |
сосредоточена |
в |
головке |
лавины, |
|||||||||||
процессов, происходящих |
в самом |
для осуществления ионизации на ка |
|||||||||||||
тоде они должны пересечь практи |
циентом |
поверхностной |
ионизации |
|||||||||||||||||||
чески весь промежуток между элек |
Y число электронов, выбиваемых из |
|||||||||||||||||||||
тродами. Даже при небольшом рас |
катода в среднем при ударе одного |
|||||||||||||||||||||
стоянии |
между |
электродами |
5= |
иона. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
= 1 см, на это требуется время по |
В начальной |
лавине, |
после |
того |
||||||||||||||||||
рядка |
5 мксек. |
При |
уменьшении |
как она прошла путь |
s, содержится |
|||||||||||||||||
давления |
скорость |
ионов |
|
пропор |
eas электронов и eas— 1 |
ионов. Для |
||||||||||||||||
ционально увеличивается |
|
(если |
на |
|||||||||||||||||||
|
того чтобы |
удары |
всех |
этих ионов |
||||||||||||||||||
пряженность поля сохраняется неиз |
||||||||||||||||||||||
о катод привели к появлению на ка |
||||||||||||||||||||||
менной) |
и поэтому |
для |
ионизации |
|||||||||||||||||||
тоде одного нового электрона, |
необ |
|||||||||||||||||||||
на катоде требуется меньшее время. |
||||||||||||||||||||||
ходимо выполнение условия |
|
|
||||||||||||||||||||
Фотоионизация на катоде для свое |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
го развития не требует такого боль |
|
|
Т ( е " - 1 ) = 1 . |
|
|
(3-1) |
||||||||||||||||
шого времени, так как фотоны |
Это равенство и является усло |
|||||||||||||||||||||
распространяются со скоростью све |
||||||||||||||||||||||
та. Но при увеличении давления эф |
вием |
самостоятельности |
разряда |
|||||||||||||||||||
фективность |
фотоионизации |
на |
ка |
в однородном поле при пониженном |
||||||||||||||||||
тоде должна уменьшаться, так как |
давлении. Действительно, ионизация |
|||||||||||||||||||||
значительная |
часть |
фотонов погло |
в промежутке была начата одним |
|||||||||||||||||||
щается молекулами газа или рас |
свободным |
электроном, |
образовав |
|||||||||||||||||||
сеивается |
в окружающее |
|
простран |
шим |
начальную |
лавину. Равенство |
||||||||||||||||
ство. Фотоионизация в объеме мо |
(3-1) |
показывает, |
что |
в результате |
||||||||||||||||||
жет осуществляться |
фотонами |
со |
вторичных |
процессов |
после |
пересе |
||||||||||||||||
значительно |
большими |
энергиями, |
чения начальной лавиной всего про |
|||||||||||||||||||
чем ионизация на поверхности. По |
межутка на катоде анова появился |
|||||||||||||||||||||
этому для ее возникновения необхо |
свободный электрон, следовательно, |
|||||||||||||||||||||
димо значительно |
большее |
искаже |
ионизация |
может |
продолжаться |
|||||||||||||||||
ние внешнего поля объемными за |
с той же интенсивностью без всяко |
|||||||||||||||||||||
рядами лавины, а следовательно, и |
го участия внешнего ионизатора. |
|||||||||||||||||||||
большая |
величина |
этого |
|
заряда. |
Следует иметь в виду, что вели |
|||||||||||||||||
Зато этот вид ионизации происходит |
чина у (eas— 1) очень |
быстро |
изме |
|||||||||||||||||||
наиболее |
интенсивно |
при |
высоких |
няется при изменении напряженности |
||||||||||||||||||
давлениях газа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
поля, |
а |
следовательно, |
и напряже |
||||||||||
Из |
этих |
рассуждений следует, |
ния между |
электродами. |
Например, |
|||||||||||||||||
что при низких давлениях газа наи |
приняв у = |
0,02 |
и |
5 = 1 |
см, |
полу |
||||||||||||||||
большее |
значение |
|
имеют |
процессы |
чим, что для осуществления условий |
|||||||||||||||||
на катоде, которые начинаются при |
самостоятельности |
коэффициент а |
||||||||||||||||||||
меньших напряжениях между элек |
должен иметь величину a = |
-j*ln^l+ |
||||||||||||||||||||
тродами, |
чем ионизация |
в |
объеме. |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
При больших давлениях |
фотоиони |
+ ^ - ^ = 4,0, что, |
например, |
при дав |
||||||||||||||||||
зация на катоде маловероятна, а |
||||||||||||||||||||||
лении р — 10 мм |
pm. cm. |
соответ |
||||||||||||||||||||
ионизация положительными ионами |
||||||||||||||||||||||
требует слишком большого времени, |
ствует |
напряженности |
поля |
Е = |
||||||||||||||||||
поэтому |
основную |
роль |
|
начинает |
= 1 000 в/см, которую можно |
опре |
||||||||||||||||
играть объемная фотоионизация. |
делить по формуле |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
Рассмотрим |
вначале |
случай |
по |
|
|
|
Вр |
|
|
|
365» ю |
|
||||||||||
ниженных давлений и найдем усло |
а= А ре |
Е =10-14,6 |
* = |
|||||||||||||||||||
вие, при |
котором |
|
разряд |
|
превра |
|||||||||||||||||
щается |
в |
самостоятельный, т. е. |
|
|
|
|
|
36S0 |
|
|
|
|||||||||||
может |
поддерживаться при |
отсут |
|
|
|
= 146 |
Е |
|
|
|
||||||||||||
ствии |
внешнего |
ионизатора. |
Для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
наглядности |
рассуждения |
|
предпо |
|
|
С |
з 650 |
|
Если напряжен- |
|||||||||||||
ложим, что |
ионизация |
на |
катоде |
откуда Е = |
—щ - . |
|||||||||||||||||
|
|
|
1п~ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
осуществляется только положитель |
|
|
|
|
|
|
|
на |
5®/#> |
|||||||||||||
ными |
иовами, |
и |
назовем |
коэффи |
ность поля изменится всего |
|||||||||||||||||
то а |
увеличится до 4,7,т. е. на8,1°/о, |
Если с катода вылетело пк электро |
||||||||||||||||||||||
a Y(^as— 1) сделается |
равной 2,15, |
нов, |
то до анода |
их |
долетит |
|
|
|||||||||||||||||
т. е. возрастет более чем в 2 раза. |
|
|
|
|
пл = nKeas, |
|
|
|
|
|||||||||||||||
Поэтому |
практически при выполне |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
нии |
условия. |
самостоятельности |
а число образованных при этом ионов |
|||||||||||||||||||||
разряда количество вторичных элек |
будет |
равно nH(e*s — 1). |
|
Следова |
||||||||||||||||||||
тронов |
в |
промежутке |
непрерывно |
тельно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
возрастает и новые лавины обра |
|
|
Дп = |
Тлк (е« — 1); |
|
|
|
|||||||||||||||||
зуются, |
когда |
положительные |
за |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
ряды предыдущих лавин еще не |
|
|
«к = |
Т«к(е“ — 1) + |
«0 |
|
||||||||||||||||||
успели уйти на катод. В результате |
или |
|
|
|||||||||||||||||||||
отрицательные |
заряды |
новых |
ла |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
п |
— |
|
П* |
|
|
|
|
||||||||||||||
вин перемешиваются с положитель |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
ными зарядами |
предыдущих лавин |
|
|
|
К |
1—Y(*aS— 0* |
|
|
||||||||||||||||
и все пространство |
между электро |
Количество |
электронов, |
долетевших |
||||||||||||||||||||
дами |
заполняется |
плазмой, |
после |
|||||||||||||||||||||
до анода, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
чего |
можно считать формирование |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
разряда |
завершенным |
|
(в |
данном |
|
|
/га— |
1— Y(£as — 1) |
|
|
|
|||||||||||||
случае это будет тлеющий разряд, |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
так |
как |
рассматривается |
процесс |
Если |
|
умножить |
левую |
и |
правую |
|||||||||||||||
при низком давлении). Таким обра |
|
|||||||||||||||||||||||
части |
на |
заряд |
электрона, |
получим |
||||||||||||||||||||
зом, |
образование тлеющего |
разря |
||||||||||||||||||||||
плотности тока |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
да требует относительно |
|
большого |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
; |
_ |
|
|
/>"* |
|
|
|
|
|||||||||||||
времени, так как связано с много |
|
|
|
1- |
|
* |
|
(3-2) |
||||||||||||||||
кратным |
пересечением |
положитель |
|
|
/а |
|
7( * « - 1) |
|
|
|||||||||||||||
ными зарядами |
промежутка между |
где /о — плотность |
тока, |
|
создавае |
|||||||||||||||||||
электродами. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
мая внешним ионизатором |
(соответ |
||||||||||||||||
Условие самостоятельности |
раз |
|||||||||||||||||||||||
ствует |
режиму |
насыщения |
на |
|||||||||||||||||||||
ряда |
при |
низких давлениях |
часто |
|||||||||||||||||||||
рис. 1-1). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
выводят также и следующим обра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Из |
полученной |
формулы |
следу |
|||||||||||||||||||||
зом. Допустим, |
что под |
действием |
||||||||||||||||||||||
ет, |
что |
при |
выполнении условия |
|||||||||||||||||||||
внешнего ионизатора с 1 см2поверх |
||||||||||||||||||||||||
самостоятельности |
разряда |
плот |
||||||||||||||||||||||
ности катода ежесекундно освобож |
||||||||||||||||||||||||
ность |
тока |
|
неограниченно |
возра |
||||||||||||||||||||
дается |
По электронов. Образуя |
ла |
|
|||||||||||||||||||||
стает |
при |
|
любой |
интенсивности |
||||||||||||||||||||
вины, |
эти |
По электронов |
оставляют |
|
||||||||||||||||||||
внешнего |
ионизатора. Это соответ |
|||||||||||||||||||||||
в |
пространстве |
положительные |
||||||||||||||||||||||
ствует |
резкому |
скачку |
тока |
на |
||||||||||||||||||||
ионы, |
которые, |
доходя |
до |
катода, |
||||||||||||||||||||
рис. |
1-1, т. е. пробою промежутка. |
|||||||||||||||||||||||
выбивают |
из него |
дополнительное |
||||||||||||||||||||||
количество |
электронов. |
|
Следова |
Так как |
всегда £а* > 1 , |
|
условие |
|||||||||||||||||
тельно, общее количество |
вылетаю |
самостоятельности разряда |
при |
низ |
||||||||||||||||||||
щих из катода электронов |
возросло, |
ких давлениях можно записать сле |
||||||||||||||||||||||
в пространстве образовалось увели |
дующим образом: |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
ченное |
количество |
положительных |
|
|
|
|
|
Че™« |
L |
|
|
|
(3-3) |
|||||||||||
ионов, и число электронов на като- |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
тоде увеличится еще больше. Пред |
При высоких давлениях |
форми |
||||||||||||||||||||||
положим, что процесс будет иметь |
рование разряда |
будет происходить |
||||||||||||||||||||||
установившееся |
состояние, |
и |
обо |
по-другому. Поверхностная иониза |
||||||||||||||||||||
значим через пк общее число элек |
ция на катоде теряет свое опреде |
|||||||||||||||||||||||
тронов, |
вылетающих |
в |
установив |
ляющее |
значение, |
и |
|
основным |
||||||||||||||||
шемся режиме с 1 см2 поверхности |
источником |
образования |
вторичных |
|||||||||||||||||||||
катода |
каждую |
секунду, |
а через |
электронов |
становится фотоиониза |
|||||||||||||||||||
Ап — добавочное число |
электронов, |
ция в объеме газа. Если напряжен |
||||||||||||||||||||||
освобождаемых |
|
положительными |
ность поля достаточно велика, объ |
|||||||||||||||||||||
ионами. Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
емный заряд лавин значителен и со |
||||||||||||||||
|
|
|
|
пк= п0 + Ан. |
|
|
|
|
здает существенное искажение внеш- |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*«• |
|
|
|
|
Рис. 3-1. Возникновение |
и |
развитие анодного стри |
|
Рис. 3-2. Развитие |
|
||||||||||||||||
|
разряда |
в |
одно |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
мера. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
родном поле |
при |
|
|||||||
/ — начальная |
лавина; |
2 —вторичные лавины; 3 |
— скопление |
|
|
||||||||||||||||
|
напряжении |
выше |
|
||||||||||||||||||
положительных |
зарядов на |
головке стримера; |
4 — анодный |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
стример. |
|
|
|
|
|
|
начального. |
|
|
||||||
него поля, канал лавины начинает |
вает |
последующие |
лавины, |
пре |
|||||||||||||||||
испускать |
большое количество фо |
вращающие его в плазму |
(рис. 3-1,6 |
||||||||||||||||||
тонов еще до того, как положитель |
и в). Таким образом, канал стри |
||||||||||||||||||||
ные ионы начальной лавины уйдут |
мера |
постепенно |
удлиняется, |
про |
|||||||||||||||||
на катод. Образованные этими фо |
растая к катоду, причем этот процесс |
||||||||||||||||||||
тонами вторичные электроны дадут |
идет |
со |
все |
возрастающей |
скоро |
||||||||||||||||
начало |
новым |
лавинам, |
|
электроны |
стью, так как напряженность |
поля |
|||||||||||||||
которых будут притягиваться объем |
на головке стримера по мере его |
||||||||||||||||||||
ным |
положительным |
зарядом, |
рас |
продвижения |
в |
глубь |
промежутка |
||||||||||||||
положенным в |
головке |
|
начальной |
непрерывно |
увеличивается. |
После |
|||||||||||||||
лавины (рис. 3-1,а). В пространст |
пересечения |
стримером |
|
всего |
про |
||||||||||||||||
ве, |
заполненном |
объемными |
заря |
странства между |
электродами |
про |
|||||||||||||||
дами, средняя |
напряженность |
поля |
бой |
можно |
считать |
завершенным, |
|||||||||||||||
невелика, |
поэтому большое |
количе |
так как в промежутке образовался |
||||||||||||||||||
ство |
проникших |
туда |
электронов |
сквозной проводящий канал, запол |
|||||||||||||||||
превращается в отрицательные ионы, |
ненный |
плазмой |
(рис. |
3-1,г). |
|
||||||||||||||||
и в |
месте расположения |
|
положи |
Если напряженность поля между |
|||||||||||||||||
тельного |
объемного |
заряда |
обра |
электродами увеличить, то достаточ |
|||||||||||||||||
зуется |
канал, |
заполненный |
плаз |
ное для |
возникновения |
фотоиониза |
|||||||||||||||
мой — так |
|
называемый |
|
стример |
ции в объеме искажение поля на |
||||||||||||||||
(рис. 3-1,6). |
|
|
|
|
|
|
|
|
ступает еще до того, как начальная |
||||||||||||
Канал стримера является прово |
лавина |
пересечет |
весь |
промежуток |
|||||||||||||||||
дящим |
(плазма обладает тем' боль |
между электродами |
(xK< s). В этом |
||||||||||||||||||
шей |
проводимостью, |
чем |
больше |
случае вторичные электроны возни |
|||||||||||||||||
ионов содержится в единице ее объ |
кают не только позади головки на |
||||||||||||||||||||
ема), поэтому на его конце создает |
чальной лавины, но и перед ней |
||||||||||||||||||||
ся повышенная напряженность поля. |
(рис. 3-2). В промежутке одновре |
||||||||||||||||||||
Между тем продолжающаяся |
фото |
менно развивается несколько лавин, |
|||||||||||||||||||
ионизация в объеме приводит к об |
каждая из которых должна пройти |
||||||||||||||||||||
разованию все новых лавин, которые |
только |
часть расстояния |
между |
||||||||||||||||||
двигаются |
в |
направлении |
наиболее |
электродами, |
поэтому время разви |
||||||||||||||||
сильного поля, т. е. к головке стри |
тия |
разряда |
существенно |
умень |
|||||||||||||||||
мера. Электроны этих лавин уходят |
шается. |
|
что при минимальном |
||||||||||||||||||
в канал стримера, а ионы создают |
Очевидно, |
||||||||||||||||||||
вблизи его головки объемный поло |
напряжении, при котором еще воз |
||||||||||||||||||||
жительный заряд, который притяги |
можен пробой промежутка, началь |
||||||||||||||||||||
ная лавина успевает пересечь все пространство между электродами. Для того чтобы при этом возникла достаточно интенсивная фотоиони зация в объеме, необходима опреде ленная степень искажения внешнего поля, т. е. определенная величина заряда начальной лавины. Заряд
начальной |
лавины пропорционален |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
числу электронов |
в ее головке, т. е. |
Рис. 3-3. Схематическое |
устройство |
камеры |
||||||||||||||||||||
величине е™* Поэтому условие обра |
|
|
|
|
|
|
Вильсона. |
|
|
|
|
|
2 — |
|||||||||||
/ — подсвечивающий искровой |
промежуток: |
|||||||||||||||||||||||
зования |
стримера, а |
следовательно, |
кварцевое |
окно; |
|
3 —электроды; |
4 — стеклянный |
|||||||||||||||||
и условие пробоя в однородном поле |
|
|
|
|
цилиндр; 5 — поршень. |
|
|
|
|
|||||||||||||||
можно |
записать |
следующим |
обра |
разработана так называемая стри- |
||||||||||||||||||||
зом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мерная теория разряда, на основе |
||||||||||||||
|
|
|
|
^ = |
const. |
|
|
|
которой и велось изложение в на |
|||||||||||||||
Нетрудно видеть полную анало |
стоящем |
параграфе. |
Значительная |
|||||||||||||||||||||
часть |
|
экспериментальных |
данных, |
|||||||||||||||||||||
гию этого |
равенства |
с написанным |
|
|||||||||||||||||||||
на |
которых |
|
основывалась |
|
стример- |
|||||||||||||||||||
ранее |
условием |
самостоятельности |
|
|
||||||||||||||||||||
ная |
теория, |
|
была |
получена |
с |
по |
||||||||||||||||||
разряда |
при пониженных давлениях |
|
||||||||||||||||||||||
мощью |
|
камеры Вильсона, |
|
схемати |
||||||||||||||||||||
газа (3-3). Поэтому для любых дав |
|
|
||||||||||||||||||||||
ческое устройство которой показано |
||||||||||||||||||||||||
лений |
|
условие |
самостоятельности |
|||||||||||||||||||||
|
на |
рис. |
3-3. |
|
Стенками камеры слу |
|||||||||||||||||||
разряда |
имеет |
одинаковый |
внеш |
|
||||||||||||||||||||
жит |
прозрачный |
стеклянный |
ци |
|||||||||||||||||||||
ний вид: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
линдр, вместе с электродами 3 обра |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зующий герметически закрытый со |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 3 ' 4 ) |
суд, |
заполняемый |
|
насыщенными |
|||||||||||
Но при этом необходимо помнить, |
парами воды. После того как к |
|||||||||||||||||||||||
что коэффициент у при разных дав |
электродам |
подведено напряжение, |
||||||||||||||||||||||
лениях имеет не только различные |
зажигание разряда в камере осу |
|||||||||||||||||||||||
численные |
значения, |
но |
и |
различ |
ществляется |
с помощью |
искрового |
|||||||||||||||||
ный физический смысл. При пони |
промежутка 1, разряд между элек |
|||||||||||||||||||||||
женных |
|
давлениях |
он |
отражает |
тродами которого приводит к воз |
|||||||||||||||||||
вторичную ионизацию на поверхно |
никновению коротковолнового излу |
|||||||||||||||||||||||
сти катода, а при высоких давле |
чения, проникающего в камеру че |
|||||||||||||||||||||||
ниях— вторичную объемную |
фото |
рез кварцевое окно 2. Одновремен |
||||||||||||||||||||||
ионизацию. |
|
|
|
|
|
|
но с разрядом промежутка 1 осу |
|||||||||||||||||
Принципиальная разница между |
ществляется |
опускание |
поршня 5, |
|||||||||||||||||||||
развитием |
разряда |
при |
низких и |
благодаря чему в камере создаются |
||||||||||||||||||||
высоких давлениях стала очевидной |
разрежение |
|
и интенсивная |
конден |
||||||||||||||||||||
относительно недавно. Вначале со |
сация |
|
паров |
вокруг |
образованных |
|||||||||||||||||||
зданную |
английским |
ученым |
Таун |
в |
камере |
ионов. |
Таким |
|
образом, |
|||||||||||||||
сендом для низких давлений газа |
значительные скопления, ионов, |
на |
||||||||||||||||||||||
теорию |
автоматически распростра |
пример в канале лавины, становятся |
||||||||||||||||||||||
няли и на высокие давления, полу |
видимыми и их можно фотографи |
|||||||||||||||||||||||
чая при этом приемлемые резуль |
ровать через стенки камеры. |
|
|
|||||||||||||||||||||
таты, что следует из аналогии внеш |
|
На рис. 3-4 показаны образцы |
||||||||||||||||||||||
него |
вида |
условия |
самостоятель |
фотографий |
|
начальных |
лавин. Как |
|||||||||||||||||
ности разряда в этих двух слу |
видно, |
в промежутке |
одновременно |
|||||||||||||||||||||
чаях. |
Накопление эксперименталь |
может |
|
быть |
образовано |
|
большое |
|||||||||||||||||
ных данных по механизму формиро |
количество начальных лавин, число |
|||||||||||||||||||||||
вания |
|
разряда |
показало, |
однако, |
которых |
определяется |
|
интенсив |
||||||||||||||||
что физические основы теории Та |
ностью |
|
внешнего ионизатора. |
|
||||||||||||||||||||
унсенда |
|
неприменимы |
к |
высоким |
|
Стадия |
разряда, |
изображенная |
||||||||||||||||
давлениям, |
в результате |
чего |
была |
на рис. 3-5, характеризуется резким |
||||||||||||||||||||