ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 56
Скачиваний: 0
где Ш к и d K— катодное падение потенциала и ширина катодного слоя соответственно.
Отличие (IV.11) от (IV.3) состоит не только в ко эффициенте 1,86, указывающем на то, что частичная компенсация отрицательного пространственного заряда вблизи катода положительными ионами приводит к увеличению электронного тока с катода. Более суще ственным является то обстоятельство, что в газовом разряде этот ток обратно пропорционален не квадрату расстояния между катодом и анодом da_K, как в вакуум ных лампах, а только квадрату ширины области катод ного падения потенциала rfK, которая много меньше рас стояния между анодом и катодом. Это позволяет про пускать через газоразрядные приборы во много раз большие токи, чем через вакуумные, при одинаковом анодном напряжении.
Выражение для катодного падения потенциала мо жет быть получено из следующих соображений. Если принять, что образование положительных ионов в раз ряде происходит только в результате ударов первого рода и каждую секунду образуется Л1,- ионов, тогда вы ражение для плотности ионного тока на катод запи шется как
Л = а д л д^ к - ^ , ) , |
(IV.12) |
где Ki — полная ионизирующая способность электронов заданных скоростей. (Согласно [49] K; = const для тех значений ДUK, которые имеют место в разряде с нака ленным катодом), а — доля ионов, достигающих катода,
Ui — потенциал ионизации газа. Из |
(IV. 12), |
имея в ви |
ду (IV.9), получаем, что |
|
|
Ш K= Y тп1т ,!аК i + |
U L. |
'(IV. 13) |
Из (IV. 13) видно, что катодное падение потенциала в режиме ограничения тока отрицательным объемным за рядом является постоянной величиной, не зависящей от анодного тока*. Тогда из выражения (IV.11) следует,, что при изменении /е меняется лишь dK.
Распределение потенциала, напряженности электри ческого поля и объемного заряда в области катодного падения потенциала для режима ограничения тока от рицательным объемным зарядом показано на рис.
* Далее показано, что это справедливо лишь для ограниченно го диапазона давлений газа.
61
IV.2, а. Пренебрежение начальными скоростями заря женных частиц, вторгающихся в катодный слой, допу стимо только в случае, когда энергия частиц, приобре таемая в слое, гораздо больше её начального значения. В режиме ограничения тока отрицательным объемным зарядом катодное падение потенциала в различных га зах не превышает 10—25 В. Поэтому для строгих коли чественных расчетов процессов в катодном слое необхо димо учитывать влияние начальных скоростей электро-
Рис. IV. 2. Распределение напряженности поля Е, потенциала V и избыточного объемного заряда р в дуговом разряде низкого давления с накаленным катодом:
а — режим ограничения тока объемным зарядом электронов; б —вынужденный режим.
нов, покидающих катод, а также электронов и положительных номов, попадающих в слой из плазмы. Задача такого рода решена в [39.]
По мере увеличения анодного тока отрицательный объемный заряд электронов около катода рассасывается, а положительный пространственный заряд (граница, об
ласти |
катодного |
падения потенциала) придвигается |
||
ближе |
к катоду. |
Когда |
анодный ток / а становится рав |
|
ным току термоэмиссии |
катода |
/ т. эм, минимум потен |
||
циала |
вблизи катода исчезает. |
При / а> / т.эм режим ра |
||
боты катода становится «вынужденным». Переход като да в вынужденный режим сопровождается резким уве-
62
лпчением AUK. Благодаря повышению энергии электро нов, проходящих участок катодного падения потенциа ла, происходит интенсивная ионизация газа и ионный ток на катод увеличивается гораздо быстрее, чем это следует из соотношения (IV. 12).
В свою очередь повышение энергии ионов, бомбар дирующих катод, приводит к появлению у — эмиссии катода. Но воздействие энергичных ионов на катод не ограничивается лишь возбуждением у — эмиссии. В большинстве газов, применяющихся для наполнения приборов, катодное падение потенциала в вынужденном режиме в несколько раз превышает критический потен циал, т. е. минимальную энергию положительных ионов, которая достаточна для заметного распыления катода. Поэтому вынужденный режим сопровождается интен сивным распылением катода, что резко сокращает его долговечность.
Напряженность внешнего электрического поля Ек на катоде в вынужденном режиме описывается выражени ем [50]:
Е\ = |
7,57 •105 j/ Щ |
; (у. |
|
уе). |
(IV. 14) |
|
Для разряда |
в водороде |
Вагиным [54] |
показано, |
что |
||
Ек может достигать значения |
6-1O0 В/м. Поэтому |
не |
||||
исключено, что превышение анодного тока |
над током |
|||||
термоэмиссии в вынужденном |
режиме |
под |
действием |
|||
столь сильного внешнего поля обусловливается также и эффектом Шоттки.
Распределение потенциала, напряженности поля и объемных зарядов в вынужденном режиме показано на рис. IV.2, б.
IV.3. ЭМИССИЯ КАТОДА
Эмиссионная способность накаленного катода в газо вом разряде оценивается по току перехода из режима ограничения тока отрицательным объемным зарядом в- «вынужденный» режим. Уже отмечалось, что напря женность электрического поля на катоде при переходе равна нулю. Поэтому ток перехода называют током нулевого поля. Ток нулевого поля не равен току тер моэмиссии катода, а представляет собой сумму следую щих компонент:
^а0 эм Т~ ^ L4“
63
где 1Л—ток 7 — эмиссии катода, /,•—ионный ток на катод.
Поскольку при / a< /,io справедливо соотношение (IV.12), то / ; « / Тэ„. Поэтому ток / т также мал по
сравнению с / тэм. Таким образом, ток нулевого поля с незначительной погрешностью может быть принят рав ным току термоэмиссии. Сравнительные измерения значе ний / тэм и / а0, сделанные в работе [51], подтверждают справедливость такого допущения. Плотность тока нуле вого поля у оксидного катода в импульсном разряде измерялась Вагиным [53]. Для этой цели использовался метод вольт-амперных характеристик [52]. Поясним сущ ность этого метода.
Падение напряжения на газоразрядном диоде с оксид
ным катодом (Д£/а_„) равно: |
|
Д£/а_ к = / аЯ0КС+ Д£/к + |
(IV-15) |
где / aR 0KC, Д£/„, Ш а— падение напряжения в оксидном слое, в столбе разряда и в анодной области соответ ственно.
Влияние АПст и AUa на значение АUa-i< можно иск лючить, сделав малой длину разрядного промежутка (около 1 0 мм) и применив анод с большой токоприем ной поверхностью. Сопротивление оксидного слоя R0кс увеличивается при уменьшении эмиссионной способно сти катода. Катодное падение потенциала Д(У„ либо не зависит от анодного тока (в режиме ограничения тока отрицательным объемным зарядом), либо увеличивает ся при его повышении. При этих условиях поведение вольт-амперной характеристики позволяет оценить эмис сионную способность катода. Исследовались синтерированные оксидные катоды с керном из чистейшего нике ля. Слой карбонатов эквимолярного состава (ВаСОз: : SrCO3= 5 0 : 50) толщиной около 10 мкм наносился на тонкую никелевую губку, спеченную с керном. Удель ное покрытие карбонатов составляло 10—12 мг/см2. Та кие катоды по эмиссионным свойствам мало отличаются от катодов на гладком керне и широко применяются в импульсных приборах благодаря хорошему сцеплению оксида с керном.
Вольт-амперная характеристика диода с хорошо оттренированным катодом и водородным наполнением изображена на рис. IV.3, а [53]. Увеличение плотности тока от 102 до 105 А/м2 (от 1 0 - 2 до 10 А/см2) не вызы
вает существенного повышения падения напряжения на диоде. Вместе с тем превышение /а сверх Ю5 А/м2 (сверх 1 0 А/см2) приводит к резкому увеличению Д£/а-к-
Рис. IV.3, б демонстрирует влияние температуры ка тода на вольт-амперную характеристику [54]. На каж дой вольт-амперной характеристике могут быть выде-
Рнс. IV. 3. Вольт-амперные характеристики диода с водородным наполнением при р = 66,5 Н/м2 (0,5 мм рт. ст.):
а —типичная характеристика; б —с учетом влияния температуры катода.
лены три участка. Первый |
участок начинается |
с /а= 0 |
н имеет небольшой наклон. |
На втором участке |
наклон |
кривых |
резко |
увеличивается. |
На третьем участке, где |
/а^:2-10 |
в А/м2 |
(/а^ 2 0 А/см2), |
кривые вновь имеют сла |
5 Заказ № 357 |
65 |
бый наклон, который при высокой температуре катода практически отсутствует. На первом участке катод об ладает избыточной эмиссией. Рост падения напряжения на диоде при увеличении тока объясняется падением напряжения в оксидном слое, а катодное падение по тенциала не зависит от тока и остается постоянным.
При переходе от первого ко второму участку (первый излом характеристики) отрицательный объемный заряд около катода рассасывается, а поле у его поверхности становится равным нулю. Разрядный ток в области перехода представляет собой ток нулевого поля. Сниже
ние температуры катода уменьшает ток |
термоэмиссии |
|
катода, описываемый выражением (IV. I) |
и поэтому об |
|
ласть первого излома вольт-амперной |
характеристики |
|
сдвигается влево. |
|
плотность то |
При температуре катода 800 и 850° С * |
||
ка нулевого поля /ао равна (4—7) А/см2 |
и |
(9—12) А/см2 |
соответственно и не зависит от длительности импульса. В вакууме плотность тока в точке отхода вольтамперной характеристики от закона степени 3/2 для аналогичных катодов при 7’К=850°С соответствует примерно 8 А/см2. Таким образом, плотность тока нулевого поля в им пульсном разряде близка к плотности тока термоэмис сии в точке отхода от закона 3/2, измеренной в вакууме.
Превышение анодного тока над током нулевого поля на втором участке вольт-амперной характеристики в значительной степени обязано усилению ионизации газа. Так, например, при /а= 20 А/см2 доля приращения ионного тока в приросте анодного тока может доходить
до 40% [5 4 ].
Интенсивная ионизация газа, присутствие большого положительного пространственного заряда около катода приводят к появлению сильного внешнего поля у като да Ек, способного вызвать усиление эмиссии катода за счет эффекта Шоттки. Наибольшее влияние внешнего поля на эмиссию электронов из катода должно прояв ляться в диапазоне разрядных токов, соответствующих третьему участку вольтамперной характеристики, где величина Ек достигает нескольких тысяч кВ/м [54]. Здесь также возможна автоэмиссия участков с понижен
* В настоящем разделе всюду имеется в виду средняя темпера тура катода Тк ср, измерявшаяся термопарой. В импульсном режи ме Тк ср не равна мгновенной температуре катода Т,, (см. рис.
66
ной работой выхода. Небольшого изменения Ек доста точно для существенного повышения эмиссии оксидного катода [55]. Поэтому наклон третьего участка вольтамперной характеристики мал.
Давление газа в приборе оказывает влияние на про цессы в области катодного падения потенциала, а сле довательно, и на работу катода. На рис. IV.4, а пред-
|
|
Рис. IV.4. Влияние давления |
водорода: |
||
1) р = |
|
а — на вольт-амперную характеристику при: |
|||
13,3 Н /м 3 (ОД мм рт. ст.), |
2) р = 26,б Н / м 9 (0,2 мм рт. ст.), 3) р = 40 Н / м 9 |
||||
(0,3 мм |
рт. ст.), |
4) р = 66,5 Н/м3 |
(0,5 мм рт. ст.), |
5) |
р= 106 Н /м 3 (0,8 мм рг. ст.}, |
<?) р = |
133 Н/м3 |
(1,0 мм рт. ст.), 7) р = 173 Н / м 3 |
(1,3 мм рт. ст.); 6 —на напря |
||
жение |
горения разряда: 1 —режим ограничения тока объемным зарядом, 2 —вы |
||||
|
|
нужденный режим. |
|
||
ставлены вольт-ампериые характеристики, снятые при различном давлении водорода [54]. Видно, что влия ние давления проявляется двояко. Во-первых, при р<40 Н/м2 (р<.0,3 мм рт. ст.) ток в точке излома вольт-амперной характеристики становится функцией давления. «Преждевременный» рост Д£/а_к объясняется следующим образом. При достаточно высоком давлении (р>Ркр) число ионизаций в секунду пропорционально току, так как полная ионизирующая способность элект ронов Ki постоянна. Поэтому, как это следует из выра жения (IV.13), катодное падение потенциала не зависит от тока. При уменьшении давления ниже ркр число иони заций растет медленнее, чем ток, так как Ki падает. Для поддержания требуемой степени ионизации газа необ ходимо увеличение Д£/а_к. Чем ниже р, тем меньше ток, при котором Ki становится функцией давления. Повыше ние ЛНа-к сопровождается расширением области катод
5* |
67 |