Название метода: газовый разряд.

Объект исследования: емкостной высокочастотный разряд (ЕВЧР) низкого давления в неоне.

Назначение метода: освоение установки по изучению ЕВЧР и получение его вольт - амперной характеристики (ВАХ).

Область применения: Высокочастотные разряды (ВЧ) нашли широкое применение в большом количестве приложений. В частности, они используются в качестве источников плазмы в ионных ускорителях, источников света в спектральном анализе, источников активной среды в мощных газовых лазерах, в плазмохимии для исследования химических реакций в газах, в управляемом термоядерном синтезе.

высокочастотный газовый разряд установка

Глава 1. Краткие теоретические сведения

§ 1. Основные процессы, приводящие к образованию заряженных частиц

1.1 Фотоэффект

Фотоэффект был открыт Г. Герцем в 1887 г. Он состоит в том, что разрядный промежуток между двумя металлическими электродами становится слабо проводящим, если отрицательный электрод (катод) этого промежутка осветить ультрафиолетовым светом.

Фотоэффект был подробно исследован А.Г. Столетовым. Он открыл законы фотоэффекта и указал на большое значение этого явления для объяснения электрических разрядов в газе.

В 1899 г. Дж. Дж. Томсон показал, что носителями электрических зарядов в фотоэффекте являются электроны.

Таким образом, к началу 20-го века внешний фотоэффект получил свое современное объяснение как явление испускания электронов твердым телом (металлом) под действием внешнего обучения этого тела ультрафиолетовым светом. Явление фотоэффекта можно продемонстрировать следующим образом.

На демонстрационный электрометр надевается пластина, изготовленная из цинка или алюминия. Непосредственно перед проведением опыта поверхность пластинки шлифуется мелкой наждачной бумагой для удаления загрязнений и пленки окиси с поверхности металла. Электрометр заряжается от эбонитовой палочки потертой шерстью. Известно, что палочка в этом случае заряжается отрицательным зарядом. Опыт начинается с того, что слушателям показывается заряженный электрометр с пластинкой, и они убеждаются в том, что этот заряд сохраняется достаточно длительное время (несколько минут). Затем включается ультрафиолетовое освещение пластинки. Электрометр очень быстро (за секунды) теряет свой заряд. Если теперь зарядить электрометр положительно (от стеклянной палочки), то мы увидим, что освещение пластинки не влияет на скорость разрядки электрометра, т.е. с поверхности пластинки уходят отрицательные заряды электроны.

Уравнение Эйнштейна объясняет экспериментальные законы фотоэффекта. В частности, если , то квант света сообщает электрону энергию меньшую, чем работа выхода, и электрон в этом случае не способен преодолеть потенциальный барьер высотой А. Значит, существует частота н₀, начиная с которой фотоэффект не будет иметь места даже при очень интенсивном освещении катода. Эта величина л₀ называется "красной границей" фотоэффекта. Именно поэтому отрицательно заряженная пластина не разряжается от дневного света, но быстро разряжается от освещения кварцевой лампой. Дело в том, что энергия квантов УФ света больше работы выхода электрона из цинка, а энергия кванта видимого света меньше работы выхода электрона из цинка.

Рассмотрим качественно вопрос о природе работы выхода электрона из металла. Электрон удерживается внутри тела электрическими силами. При этом он взаимодействует с ионами кристаллической решетки, находящимися на расстояниях порядка размера атома, а действием более далеких ионов и электронов можно пренебречь. Поэтому энергия связи электрона с телом имеет тот же порядок, что и энергия связи, которую имеет электрон в атоме.

Так как металл нейтрален в целом и также нейтральна любая его физически бесконечно малая часть, то это значит, что каждый электрон взаимодействует со своим ближайшим окружением, которое имеет положительный заряд, равный заряду электрона по абсолютной величине. В водородоподобном атоме электрон обладает потенциальной энергией притяжения к атомному остатку и кинетической энергией. Например, в атоме водорода , где U - потенциальная энергия электрона, Т - его кинетическая энергия, Е - полная энергия [1].

1.2 Фотоионизация в объеме газа

Если газ освещается (облучается) светом, энергия кванта которого больше, чем энергия ионизации атомов или молекул, из которых газ состоит, то есть вероятность, что после соударения кванта с атомом, атом ионизируется, то есть, нейтральный до соударения атом потеряет электрон и станет положительным ионом, а электрон удалится от атома и станет свободным. Он унесет с собой энергию, равную разности энергии кванта и энергии ионизации атома.

Такой процесс называется фотоионизацией в объеме газа или объемной фотоионизацией.

Если сравнивать уравнение Эйнштейна для фотоэффекта с уравнением для ионизации, видно, что для объемной фотоионизации энергия квантов света должна быть в несколько раз больше, чем для осуществления внешнего фотоэффекта с катода.

Направление распространения света от источника должно быть параллельным плоскости пластинки. При этом материал пластинки может быть любым и чистить поверхность нет необходимости. Любым может быть и знак заряда на электрометре. Воздух около пластинки ионизируется ультрафиолетовыми лучами, появляются положительные и отрицательные ионы, которые и обусловливают быстрое разряжение электрометра.

Ионизация газа рентгеновскими лучами по своей физической природе также является объемной фотоионизацией. Квант рентгеновского излучения имеет энергию, много большую энергии фотоионизации атома газа, и поэтому электрон, выбитый из атома, будет иметь также большую энергию. Сталкиваясь с атомами, электрон может ионизировать их. При этом он теряет свою энергию, но может произвести много ионизации, пока его энергия не станет меньшей I. Таким образом, один рентгеновский квант может стать источником целого ряда процессов, которые приведут к образованию многих пар ионов [1].

1.3 Ионизация и возбуждение атомов газа электронным ударом

Понимание сущности этого процесса стало возможным только после создания Резерфордом планетарной модели атома и усовершенствование этой модели Нильсом Бором. Каждый электрон в атоме может обладать только определенной величиной энергии и момента импульса. Вместо стационарных орбит Бора имеем дискретный набор энергетических уровней электрона в атоме.

Процесс возбуждения атома состоит в переходе электрона из состояния с более низким энергетическим уровнем в состояние с более высоким энергетическим уровнем. Для осуществления такого перехода электрону нужно сообщить энергию, равную разности величин энергий на этих энергетических уровнях: , здесь Е_n - n-ый уровень энергии электрона в атоме, Е_m - m-уровень., А_nm - величина минимальной энергии, которую нужно сообщить атому, чтобы он перешел с уровня "n" на уровень "m". Эту энергию атом может получить при столкновении с электроном, имеющим кинетическую энергию, большую или равную А_nm. Далее, атом некоторое, очень короткое время порядка 10^{-8 -} 10^-9 секунды, пребывает в этом возбужденном состоянии. По истечении этого среднего "времени жизни" атома в возбужденном состоянии атом "высвечивается", то есть испускает квант света зщ_nm. На рисунке 2 показано схема опыта, подтверждающего эти представления об уровнях энергии электрона в атоме.

Рис. 2. Схема получения спектра водорода

Если к стеклянной трубке Т, наполненной водородом при низком давлении, с впаянными в нее электродами А (анод) и К (катод) приложить электрическое напряжение достаточной величины, то трубка "зажжется", то есть будет испускать свет, а амперметр G покажет наличие электрического тока. На пути света, излучаемого трубкой, ставится спектральный прибор (СП) (призма), который разлагает его в спектр. В данном случае получается линейчатый спектр водорода. Этот спектр фиксируется фотопластинкой П и представляет собой набор линий (рис.3), каждая из которых соответствует определенной частоте излучения (н).

Рис.3. Спектр атома водорода

Эти линии расположены в определенном порядке и, зная частоту одной (первой) линии можно подсчитать частоту линии любого номера по формуле Бальмера: , где R - постоянная Ритдберга, , - волновое число, n₁, n₂=1,2,3…

Формула Бальмера была получена экспериментально при исследовании спектра водорода.

Нильс Бор сумел связать этот результат с планетарной моделью атома Резерфорда. При этом формула Бальмера была выведена теоретически и постоянная Ридберга с хорошей точностью была представлена как функция других известных постоянных.

Заметим, что формула Бальмера справедлива не только для водорода, но и для всех водородоподобных атомов и ионов. Например, однозарядный ион гелия подобен водороду, только заряд ядра гелия в два раза больше заряда ядра водорода.

Дальнейший этап прямого экспериментального доказательства существования элементарного процесса: внешний электрон с энергией сталкивается с атомом и возбуждает его, то есть отдает свою кинетическую энергию электрону атома, а затем, возбужденный атом переходит в нормальное (невозбужденное) состояние, при этом он испускает квант света с энергией (высвечивается) - является знаменитый опыт Франка и Герца.

Рис.4. Схема опыта Франка и Герца

Замкнутый стеклянный баллон наполняется исследуемым газом при малом давлении. Накаливаемый катод К испускает электроны, которые ускоряются электрическим полем между сеткой С₁ и катодом, так как на С₁ подается положительный потенциал от источника V₁,. Если энергия eV₁ < зщ₁ (зщ₁ - энергия первого возбужденного состояния данного газа), то между катодом и первой сеткой электроны испытывают только упругие соударения с атомами. При этом их энергия почти не меняется, так как масса атома во много раз больше массы электрона. Между сетками С₁ и С₂ прикладывается небольшое ускоряющее напряжение, которое компенсирует потерю энергии при упругих соударениях.

Между сеткой С₂ и анодом (коллектором) прикладывается задерживающее напряжение V₃ величиной 1-2 вольта и это напряжение меньше, чем V₁, то есть электроны, имеющие энергию eV₁, преодолевают поле V₃ и попадают на анод, создавая ток, регистрируемый гальванометром G. Напряжение V₁ постепенно увеличиваем и снимаем зависимость тока I как функцию этого напряжения. Полученная зависимость представлена на рис.5.

Рис.5. Ток на коллекторе в опыте Франка и Герца.

Сначала ток растет, так как при увеличении V₁ электрическое поле около нити все больше вытягивает электронов из электронного "облака", окружающего нагретый катод. Этот монотонный рост продолжается до тех пор, пока электроны совершают только упругие соударения с молекулами газа. Если же V₁ станет равным и несколько превысит V₀ - первый потенциал возбуждения атомов газа, то в пространстве между сетками С₁ и С₂ соударения электронов с атомами станут неупругими. При неупругом соударении электрон отдает атому энергию, равную eV₀, то есть почти всю энергию, приобретенную от приложенного внешнего электрического поля. Поэтому он уже не может преодолеть задерживающий потенциал между сеткой С₂ и анодом и не доходит до анода. Ток анода резко уменьшается.

При дальнейшем росте напряжения V₁ неупругие столкновения продолжаются, но разность V₁ - V₀ становится больше задерживающего потенциала, и электроны ее начинают преодолевать, снова попадая на анод и увеличивая анодный ток.

Если в схему опыта добавить спектрограф, то мы увидим, что в момент падения тока I, газ начинает излучать линию, соответствующую первому потенциалу возбуждения данного газа.

Если электрон приобретет в электрическом поле энергию, достаточную для отрыва внешнего электрона атома, то такой отрыв (ионизация) может произойти, и тогда после столкновения атома с быстрым электроном появится положительно заряженный ион и новый электрон, то есть произойдет увеличение числа свободных (то есть не связанных внутри атома) электрических зарядов и проводимость газа увеличится. При определенных условиях этот процесс может быстро нарастать и образовать "электронную лавину" [1].

Мы кратко рассмотрели основные элементарные процессы, приводящие к образованию заряженных частиц в газоразрядном промежутке. Как только электрон получит энергию, достаточную, для того чтобы выбить из нейтрального атома электрон или присоединится к нейтральному атому, в разрядном промежутке начинает резко увеличиваться число заряженных частиц. В результате получается еще больше электронов, которые в свою очередь тоже получают энергию для ионизации газа. Увеличение числа заряженных частиц идет по экспоненциальному закону, происходит образование электронной лавины, которая движется к противоположному электроду. Как только волна этих электронов коснется противоположного электрода, произойдет пробой газа. Электрическим пробоем обычно называют превращение непроводящего вещества, в том числе и газа, в проводник в результате приложения к нему достаточно сильного электрического поля.

Как отмечается С. Брауном, существуют значительные различия в характере пробоя в газе, инициированного приложением постоянного и высокочастотного (ВЧ) электрических полей. В ВЧ разряде первичная ионизация, вызываемая колебательным движением электронов, является единственным процессом, поставляющим электроны. Поэтому, этот тип разряда является самым простым по механизму. Пробой газа под действием постоянного поля представляет собой явление более сложное, чем ВЧ пробой, поскольку электроны все время уносятся из разрядного промежутка приложенным полем. Вследствие этого необходимы дополнительные физические процессы, компенсирующие упомянутые потери электронов. В этом смысле пробой в постоянном поле является более общим случаем.

Необходимым условием для возникновения пробоя является наличие хотя бы одного свободного электрона. В природе свободные электроны всегда присутствуют. Так, в атмосфере на уровне моря концентрация свободных электронов равна n_e ~ 10³ см^-3 что обусловлено космическими факторами (жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, космические лучи в виде потоков быстрых элементарных частиц) и радиоактивным фоном Земли, создаваемым происходящими в ее недрах ядерными реакциями.

Отметим, что напряжение пробоя (или напряжение зажигания) для разных газов различна, так как у каждого газа своя энергия ионизации. Будем останавливаться пока только на определенных газах, такие как гелий, водород, неон, аргон. Что касается смесей газов, такие как воздух, то их пока рассматривать не будем.

Первичным и главным элементом процесса пробоя является электронная лавина, развивающаяся в газе под действием поля. Формула электронной лавины имеет вид: _, I₀ - это начальный ток фотоэлектронов с катода, б - первый коэффициент Таунсенда или коэффициент ударной ионизации, х - расстояние между электродами. Коэффициент б можно истолковать как число новых электронов, созданных одним, когда он проходит единичное расстояние в направлении поля. Основной вывод, который сделал Таунсенд, состоял в том, что электроны в газе, могу размножаться. Механизм такого размножения состоит в следующем:

1. Свободный электрон, двигаясь во внешнем электрическом поле, на пути свободного пробега приобретает дополнительную электрическую энергию eлE, равную или большую энергии ионизации атома eU_i, где е - заряд электрона, а U_i - потенциал ионизации атома.

2. После столкновения этого (разогнанного) электрона с атомом есть вероятность его ионизовать.

3. До столкновения свободного электрона с атомом свободный заряд состоял из одного электрона. После столкновения свободный заряд состоит из двух электронов и одного положительного иона. Число свободных электронов увеличилось.

В этом и состоит механизм размножения. Если к моменту, когда лавина прошла расстояние х, число электронов в ней было n, а коэффициент ударной ионизации равен б, то при дальнейшем увеличении расстояния на dx, число вновь образовавшихся электронов будет dn = бndx. Интегрируя это равенство, получим число электронов в лавине при достижении анода: n = e^ad, где d - расстояние между электронами.

Зависимость между напряжением пробоя, давлением газа и расстоянием между электродами в различных газах наглядно видно из кривых Пашена, представленных на рисунке 6.

Рис.6. Экспериментальная зависимость V_t (pd)

В экспериментах можно фиксировать р или d, а вторую величину в произведении pd делать переменной. Рассмотрим физический смысл поведения V_t, согласно кривой Пашена, для двух случаев:

1) пусть d = const, тогда при малых давлениях р, когда велика длина свободного пробега электрона л, для увеличения эффективности процесса ионизации нужно высокое напряжение V_t; при больших давлениях р длина л мала и для набора электроном энергии, достаточной для эффективного процесса ионизации, также должно быть большое напряжение V_t;

2) если р = const, тогда при больших d должно быть большое напряжение V_t, чтобы обеспечить достаточно большую напряженность поля при малых расстояниях d должно быть высокое напряжение V_t, чтобы электронные лавины успевали развиваться на коротких расстояниях. Следует подчеркнуть, что закон Пашена для напряжения пробоя V_{t, с}праведлив только для разрядов с умеренными значениями параметров р и d, когда определяющим элементом физического механизма разряда типа тлеющего являются электронные лавины [2].

§2. ВАХ ВЧ-разряда