§ 89. Тлеющий разряд

Самостоятельный разряд принимает разнообразные формы в зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи. Физические яв­ления, которыми сопровождается разряд, очень сложны. Мы ограничимся кратким рассмотрением основных видов самостоятельного разряда, опуская ряд деталей.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке длиной око­ло 0,5 м, с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 190). На электроды подается напря­жение порядка 1000 в. При атмосферном давлении ток через трубку не течет. Если понижать давление в трубке, то примерно при 40 мм рт. ст. возникает разряд в виде светящегося извилистого тонкого шнура, соединяющего

анод с катодом. По мере понижения давления шнур утол­щается и приблизительно при 5 мм рт. ст. заполняет все сечение трубки — устанавливается тлеющий разряд. Его основные части показаны на рис. 190. Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый к а-тодной светящейся пленкой 3. Между катодом и светящейся пленкой находится астоново темное пространство 4. По другую сторону светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, по контрасту кажущийся темным и называемый круксовым тем­ным пространством 5. Этот слой переходит в све­тящуюся область, которую называют тлеющим све­чением 2. Все перечисленные выше слои образуют катодную часть тлеющего разряда.

С тлеющим свечением граничит темный промежу­ток — фарадеево темное пространство 6. Гра­ница между ними размыта. Вся остальная часть трубки заполнена светящимся газом: ее называют положи-

тельным столбом 1. При понижении давления ка­тодная часть разряда и фарадеево темное пространство расширяются, а положительный столб укорачивается. При давлении порядка 1 мм рт. ст. положительный столб распадается на ряд чередующихся темных и светлых изогнутых слоев — страт.

Измерения, проведенные с помощью зондов (тонень­ких проволочек, впаянных в разных точках вдоль труб» ки), а также другими методами, показали, что потенциал изменяется вдоль трубки неравномерно (см. график на рис. 190). Почти все падение потенциала приходится на первые три участка разряда по круксовр темное про* странство включительно (катодное падение по* тенциала). В области тлеющего свечения потенциал не изменяется — здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом темном пространстве и положи-: тельном столбе потенциал медленно растет. Такое рас­пределение потенциала вызвано образованием в обла­сти круксова темного пространства положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.

Основные процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда, происходят в его катодной части. Остальные части разряда не существенны, они могут даже отсутствовать (при малом расстоянии между элекч тродами или при низком давлении). Основных процессов два. Это — вторичная электронная эмиссия из катода, обусловленная бомбардировкой его положительными ионами, и ударная ионизация электронами молекул газа.

Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. Вторичные электроны вылетают'из катода с небольшой скоростью. В астоновом темном пространстве они ускоряются электрическим полем. Приобретя доста­точную энергию, электроны начинают возбуждать моле­кулы газа, в результате чего возникает катодная светя* щаяся пленка. Электроны, пролетевшие без столкнове* ний в область круксова темного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают (см. рис. 187). Таким обра­зом, интенсивность свечения газа уменьшается, но зато в  круксовом темном  пространстве образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы вначале имеют очень малую скорость. Поэтому в круксовом темном пространстве создается положитель­ный пространственный заряд, что приводит к перерас­пределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

Электроны, возникшие при ионизации в круксовом темном пространстве, вместе с первоначальными элек­тронами проникают в область тлеющего свечения, кото­рая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов и суммарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряжен­ность поля здесь очень мала — поле не ускоряет элек­троны и ионы. Благодаря высокой концентрации элек­тронов и ионов в области тлеющего свечения идет ин­тенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким об­разом, тлеющее свечение есть в основном свечение ре­комбинации.

Из области тлеющего свечения в фарадеево темное пространство электроны и положительные ионы прони­кают за счет диффузии (на границе между этими обла­стями поле отсутствует, но зато имеется большой гра­диент концентрации электронов и ионов). Вследствие меньшей концентрации заряженных частиц вероятность рекомбинации в фарадеевом темном пространстве силь­но падает. Поэтому фарадеево пространство и является темным.

В фарадеевом темном пространстве уже имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны постепенно накапли­вают энергию, так что в конце концов возникают усло­вия, необходимые для существования плазмы. Положи­тельный столб представляет собой газоразрядную плаз­му. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Свечение положительного столба вызвано переходом возбужденных молекул в ос­новное состояние. Молекулы разных газов испускают при этом излучение разной длины волны. Поэтому све­чение положительного столба имеет характерный для каждого газа цвет. Это обстоятельство используется в газосветных трубках для изготовления светящихся над­писей и реклам. Эти надписи представляют собой не что иное, как положительный столб тлеющего разряда. Нео­

новые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые — синевато-зеленое и т. д.

Если постепенно уменьшать расстояние между элек­тродами, катодная часть разряда остается без измене­ний, длина же положительного столба уменьшается, пока этот столб не исчезает совсем. В дальнейшем исчезает фарадеево темное пространство и начинает сокращаться длина тлеющего свечения, причем положение границы этого свечения с круксовым темным пространством остается неизменным. Когда расстояние анода до этой границы делается очень малым, раз­ряд прекращается.

В сигнальных неоновых лампах (рис. 191) электроды сближены так, что положительный столб в них отсутствует и излучение света обусловлено тлеющим свече­нием. Путем специальной обработки поверхностей электродов напряже­ние зажигания разряда можно сни­зить примерно.до 50 в. Эти лампы применяются для сигнализации о наличии напряжения в данной сети.

При понижении давления катод­ ная часть разряда занимает все большую долю межэлектродного пространства. При до­статочно низком давлении круксово темное простран­ство распространяется- почти на весь сосуд. Свечение газа в этом случае перестает быть заметным, зато стен-, ки трубки начинают светиться зеленоватым свечением^ Большинство электронов, выбитых из катода и ускорен­ных катодным падением потенциала, долетает без столк­новений с молекулами газа до стенок трубки и, ударяясь о них, вызывает свечение. По историческим причинам поток электронов, испускаемый катодом газоразрядной трубки при очень низких давлениях, получил название катодных лучей. Свечение, вызываемое бомбарди­ровкой быстрыми электронами, называется к а то до-люминесценцией.

Если в катоде газоразрядной трубки сделать узкий канал, часть положительных ионов проникает в простран­ство за катодом и образует резко ограниченный пучок

ионов, называемый каналов ы ми (или положи» тельными) лучами. Такой способ получения пучка по* ложительных ионов не утратил практического значения до наших дней.