Таблица 25.3. Значения U , V в различных инертных газах и их смесях

тах- %ф- -«.но. (£/Po)opt, (£/Ро)эф

и", В

тах В

эф-п-1

•к, но > А

(м • Па)

(Е/Ро) opt. В

(м-Па)

(£/Ро)эф, в

(м Па)

катод

Таблица 25.4. Значения 1п(1 + 1/7) для различных материалов катодов и газовых ионов

25.6. ДУГОВОЙ РАЗРЯД

При увеличении тока свечение разряда покрывает всю поверхность катода и тлеющий разряд переходит из .хвоей нормальной формы в аномальную. При этом перестройка объемного заряда продолжается таким образом, что толщина катодного падения становится меньше, чем djH- В результате коэффициент ионизации п становится меньше тах одновременно катодное падение > U„ (см. ВАХ разряда на рис. 24.1).

Из-за увеличения напряженности электрического поля в катодной области энергия ионов, которую они приобретают на длине свободного пробега в направлении поля, у катода возрастает. Поскольку растет и плотность тока, т.е. число этих ионов, то результирующий нагрев катода вьщеляемой энергией оказьшается достаточным для того, чтобы из наиболее слабо охлаждаемых участков началась термоэмиссия электронов. Нарастание эмиссии с какого-либо участка катода носит лавинообразный характер, поскольку увеличение локальной плотности тока приводит к увеличению нагрева, а увеличение нагрева, в свою очередь, к увеличению термоэмиссии и плотности тока и т.д.

Когда преобладающим видом эмиссии из катода становится термоэмиссия, в газоразрядном промежутке устанавливается самостоятельный дуговой разряд, характерное распределение потенциала которого показано на рис. 25.11. Пространство между катодом и анодом разделяется на три четко выраженные области: катодную 1. положительный столб 2 и анодную 3. Первая из них, катодная область, отличается при дуговом разряде заметно меньшей толщиной, чем при тлеющем. Эта толщина приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов.

Прохождение тока через катодную область поддерживается благодаря следующим процессам. Во-первых, электроны, вышедшие из катода, проходят эту область практически без соударений, т.е. без потерь энергии. Поскольку катодное падение потенциала приблизительно равно потенциалу ионизации газа, то этой энергии оказывается достаточно для ионизации за пределами катодной области. Во-вторых, плотность тока, одновременно с катодным падением определяющая плотность мощности, выделяемой на катоде, велика, поскольку весь ток змит-тируется небольшими нагретыми участками катода (пятнами).

Следующая область - столб дугового разряда занимает почти весь разрядный промежуток. Для этой шазменной области характерно дрейфовое движение заряженных частиц вдоль оси в слабом электрическом поле и диффузионное двухполярное движение частиц к стенкам. В результате двухполярной диффузии диэлектрические стенки заряжаются отрицательно по отношению к столбу.

Наконец, анодная область дугового разряда является переходной областью, связьшающей положительный столб и анод. В зависимости от размеров, формы, материала и температуры анода, определяющих

К А x о Та

Рис. 25.11. Распределение потенциала в дуговом разряде

Рис. 25.12. Вольт-амперная характеристика несамостоятельного дугового разряда

ПЛОТНОСТИ ионной и электронной компонент тока на аноде, может иметь место положительное, отрицательное или нулевое анодное падение напряжения.

Рассмотренный механизм эмиссии из катодной области имеет место для тугошавких материалов (вольфрама, молибдена, графита и т.п.), когда интенсивная термозмиссия происходит при температурах ниже температуры испарения рабочего вещества катода.

При жидких катодах (например, ртутном) сильный нагрев материала невозможен, так как избыточное тепло уносится с испаряющимися атомами. Теоретическое рассмотрение показывает, что эмиссия из катода здесь является электростатической, т.е. обусловленной действием сильного электрического поля. Образование такого поля происходит следующим образом. Перед ртутным катодом возникает область повышенного давления ртутного пара, испаряющегося из катодного пятна. При этом средняя длина свободного пробега электронов и, следовательно, протяженность катодного падения уменьшается до 10" м, а область ионизации, соответственно приближается к катоду. При катодном падении 10 и это соответствует напряженности электрического поля 10* В/м, обеспечивающей интенсивную электростатическую эмиссию.

Дуговой разряд можно получить также, используя в качестве источника электронов термокатод с искусственным подогревом. Вольт-амперная характеристика такого разряда показана на рис. 25.12. При напряжениях между электродами, меньших потенциала ионизации газа (участок Оа), ток на анод проходит почти таким же образом, как в вакуумном диоде. Определенная разница связана с тем, что в газонаполненном приборе электроны на пути от катода к аноду испытьшают соударения с газом. Однако в целом здесь действуют закономерности прохождения тока, ограниченного пространственным зарядом.

Когда напряжение между электродами достигает потенциала ионизации газа (точка а) в пространстве формируется плазма, граница которой, как и при самостоятельном д)товом разряде, располагается близко к катоду. Этот дуговой разряд, в отличие от разряда с неподогревным катодом, является несамостоятельным, поскольку электроны появ-