Главная > СВЧ, ультразвук, аккустика > Техника сверхвысоких частот. Том 2
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

18.2. ЭЛЕКТРОНИКА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

18.2.1. Процесс пробоя

Электрический разряд, составляющий основу всех переключающих ламп, обусловлен процессами ионизации, происходящими при низком давлении и обычной температуре в инертных газах. Его характеристики [67, 337—342] могут быть исследованы в состояниях пробоя, собственно разряда и послесвечения. При внешнем возбуждении пробой газа происходит под действием большого электрического поля. Любой остаточный электрон, находящийся в газе под действием электрического поля, может двигаться и приобрести энергию, достаточную для образования [124, 135, 218] вторичных электронов при столкновании с молекулами газа или стенками сосуда. Такой процесс ионизации продолжается до тех пор, пока не наступит равновесие, при котором поступающая к разряду мощность станет равной потерям энергии при захватывании электронов электродами, а также при различных других процессах.

Типичный газовый разряд постоянного тока состоит из восьми различных областей, из которых четыре основные приведены на рис. 18.6. Вблизи катода расположены темное пространство Астона, первое катодное свечение, темное катодное пространство и отрицательное тлеющее свечение. Из кривых [33] видно, что последняя область характеризуется значительным падением потенциала,

большой плотностью электронов и низкой частотой соударений. Следующая область разряда — фарадеево темное пространство, за которым следует положительный столб разряда. Эта область в зависимости от давления газа является либо протяженной, либо сжатой; она характеризуется малой плотностью электронов и высокой частотой соударений.

Рис. 18.6. Свойства газового разряда постоянного тока: а — область свечения в разрядной трубке; б - свойства как функция положения. (См. [33].)

Наконец, вблизи поверхности анода расположены анодное свечение и анодное темное пространство.

Разряд с самовозбуждением образуется [37, 170] под влиянием полей сверхвысоких частот. В таком высокочастотном разряде электроды играют незначительную роль и могут быть расположены вне трубки. Случайные столкновения не мешают электронам поглощать энергию, так как этот эффект пропорционален квадрату напряженности поля. Разряд распределен равномерно и очень напоминает положительный столб разряда при постоянном токе. Плотность электронов и плотность тока достигают очень высоких значений и могут превышать соответственно и .

Область разряда, где пространственная плотность зарядов одного знака почти полностью компенсируется зарядами противоположного знака, называется плазмой; она состоит из электронов, ионов и нейтральных молекул. Исходя из кинетической теории газов, можно определить температуру каждой отдельной составляющей [41]. Опыт показывает, что эти температуры, вообще говоря, неодинаковы, так как составляющие приобретают и отдают энергию при различных скоростях.

Определение минимальной напряженности поля [5, 144], необходимой для возбуждения высокочастотного пробоя, связано с такими параметрами, как коэффициент ионизации [109, 110, 111], измеренный экпериментально [147, 226] на СВЧ, и с распределением электронов по энергиям [113, 151, 152,180]. Хорошее совпадение с экспериментом получается в том случае [36], когда длина свободного пробега электронов [2] меньше размеров сосуда; если это требование не выполнено, то значение напряженности поля, при котором происходит пробой, резко возрастает [77, 214]. Имеются результаты измерений напряженности полей пробоя в зависимости от газового давления для гелия [144], неона [143], смеси неон-аргон [142, 167] и аргона [128, 141]. Гелий является основным веществом, используемым в современных устройствах [203] для индикации напряженности полей на сверхвысоких частотах. Исследовались также двухатомные газы [98], в том числе водород [38, 145] и соединения [971 кислорода, азота и углерода.

Исследования [35, 219] высокочастотного пробоя при наличии постоянного магнитного поля проводились [64, 131, 132, 160] с целью показать две особенности движения электронов. Первая из них, наблюдаемая при любой ориентации поля Н, состоит в уменьшении диффузии электронов, а следовательно, и напряжения пробоя при увеличении магнитного поля. Вторая, хорошо известная особенность, встречается в тех случаях, когда магнитное и высокочастотное электрическое поля ортогональны. Электрон движется по спирали с угловой частотой

В случае резонанса, особенно при низких давлениях, возникает резкий провал в напряжении пробоя при прохождении магнитного поля через значение, определяемое уравнением (18.1).

Газовый разряд может происходить под действием магнитного поля, изменяющегося во времени. Если представляет магнитный поток через элемент поверхности А, то индуцированное электрическое поле вдоль пути I равно [124]

Разрядный ток образует замнутый путь в газе и разряд имеет вид светящегося кольца. Механизм возбуждения является таким же,

как и при электростатическом разряде, и их разделение оправдано только в том случае, когда длина волны индуцированного поля превышает линейные размеры разряда; если они одного порядка, то существуют оба вида возбуждения. Например, при возбуждении волны в резонаторе диаметром наполненном неоном при давлении наблюдалось [9] отчетливо выраженное кольцо ионизации. Резонатор возбуждался генератором, излучающим на частоте импульс мощностью длительностью 0,1 мксек с частотой повторения 1000 гц.

Исследование разряда постоянного тока [4, 15, 217] и высокочастотного разряда [30, 56, 231] с очень большими токами показало, что в обоих случаях собственное магнитное поле достаточно для того, чтобы вызвать сжатие. Такой эффект сжатия («pinch» effect) был продемонстрирован в тороидальном кольцевом разряде [48, 215, 230], в котором создавались токи порядка . Возникающая при этом высокая плотность электронов создавала эффективную температуру, представляющую интерес для термоядерных реакций [173].

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление