WEBSOR Electrical Information Territory. Glimmentladung. Allgemeine Beschreibung der Glimmentladung

Eine Glimmentladung tritt auf, wenn niedrige Drücke. Es kann in einem etwa 0,5 m langen Glasrohr beobachtet werden, an dessen Enden flache Metallelektroden angelötet sind (Abb. 85.1). An die Elektroden wird eine Spannung von etwa 1000 V angelegt Luftdruck In der Röhre fließt praktisch kein Strom. Wenn Sie den Druck senken, dann bei etwa 50 mm Hg. Kunst. Kunst. Es kommt zu einer Entladung in Form eines leuchtenden, gewundenen dünnen Kabels, das die Anode mit der Kathode verbindet. Wenn der Druck abnimmt, wird die Nabelschnur dicker und liegt bei etwa 5 mm Hg. Kunst. füllt den gesamten Rohrquerschnitt aus – es entsteht eine Glimmentladung. Seine Hauptbestandteile sind in Abb. dargestellt. 85.1. In der Nähe der Kathode befindet sich eine dünne Leuchtschicht, die Kathodenleuchtschicht genannt wird.

Zwischen der Kathode und dem leuchtenden Film befindet sich ein astonischer dunkler Raum. Auf der anderen Seite des Leuchtfilms befindet sich eine schwach leuchtende Schicht, die im Kontrast dunkel erscheint und als Kathoden- (oder Crookes-)Dunkelraum bezeichnet wird. Diese Schicht geht in einen leuchtenden Bereich über, der als schwelendes Leuchten bezeichnet wird. Alle oben genannten Schichten bilden den Kathodenteil der Glimmentladung.

Das schwelende Leuchten wird von einer dunklen Lücke begrenzt – dem Faradayschen dunklen Raum. Die Grenze zwischen ihnen ist fließend. Der Rest der Röhre ist mit Leuchtgas gefüllt; sie wird als positive Spalte bezeichnet. Wenn der Druck abnimmt, dehnen sich der Kathodenteil der Entladung und der Faraday-Dunkelraum aus und die positive Säule verkürzt sich. Bei einem Druck von etwa 1 mm Hg. Kunst. Die positive Säule zerfällt in eine Reihe abwechselnd dunkler und heller gekrümmter Schichten – Schichten.

Messungen erfolgen mit Sonden (dünne eingelötete Drähte). verschiedene Punkte entlang der Röhre) sowie andere Methoden zeigten, dass das Potential entlang der Röhre ungleichmäßig variiert (siehe Diagramm in Abb. 85.1).

Nahezu der gesamte Potentialabfall findet in den ersten drei Abschnitten der Entladung bis einschließlich des Kathodendunkelraums statt. Dieser Teil der an die Röhre angelegten Spannung wird als Kathodenpotentialabfall bezeichnet. Im Bereich der glimmenden Glut ändert sich das Potential nicht – hier ist die Feldstärke Null. Schließlich steigt das Potenzial im Faraday-Dunkelraum und in der positiven Spalte langsam an. Diese Potentialverteilung wird durch die Bildung einer positiven Raumladung im Bereich des Kathodendunkelraums aufgrund der erhöhten Konzentration positiver Ionen verursacht.

Die wichtigsten Prozesse, die zur Aufrechterhaltung einer Glimmentladung erforderlich sind, finden im Kathodenteil statt. Die restlichen Anteile der Entladung fallen nicht ins Gewicht, sie können sogar fehlen (bei geringem Abstand zwischen den Elektroden oder bei niedrigem Druck). Es gibt zwei Hauptprozesse: die Emission von Sekundärelektronen aus der Kathode, die durch deren Beschuss mit positiven Ionen verursacht wird, und die Stoßionisierung von Gasmolekülen durch Elektronen.

Positive Ionen, die durch den Abfall des Kathodenpotentials beschleunigt werden, bombardieren die Kathode und schlagen Elektronen aus ihr heraus. Im dunklen Raum von Aston werden diese Elektronen durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Nachdem sie genügend Energie erhalten haben, beginnen sie, Gasmoleküle anzuregen, was zur Bildung eines Kathodenleuchtfilms führt. Elektronen, die ohne Kollisionen in den Bereich des Kathodendunkelraums fliegen, haben eine hohe Energie, wodurch sie Moleküle häufiger ionisieren als anregen (siehe Diagramme in Abb. 83.1). Dadurch nimmt die Intensität des Gasglühens ab, es werden jedoch viele Elektronen und positive Ionen gebildet. Die entstehenden Ionen haben zunächst eine sehr geringe Geschwindigkeit. Daher entsteht im Kathodendunkelraum eine positive Raumladung, die zu einer Umverteilung des Potentials entlang der Röhre und zum Auftreten eines Kathodenpotentialabfalls führt.

Im Kathodendunkelraum erzeugte Elektronen dringen in den Glimmbereich ein, der durch eine hohe Konzentration an Elektronen und positiven Ionen und eine Gesamtraumladung nahe Null (Plasma) gekennzeichnet ist. Daher ist die Feldstärke hier sehr gering. Aufgrund der hohen Konzentration von Elektronen und Ionen im Bereich des glimmenden Glimmers kommt es zu einem intensiven Rekombinationsprozess, der mit der Abgabe der dabei freigesetzten Energie einhergeht. Somit ist das schwelende Leuchten hauptsächlich das Leuchten der Rekombination.

Aus dem Bereich des schwelenden Leuchtens dringen Elektronen und Ionen aufgrund der Diffusion in den dunklen Faraday-Raum ein (an der Grenze zwischen diesen Bereichen gibt es kein Feld, aber es gibt einen großen Gradienten in der Konzentration von Elektronen und Ionen).

Eine Glimmentladung ist eine selbständige elektrische Entladung in einem Gas mit kalten Elektroden bei Strömen von -5 -1 A, die eine charakteristische Struktur in Form abwechselnd leuchtender Bereiche unterschiedlicher Farbe und unterschiedlicher Lumineszenzintensität aufweist. Charakteristisches Merkmal Bei der Glimmentladung handelt es sich um einen großen Potentialabfall in der Nähe der Kathode, der 100 V und mehr beträgt Bogenentladung es liegt in der Größenordnung des Gasionisationspotentials (ca. 10 V). IN ausländische Literatur Diese Form der Entladung wird Glimmentladung genannt.

Eine Besonderheit der Glimmentladung im Vergleich zur Townsend-Entladung (Entladung mit kalten Elektroden und sehr geringer Stromdichte) ist die bedeutende Rolle elektrisches Feld volumetrische Ladungen. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Potentialverteilung in der Entladungsstrecke und zu einem deutlichen Unterschied der Zündspannung zur Entladungsbrennspannung.

Der Platz einer Glimmentladung neben anderen Entladungsarten kann anhand von Abb. dargestellt werden. 1.

Reis. 1.

Bei Strömen von 10 -5 -10 -4 A kommt es zu einem Übergang von einer dunklen Townsend-Entladung zu einer normalen Glimmentladung, gekennzeichnet durch einen abfallenden Anteil der Strom-Spannungs-Kennlinie. Im Strombereich von 10 -4 -10 -2 A kommt es zu einer normalen Glimmentladung, deren Strom-Spannungs-Kennlinie eine Gerade parallel zur Stromachse ist.

Somit ist bei einer normalen Glimmentladung die Spannung zwischen den Elektroden nicht von der Stromstärke abhängig. Bei einer normalen Glimmentladung wird nur ein Teil der Kathodenoberfläche von der Entladung bedeckt. Mit zunehmender Stromstärke nimmt der von der Entladung eingenommene Flächenanteil zu, so dass die Stromdichte konstant bleibt. Die Art der an der Entladung beteiligten Kräfte, die die Ausdehnung der Kathodenoberfläche bewirken, bleibt unklar. Die Konstanz der Verbrennungsspannung einer normalen Glimmentladung bei Schwankungen des Entladungsstroms über einen weiten Bereich wird in Gasegenutzt – Vorrichtungen, die einen konstanten Wert der Eingangsspannung aufrechterhalten, wenn sich der vom Stromkreis verbrauchte Strom ändert.

Bei Strömen von 10 -2 -1A kommt es zu einer anomalen Glimmentladung mit zunehmender Strom-Spannungs-Kennlinie. Bei noch höheren Strömen ist ein Übergang von einer Glimmentladung zu einem Lichtbogen mit fallender Strom-Spannungs-Kennlinie zu beobachten. Eine anomale Glimmentladung nimmt die gesamte Oberfläche der Kathode ein und daher nimmt mit steigendem Strom auch die Stromdichte zu.

Reis. 2. :

1,3,5,7 – dunkle Räume: 1 – Aston, 3 – Kathode, 5 – Faraday, 7 – Anode; 2, 4, 6 - Leuchtzonen: 2 - Kathodenschicht, 4 - negatives Leuchten, 6 - positive Spalte, 8 - Anodenleuchten

Die Hauptprozesse, die eine unabhängige Entladung gewährleisten, finden in den Kathodenteilen der Entladung und an der Kathode selbst statt. Ohne diese Phänomene kann es keine Glimmentladung geben. Wenn sich die Position der Kathode im Raum ändert, bewegen sich die Kathodenteile mit, ohne ihre Struktur zu ändern. Die positive Säule hingegen ist kein wesentlicher Bestandteil der Entladung. Wird bei einer bestehenden Entladung die Anode näher an die Kathode herangeführt, so verkleinert sich diese Entladungsfläche. Auch die Anodenteile sind für die Existenz der Entladung nicht notwendig, sie stellen einen Übergangsbereich zwischen der positiven Säule und der Metallanode dar.

In den Kathodenteilen der Entladung dominiert die gerichtete Bewegung geladener Teilchen (Elektronen und positive Ionen), während die positive Säule ein typisches Beispiel für ein nicht isothermes Niedertemperaturplasma der Gasentladung ist, in dem die Ladungen chaotisch bewegt werden dominiert. Dementsprechend ist die Rolle der Wände, die das ionisierte Gas in den Kathodenteilen begrenzen, unbedeutend, in der positiven Säule jedoch von Bedeutung.

Eine Glimmentladung ist eine selbständige elektrische Entladung in einem Gas mit kalten Elektroden bei Strömen von 10 -5 -1 A. Sie weist einen charakteristischen Aufbau in Form abwechselnd leuchtender Bereiche unterschiedlicher Farbe und unterschiedlicher Lumineszenzintensität auf. Charakteristisch für eine Glimmentladung ist ein großer Spannungsabfall in der Nähe der Kathode, der mehr als hundert Volt beträgt. In der ausländischen Literatur wird diese Form der Entladung Glimmentladung genannt.

Die charakteristische Struktur einer normalen Glimmentladung ist in Abb. dargestellt. 2. Die Kathodenteile der Entladung liegen neben der Kathode, gefolgt von einer positiven Säule; ein relativ kurzer Anodenbereich befindet sich in der Nähe der Anode.

Die Hauptprozesse, die eine unabhängige Entladung gewährleisten, finden in den Kathodenteilen der Entladung und an der Kathode selbst statt. Ohne diese Prozesse kann es keine Glimmentladung geben. Wenn sich die Position der Kathode im Raum ändert, bewegen sich die Kathodenteile mit, ohne ihre Struktur zu ändern. Die positive Säule hingegen ist kein wesentlicher Bestandteil der Entladung. Wird bei einer bestehenden Entladung die Anode näher an die Kathode herangeführt, so verkleinert sich diese Entladungsfläche. Auch die Anodenteile sind für die Existenz der Entladung nicht notwendig, sie stellen einen Übergangsbereich zwischen der positiven Säule und der Metallanode dar.

In den Kathodenteilen der Entladung dominiert die gerichtete Bewegung geladener Teilchen (Elektronen und positive Ionen), während die positive Säule ein typisches Beispiel für ein Gasentladungsplasma ist, in dem die chaotische Ladungsbewegung dominiert. Dementsprechend ist die Rolle der Wände, die das ionisierte Gas in den Kathodenteilen begrenzen, unbedeutend, in der positiven Säule jedoch von Bedeutung.

Bevor wir mit der Beschreibung der Phänomene fortfahren, die in verschiedenen Bereichen der Glimmentladung auftreten, wollen wir kurz darauf eingehen allgemeine Charakteristiken Prozesse, die die Existenz einer unabhängigen Entlastung sicherstellen.

Elektronen werden von der Kathode emittiert, weil ihre Oberfläche durch Ionen, die durch ein starkes Feld in der Nähe der Kathode beschleunigt werden, und schnelle Atome bombardiert wird, sowie durch den photoelektrischen Effekt, der durch die Rekombinationsstrahlung von Plasmakomponenten entsteht. Diese zur Anode hin beschleunigten Elektronen gewinnen ausreichend Energie, um die Atome zu ionisieren. Neue Elektronen, die bei der Ionisierung des Gases entstehen, werden durch das Feld erneut beschleunigt, und positive Ionen fliegen zur Kathode und bewirken beim Beschuss ihrer Oberfläche die Emission neuer Elektronen.

Wenn die Bedingungen der Gasionisierung in den Kathodenteilen und der Injektion von Elektronen aus der Kathode so sind, dass jedes von der Kathode emittierte Elektron so viele Ionisierungs- und Anregungsvorgänge von Atomen hervorruft, dass infolge des photoelektrischen Effekts und der Bombardierung der Kathode mit Ionen und Atomen, an der Kathode erscheint ein neues Elektron, dann herrscht ein dynamisches Gleichgewicht der neu entstehenden Ladungen und der Übergang zur Kathode bzw. in die positive Säule. Auf diese Weise ist der Prozess selbsterhaltend; die Entladung ist nicht von fremden Ionisationsquellen abhängig, d. h. sie ist unabhängig. Die Aufgabe der positiven Säule besteht darin, einen geschlossenen Stromkreis bei der Entladung bereitzustellen. Wird die Anode so nah an die Kathode herangeführt, dass nur noch die Kathodenteile übrig bleiben, entsteht ein geschlossener Stromkreis ohne positive Säule, die Bedingungen für die Regeneration geladener Teilchen sind erfüllt und es kann eine Glimmentladung vorliegen. Bei weiterer Annäherung der Anode stoppt (erlischt) die Entladung entweder, da die Bedingungen für die Ladungswiederherstellung nicht erfüllt sind, oder erfordert für ihre Existenz eine höhere Anodenspannung, bei der die zur Selbsterhaltung der Entladung notwendigen Prozesse intensiver ablaufen ( schwieriger Ausfluss).

Wie aus Abb. ersichtlich ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, lassen sich in einer Glimmentladung mehrere charakteristische Bereiche unterscheiden. Direkt neben der Kathode liegt der dunkle Aston-Raum. Die von der Kathode emittierten Elektronen haben niedrige Geschwindigkeiten (in der Größenordnung eines Elektronenvolts), die nicht ausreichen, um Gasatome anzuregen, und daher gibt es in der Nähe der Kathode in allen Gasen einen Bereich, in dem es kein Gasglühen gibt. In einem starken elektrischen Feld werden Elektronen beschleunigt und erhalten, nachdem sie Astons dunklen Raum passiert haben, ausreichend Energie, um Atome anzuregen. Der leuchtende Bereich hinter dem Aston-Dunkelraum entspricht Elektronenenergien nahe dem Maximum der Anregungsfunktion der Atome eines bestimmten Gases. In dieser Region gibt es noch keine Gasionisierung, da die Wahrscheinlichkeit einer Ionisierung bei diesen Energien noch gering ist. Dieser Bereich wird als erste Kathodenschicht oder Kathodenleuchtfilm bezeichnet. Die Strahlung hat ein Linienspektrum. Auf den Kathodenleuchtfilm folgt der Kathodendunkraum, der auch Gittorff- oder Crookes-Dunkelraum genannt wird.

Manchmal ist der Kathodendunkelraum der gesamte Bereich von der Kathode bis zur Grenze des nächsten Teils – dem negativen Leuchten. Dieser Bereich ist für einen erheblichen Teil der Spannung verantwortlich, die als Kathodenpotentialabfall bezeichnet wird. Die Feldstärke ist hier deutlich höher als in anderen Teilen der Entladung. In diesem Bereich ist das Gasglühen schwächer, da die Energie der Elektronen viel höher ist als die Energie des Maximums der Anregungsfunktion. Diese Energie reicht aus, um eine Ionisierung des Gases zu bewirken.

Die bei der Ionisation von Atomen entstehenden Elektronen werden durch das Feld beschleunigt und bewegen sich in Richtung der Anode in Richtung der Grenze des negativen Leuchtens. Auch positive Ionen werden durch das Feld beschleunigt und bewegen sich in Richtung Kathode. Der Ionenfluss zur Kathode kann anhand des Leuchtens beobachtet werden, das sie im Gas hinter der Kathode verursachen, wenn in die Kathode ein Loch gebohrt wird. In diesem Fall fliegen die Ionen in den Sonnenuntergangsraum und bilden Sonnenuntergangs- oder Kanalstrahlen. Wenn man ihnen eine Faraday-Tasse auf den Weg stellt und sie füttert positives Potenzial, hemmende Ionen, dann werden Daten über die Energie der Ionen erhalten. In ähnlicher Weise können durch die Untersuchung des Elektronenflusses durch ein Loch in der Anode, das in Richtung der Kathodengrenze der Kathodenteile der Entladung bewegt wird, Informationen über die Energieverteilung der Elektronen gewonnen werden.

Bei niedrigen Drücken und hohen Anodenspannungen (anomale Entladung) ist der Elektronenfluss, der sich in Richtung der Grenze des negativen Leuchtens bewegt, nahezu monoenergetisch mit einer Energie von eoik. Die Bewegungsgeschwindigkeit von Ionen ist deutlich geringer als die Bewegungsgeschwindigkeit von Elektronen, wodurch im Bereich des Kathodendunkelraums eine durch positive Ionen gebildete überschüssige Raumladung auftritt. Diese Ladung verzerrt das elektrische Feld in dieser Region stark. Die Frage nach der Feldverteilung bei einer Glimmentladung, die eine Überlagerung des äußeren Feldes und des Feldes der Raumladung darstellt, ist eine wichtige Frage für die Theorie dieser Art von Entladung.

Bei einer normalen Glimmentladung hängt die Größe des Kathodenpotentialabfalls IR vom Reinheitsgrad des Gases und des Kathodenmaterials ab. Neben dem Kathodenpotentialabfall ist eine normale Glimmentladung auch durch eine normale Stromdichte i und die Breite des dunklen Kathodenraums gekennzeichnet.

Auf den Bereich des Kathodendunkelraums folgt ein negatives Leuchten. Dieser Teil der Entladung hat auf der Kathodenseite eine scharfe Grenze und auf der Anodenseite eine unscharfe Grenze. Das elektrische Feld darin ist klein. Das ionisierte Gas ist ein nahezu neutrales Plasma, das von einem Strom schneller Elektronen aus dem Dunkelraum der Kathode durchdrungen wird. Die Rolle schneller Elektronen in dieser Region wird durch einen direkten Zusammenhang zwischen der Elektronenenergie und der Länge des negativen Leuchtens angezeigt. Zusätzlich zu den schnellen Elektronen gibt es im negativen Leuchten eine beträchtliche Anzahl langsamer Elektronen, die im dunklen Kathodenraum inelastische Kollisionen erlebt und verloren haben am meisten Deine Energie. Diese Elektronen haben Energien nahe dem Maximum der Anregungsfunktion und bringen das Gas zum Leuchten Linienspektrum, bestimmt durch die Natur der Atome. Darüber hinaus kann eine negative Glühemission durch Ladungsrekombination verursacht werden, deren Wahrscheinlichkeit bei langsamen Elektronen hoch ist.

Zur Anode hin nimmt die Feldstärke leicht zu und die Glühintensität dieses Entladungsbereichs nimmt aufgrund einer Abnahme der Rekombinationswahrscheinlichkeit allmählich ab. Die Rolle der Ionen, die beim negativen Leuchten entstehen und in den dunklen Raum der Kathode diffundieren, spielt bei der Aufrechterhaltung einer normalen Entladung offenbar eine geringe Rolle. Ihr Wert steigt bei anomalen Entladungen mit hoher Stromdichte.

Nach dem negativen Leuchten ist der Faraday-Dunkelraum der Übergangsbereich von den Kathodenteilen zur positiven Säule. Dabei gewinnen Elektronen in einem schwachen elektrischen Feld Energie, diese Energie manifestiert sich jedoch in ihrer chaotischen Bewegung. Zu Beginn der positiven Säule steigt sie so stark an, dass es zu einer merklichen Anregung und Ionisierung von Gasatomen durch Elektronen kommt. Bedeutender Unterschied Der Unterschied zwischen dem Faraday-Dunkelraum und dem Kathoden-Dunkelraum besteht darin, dass im ersteren die Elektronenenergie zu niedrig ist, um ein Gasglühen zu erzeugen, und im letzteren zu hoch.

Die positive Säule einer Glimmentladung ist ein Plasma mit einer (im Verhältnis zum Kathodendunkelraum) geringen Feldstärke. Bei stationärem Strom wird die Feldstärke so eingestellt, dass sie den Verlust geladener Teilchen kompensiert. Diese Verluste sind entweder auf die Diffusion von Elektronen und Ionen an die Wände der Röhre zurückzuführen (wenn die Länge der positiven Säule deutlich größer ist als ihr Durchmesser) oder auf die Anode und in die Kathodenbereiche (im Falle eines kurzen positiven Elements). Spalte) oder durch die Rekombination von Ladungsträgern im Volumen. Bei sehr niedrigen Gasdrücken, wenn die mittlere freie Weglänge der Ionen größer als der Radius der Röhre ist, bewegen sich die Partikel im „freien Fall“ zu den Wänden und rekombinieren auf der Oberfläche der Röhre. Somit kann die positive Säule als unabhängiger Entladungsbereich betrachtet werden, der in gewissem Maße unabhängig von den Kathodenteilen existiert.

Eine positive Säule entsteht nicht nur bei einer Glimmentladung, sondern auch bei einem Niederdrucklichtbogen mit beheizter Kathode. Auch das Plasma einer Hochfrequenzentladung ähnelt in vielerlei Hinsicht einer positiven Säule. Eigenschaften einer positiven Spalte in verschiedene Arten Niederdruckentladungen sind weitgehend identisch. In vielen Fällen (nach Ansicht einiger Forscher) weist die positive Säule eine Schichtstruktur in Form von Schichten auf, die stationär sind oder sich entlang der Achse der Röhre bewegen, sogenannte Schichten.

In der Nähe der Anode gibt es einen schmalen dunklen Raum und ein Anodenglühen. Das Aussehen dieser Teile hängt mit den Randbedingungen an der Anode zusammen. Elektronen werden von der Anode angezogen, positive Ionen werden abgestoßen. Vor der Anode entsteht eine negative Raumladung, Veränderung herbeiführend Das Potential liegt in der Größenordnung des Gasionisationspotentials. Wenn Sie die Anode näher an die Kathode bringen, sodass sie in den Faraday-Dunkelraum fällt, verschwindet der Abfall des Anodenpotentials.

Farbe verschiedene Teile Die Entladung hängt von dem Gas ab, in dem sie auftritt. Am häufigsten erfolgt die Entladung mit Metallelektroden. Es kann aber auch mit glasummantelten Metallelektroden oder mit nichtmetallischen Elektroden bestehen. Die elektrische Leitfähigkeit nichtmetallischer Elektroden oder von Glas hängt mit deren Erwärmung in der Entladung zusammen. Physikalische Prozesse auf der Oberfläche solcher Elektroden wurden nicht ausreichend untersucht.

Die bei einer Glimmentladung in einer Vakuumröhre auftretenden Phänomene wurden bereits oben beschrieben (§ 46). Dort werden auch die Begriffe erklärt, die die Hauptzonen der Glimmentladung definieren: die erste Kathodenschicht, der dunkle Kathodenraum (Crookean), die zweite Kathodenschicht, der dunkle Anodenraum (Faraday), das Anodenglühen.

Wenn wir die Elektroden der Vakuumröhre mit den Polen einer Hochspannungsquelle verbinden, strömen die freien positiven Ionen, die immer im Gas vorhanden sind, zur Kathode. Bei kleinen Verdünnungen reichen ihre Geschwindigkeiten nicht aus, um beim Aufprall auf die Kathodenoberfläche Elektronen aus der Kathodensubstanz herauszureißen; wenn jedoch die Verdünnung und damit die durchschnittliche freie Weglänge signifikant sind, erreicht die Geschwindigkeit positiver Ionen a „kritischer Wert“, und die Kathode steht unter dem Einfluss des Ionenbeschusses und wird zu einer Quelle von Elektronen, die in den Raum um die Kathode emittiert werden und in Richtung der Anode strömen.

Die Kollisionen von Elektronen mit neutralen Gasmolekülen regen das Leuchten des Gases an und ionisieren das Gas teilweise. Im dunklen Crookes-Raum (der eigentlich auch leuchtet, aber im Gegensatz zu den hellen Kathodenschichten dunkel erscheint) steigt die Geschwindigkeit der Elektronen rasant an. Die zweite Kathodenschicht ist der Bereich der intensivsten Kollisionen von Elektronen mit neutralen Molekülen. Diese Kollisionen verlangsamen die Bewegung der Elektronen. Im dunklen Faraday-Raum bewegen sich Elektronen mit einer geringeren Geschwindigkeit zur Anode als im Crookes-Raum.

Bewegung von Elektronen und Ionen mit ungleichmäßige Geschwindigkeit erzeugt eine ungleichmäßige Verteilung ihrer Ladungen im Raum zwischen den Elektroden; dadurch wird das Feld zwischen den Elektroden erheblich verformt; Der Potentialabfall entlang der Vakuumröhre wird ungleichmäßig, was wiederum die ungleichmäßige Ladungsverteilung im Raum verschärft.

Dadurch stellt sich die charakteristische Potentialänderung entlang der Röhre ein, die in Abb. 1 dargestellt ist. 162 (Das Potential wird durch Verschieben der Elektroden relativ zur Sonde gemessen, Abb. 163). Wenn wir uns von der Anode entfernen, fällt das Potential im Bereich des positiven Leuchtens langsam ab, bleibt im Bereich des schwelenden Leuchtens (zweite Kathodenschicht) nahezu unverändert und fällt in der Nähe der Kathode im Bereich des Crookes-Dunkelraums stark ab.

Reis. 162. Potentialverteilung während einer Glimmentladung.

Dieser starke Potentialabfall in der Nähe der Kathode, der sogenannte Kathodenpotentialabfall, hat je nach Art des Gases und der Substanz der Kathode den einen oder anderen Wert (in der Größenordnung von 100–300 V).

Reis. 163. Versuchsschema zur Potentialmessung an verschiedenen Stellen einer Gasentladungsröhre.

Die Länge des Crookes-Dunkelraums, in dem der Abfall des Kathodenpotentials auftritt, wird durch die freie Weglänge der Ionen bestimmt und nimmt daher mit abnehmender Gasdichte zu; das Produkt aus Länge und Gasdruck bleibt konstant:

Die kinetische Energie, die Elektronen während ihrer Reise durch den Crookes-Raum akkumulieren, reicht aus, um das Gas im Bereich des Glühens (der zweiten Kathodenschicht) zu ionisieren; Hier werden positive Ionen gebildet, die zur Aufrechterhaltung der Entladung notwendig sind. Wenn die Anode näher an die Kathode gebracht wird, dann

Die Lage der Kathodenschichten ändert sich nicht und nur der Bereich des positiven Leuchtens wird verkürzt (Abb. 164). Wenn die Anode jedoch in die Nähe eines glimmenden Glühens gebracht wird, wird die normale Bildung positiver Ionen, die zur Aufrechterhaltung der Entladung erforderlich ist, unterbrochen und die Entladung stoppt.

Reis. 164. Die Position der Anode hat keinen Einfluss auf die Lage der Kathodenschichten während einer Glimmentladung.

Form und Lage der positiven Glühsäule hängen von den Innenkonturen der Röhre ab (Abb. 165).

Reis. 165. Der Einfluss der Lage der Elektroden und der Form der Röhre auf die Art der Glimmentladung.

Wenn der Abstand zwischen den Elektroden kleiner ist als zur Unterbringung des dunklen Kathodenraums und der leuchtenden Kathodenschichten erforderlich ist, kann die Glimmentladung einen längeren Weg wählen (Abb. 166).

Die positive Säule zerfällt oft in separate abwechselnde helle und dunkle Streifen – Schichten. In diesem Fall wird die Glimmentladung als geschichtet bezeichnet (Abb. 167).

Vergleichen wir die Glimmentladung in derselben. Gas, aber bei Kathoden aus verschiedenen Metallen stellt man fest, dass

dass der Abfall des Kathodenpotentials proportional zur Austrittsarbeit eines Elektrons vom Metall ist (Austrittsarbeit wird in § 33 besprochen). Der Proportionalitätsfaktor dabei lineare Abhängigkeit zwischen dem Kathodenpotentialabfall und der Austrittsarbeit ist bei Gasen unterschiedlicher chemischer Natur nicht gleich (Abb. 168).

An der Kathode selbst ist die Gastemperatur höher als in den benachbarten Zonen der Glimmentladung. Positive Ionen, die die Kathode bombardieren, reißen nicht nur Elektronen aus der Kathode, sondern auch neutrale Metallatome: Das Metall, aus dem die Kathode besteht, wird zerstäubt. Je größer die Masse der Ionen ist, die auf die Kathode trifft, desto stärker erfolgt die Kathodenzerstäubung des Metalls.

Reis. 166. Ist der Abstand zwischen den Elektroden zu gering, erfolgt die Glimmentladung auf einer längeren Strecke.

Daher ist die Zerstäubung in schweren Gasen stärker als in leichten Gasen. Es ist klar, dass die Kathodenzerstäubung umso stärker ist, je größer die Stromdichte ist. Wismut, Antimon, Blei, Cadmium und Silber lassen sich am einfachsten versprühen. Kathodenzerstäubung wird verwendet, um dünne Metallschichten auf Glas, Glimmer und (wenn ein dünner Metallfilm gewünscht ist) auf Substanzen zu erhalten, die durch Auflösung leicht entfernt werden können.

Als Lichtquelle dient das positive Leuchten einer Glimmentladung (in sogenannten Gaslichtröhren mit Edelgasen). Die Helligkeit des Leuchtens der positiven Säule hängt von der Stromdichte, vom Druck und der chemischen Beschaffenheit des Gases sowie vom Einfluss der Wände der Entladungsröhre ab. Bei niedrigen Gasdrücken füllt das positive Leuchten den gesamten Querschnitt aus der zylindrischen Entladungsröhre. Bei Drücken in der Größenordnung von mehreren zehn Millimetern Quecksilbersäule sowie bei zunehmendem Strom verengt sich die positive Säule und trennt sich von den Rohrwänden. Bei Drücken in der Größenordnung von einer oder mehreren Atmosphären nimmt das positive Leuchten die Form einer hell leuchtenden Schnur an, die entlang der Achse der Röhre verläuft. Diese Ablösung der positiven Säule erfolgt, weil die Gastemperatur an den Rohrwänden niedriger ist als im axialen Bereich. Dabei ist die Gasdichte in der Nähe der Achse geringer als an den Wänden; daher ist die freie Weglänge der Elektronen um die Achse größer und daher stellt sich hier ein höherer Ionisierungsgrad des Gases ein; Dies führt dazu, dass die Entladungsstromdichte entlang der Achse steigt

(Klicken Sie hier, um den Scan anzuzeigen)

fällt größer aus, was wiederum zu einer noch stärkeren Erwärmung des Gases führt. In Quecksilberdampf bei einem Druck von 1 Atmosphäre beträgt die Gastemperatur in der abgetrennten positiven Säule 5000–6000 °K und bei einem Druck von 200–300 Atmosphären erreicht sie 8000–10.000 °K.

Eine Glimmentladung wird in Gasen bei niedrigen Drücken in der Größenordnung von mehreren zehn Millimetern Quecksilbersäule oder weniger beobachtet. Wenn wir eine Röhre mit einer Glimmentladung betrachten, können wir erkennen, dass die Hauptbestandteile einer Glimmentladung sind Kathodendunkelraum, deutlich von ihm entfernt Negativ, oder schwelender Schein, der nach und nach in das Gebiet vordringt Faradayscher dunkler Raum. Diese drei Bereiche bilden den Kathodenteil der Entladung, gefolgt vom Hauptleuchtteil der Entladung, der ihre optischen Eigenschaften bestimmt und als „Kathode“ bezeichnet wird positive Spalte.

Die Hauptrolle bei der Aufrechterhaltung der Glimmentladung spielen die ersten beiden Bereiche ihres Kathodenteils. Charakteristisches Merkmal Bei dieser Art der Entladung handelt es sich um einen starken Potentialabfall in der Nähe der Kathode, der aufgrund der relativ geringen Bewegungsgeschwindigkeit der Ionen in der Nähe der Kathode mit einer hohen Konzentration positiver Ionen an der Grenze der Regionen I und II verbunden ist. Im dunklen Raum der Kathode kommt es zu einer starken Beschleunigung von Elektronen und positiven Ionen, wodurch Elektronen aus der Kathode geschleudert werden. Im Bereich des glimmenden Glühens bewirken Elektronen eine intensive Stoßionisierung von Gasmolekülen und verlieren ihre Energie. Hier werden positive Ionen gebildet, die zur Aufrechterhaltung der Entladung notwendig sind. Die elektrische Feldstärke in dieser Region ist gering. Das Leuchten entsteht hauptsächlich durch die Rekombination von Ionen und Elektronen. Die Ausdehnung des Kathodendunkelraums wird durch die Eigenschaften des Gases und des Kathodenmaterials bestimmt.

Im Bereich der positiven Säule ist die Konzentration von Elektronen und Ionen annähernd gleich und sehr hoch, was zu einer hohen elektrischen Leitfähigkeit der positiven Säule und einem leichten Abfall des Potentials darin führt. Das Leuchten der positiven Säule wird durch das Leuchten angeregter Gasmoleküle bestimmt. In der Nähe der Anode ist wiederum eine relativ starke Potentialänderung zu beobachten, die mit dem Prozess der Erzeugung positiver Ionen verbunden ist. In manchen Fällen zerfällt die positive Säule in einzelne Leuchtbereiche – Schichten, durch dunkle Räume getrennt.

Die positive Säule spielt keine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der Glimmentladung. Wenn daher der Abstand zwischen den Elektroden der Röhre abnimmt, verringert sich die Länge der positiven Säule und sie kann vollständig verschwinden. Anders verhält es sich mit der Länge des Kathodendunkelraums, die sich bei Annäherung der Elektroden nicht ändert. Wenn sich die Elektroden so nahe kommen, dass der Abstand zwischen ihnen kleiner wird als die Länge des dunklen Kathodenraums, stoppt die Glimmentladung im Gas. Experimente zeigen das mit anderen gleiche Bedingungen die Länge d des Kathodendunkelraums ist umgekehrt proportional zum Gasdruck. Folglich passieren bei ausreichend niedrigen Drücken Elektronen, die von positiven Ionen aus der Kathode geschlagen werden, das Gas nahezu ohne Kollisionen mit seinen Molekülen und bilden sich elektronisch, oder Kathodenstrahlen.

Glimmentladung wird in Gaslichtröhren, Leuchtstofflampen, Spannungsstabilisatoren, zur Erzielung elektronischer und elektrischer Energie verwendet Ionenstrahlen. Wenn in der Kathode ein Spalt erzeugt wird, werden oft schmale Ionenstrahlen genannt Kanalträger. Weit verbreitetes Phänomen Kathodenzerstäubung, d.h. Zerstörung der Kathodenoberfläche unter Einwirkung positiver Ionen, die auf sie treffen. Ultramikroskopische Fragmente des Kathodenmaterials fliegen in geraden Linien in alle Richtungen und bedecken die Oberfläche von in der Röhre befindlichen Körpern (insbesondere Dielektrika) mit einer dünnen Schicht. Auf diese Weise werden Spiegel für zahlreiche Geräte hergestellt und eine dünne Metallschicht auf Selen-Fotozellen aufgebracht.

GILTLADUNG

In Abb. 3-26, und gezeigt Aussehen Glimmentladung, gekennzeichnet durch abwechselnde dunkle und leuchtende Gasschichten mit folgenden Namen:
1) der erste Kathoden-Dunkelbereich;
2) erstes Kathodenglühen;
3) zweiter dunkler Kathodenbereich;
4) zweites Kathodenglühen (Kathodenglühen);
5) Faraday-Dunkelregion;
6) Entladungssäule;
7) anodischer dunkler Bereich;
8) Anodenglühen.
Abfall des Kathodenpotentialswährend einer normalen Glimmentladung (nur ein Teil der Kathodenoberfläche ist mit Glühen bedeckt) hängt vom Kathodenmaterial und der Art des Gases ab und ist nicht vom Gasdruck und -strom abhängig (Tabelle 3-16).
Die Breite des Bereichs des normalen Kathodenpotentialabfalls hängt vom Kathodenmaterial und der Art des Gases ab. Die Abhängigkeit vom Gasdruck wird durch die Beziehung bestimmt.
Eine normale Glimmentladung zeichnet sich durch Proportionalität zwischen der vom Glimmen bedeckten Fläche der Kathode und dem Strom aus, also einer konstanten (normalen) Stromdichte an der Kathode(Tabelle 3-17).
Wenn sich der Gasdruck p0 ändert normale Dichte Der Strom variiert je nach Gesetz

Wo - normale Stromdichte an der Kathode bei; - konstant, abhängig von der Geometrie der Elektroden und der Gasart. Normalerweise mit flachen Elektroden(für Ne=1,5).
Wenn bei einer Erhöhung des Anodenstroms die gesamte Oberfläche der Kathode mit Glühen bedeckt ist, beginnt der Abfall des Kathodenpotentials mit zunehmender Stromdichte zuzunehmen. Diesen Kathodensturz nennt manUngewöhnlicher Abfall des Kathodenpotentials, und die Entladung selbst wird aufgerufenanormale Glimmentladung.
Bei einer anomalen Glimmentladung geht eine Erhöhung der Stromdichte mit einer Verringerung der Breite des Abschnitts des Kathodenpotentialabfalls einher.
In Abb. In Abb. 3-27 zeigt die theoretisch berechneten universellen Kurven der Abhängigkeit des anomalen Kathodenpotentialabfallsund die Breite des Kathodenpotentialabfallabschnittsauf Stromdichte. Ihre Übereinstimmung mit experimentellen Daten ist für technische Berechnungen zufriedenstellend.
Für das Vorhandensein einer Glimmentladung sind kathodennahe Bereiche der Entladung 1-4 (Abb. 3-26) von entscheidender Bedeutung, in denen sich der Kathodenpotentialabfall konzentriert. Die Regionen 5 (Faraday-Dunkelregion) und 6 (Entladungssäule) sind passive Entladungsregionen mit guter elektrischer Leitfähigkeit, die die Anoden- mit den Kathodenregionen der Entladung verbinden.
In der Entladungssäule befindet sich das Gas in einem stark ionisierten Zustand und die Konzentrationen von Elektronen und Ionen sind annähernd gleich, d. h. die Raumladung wird kompensiert. Ein Gas in diesem Zustand heißt Plasma.
Merkmale und Eigenschaften von Plasma, siehe Abschnitt.
Wenn sich die Anode der Kathode nähert, zieht sich die Entladungssäule zusammen und verschwindet dann.
Weitere Annäherung der Elektroden an einen bestimmten kritischen Abstandführt zum Verschwinden der anodischen Bereiche der Entladung. In diesem Fall verringert sich der Spannungsabfall über der Entladung um den Wert des Anodenpotentialabfalls, der ungefähr dem Ionisationspotential des Gases entspricht.
Eine weitere Annäherung der Elektroden führt zum Verschwinden der Faradayschen Dunkelregion. Dann beginnt das schwelende Leuchten zu verblassen. In diesem Fall steigt der Spannungsabfall am Gerät stark an (schwierige Entladung).