Расчет напряжения возникновения газового разряда кривые пашена

Отчёт по лр. Расчет напряжения возникновения газового разряда

Расчет напряжения возникновения газового разряда. (Кривая Пашена)

Цель работы: Рассчитать зависимости напряжения возникновения газового разряда.

Самостоятельный газовый разряд возникает, когда напряжение на электродах прибора, и тем самым напряженность поля в промежутке возрастает настолько, что выполняется условие:

Где α – коэффициент объемной ионизации, γ – коэффициент вторичной эмиссии, L – расстояние между электродами.

Из условия самостоятельности разряда можно получить выражение для напряжения возникновения:

Где η=α/E – коэффициент объемной ионизации, V0 – поправка на начальную энергию электронов, численно равная потенциалу ионизации газа UI.

Коэффициент объемной ионизации газа зависит от приведенной напряженности электрического поля Е/р0.

Эта зависимость может быть выражена, например, аппроксимацией Таунсена:

Где А, В – коэффициенты, зависящие от рода газа.

Подставляя это выражение в формулу (2) и учитывая, что в момент пробоя распределение электрического поля в промежутке линейно, т. е. Е=VВ/L, можно рассчитать напряжение возникновения разряда.

Нетрудно видеть, что при данном материале катода (коэффициент g) напряжения возникновения разряда VВ Зависит от обобщенного параметра Pl. Зависимость VВ=F(Pl) была экспериментально проверена на различных газах Пашеном, поэтому носит название кривой Пашена.

Расчет напряжения возникновения газового разряда для неона и гелия.

Необходимые для рассчёта значения параметров приведены в таблице.

Источник

Плазменная электроника / Лаба4

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника»

Тема: РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА (КРИВЫЕ ПАШЕНА)

Расчет напряжения возникновения газового разряда при различных условиях.

Основные теоретические положения.

Разность потенциалов между электродами, при которой разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный, называется пробивным напряжением, или напряжением возникновения газового разряда, и имеет большое значение при разработке плазменных приборов и устройств. Физический смысл напряжения возникновения (Uв) иллюстрируется с помощью вольтамперной характеристики двухэлектродного промежутка, показанной на рис. 4.1, где j – плотность тока, протекающего между электродами; U0 – приложенное к ним напряжение. Область I обусловлена током частиц, образовавшихся в промежутке за счет объемной ионизации и вторичной эмиссии электронов поверхностью катода под действием достаточно жестких квантов и быстрых ядерных частиц, связанных с естественным (космическим) или искусственным фоном облучения. Если каким-то образом оградить промежуток внешнего ионизирующего воздействия, то ток между электродами в области I практически прекратится. По этой причине протекание тока на участке I вольт-амперной характеристики (ВАХ) называется «несамостоятельным» разрядом.

При достаточно больших значениях pL существенную роль начинают играть процессы ступенчатой ионизации, фотоионизации и др., что также обусловливает отклонение от закона Пашена. Качественно ход кривой закона Пашена объясняется следующим образом. Рассматриваем относительно минимума кривой. Пусть L постоянно, и меняется давление газа р. Давление газа р увеличивается, следовательно, количество молекул газа увеличивается, а значит длина свободного пробега электрона в газе уменьшается, поэтому на расстоянии каждого свободного пробега электрон в среднем проходит меньшую разность потенциалов и вероятность ионизации при столкновении уменьшается, что приводит к увеличению Uв. При уменьшении давления газа р уменьшается число столкновений электрона с молекулами газа на пути, пройденном электроном в направлении от катода к аноду, что затрудняет ионизацию. Рассмотрим случай, когда давление газа р постоянно, а меняется расстояние между электродами L. При увеличении этого расстояния уменьшается напряженность поля Е, так как в случае плоских электродов Е = U/L, падает энергия электронов, уменьшается вероятность ионизации, что влечет за собой увеличение Uв. При уменьшении расстояния между электродами L уменьшается пространство, находящееся в распоряжении идущей от катода к аноду лавины, при ее развитии падает число столкновений электронов с атомами, что опять-таки затрудняет ионизацию.

Обработка результатов эксперимента.

Зависимость α(E).

Рис. 1. Зависимость α(Е) для газа Ne и материала мишени Pt

Зависимость Ub=f(pL) для Ne при 3 материалах мишени.

Зависимость Ub=f(pL) для Fe и 3 различных газов. Зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв от произведения pL имеет вид:

График зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв от произведения pL, где р – давление газа, а L – расстояние между электродами, представлен на рисунке 2 для одного газа (водорода) и трех мишеней (железо, платина, никель) и на рисунке 3 для трех газов (аргон, неон, водород) и одной мишени (платина).

Рис. 3. Зависимость Ub=f(pL) для Pt и 3 различных газов.

Вывод: в данной лабораторной работе были исследованы напряжения возникновения газового разряда при различных условиях, коэффициента объёмной ионизации и сопоставление полученных данных с экспериментальными. Было отмечено, что теоретическая аппроксимация коэффициента объёмной ионизации хорошо совпадает с экспериментальными данными особенно при высоких значениях отношения . Приблизить теоретическую аппроксимацию к графику экспериментальных данных можно путём подбора различных коэффициентов А и для одного и того же газа. Полученные зависимости позволили определить, что минимальное напряжение возникновения газового разряда зависит от состава газа и материала мишени.

Видно, что разные газы с различными константами А и обладают при железе в качестве материала мишени различными значениями минимума напряжения возникновения на различных расстояниях между электродами. Исходя из графика, видно, что наименьшим напряжением возникновения газового разряда обладает аргон, обладая при этом и наименьшим межэлектродным промежутком. Наибольшие показатели из представленных присутствуют у водорода. Эти свойства газов объясняются, скорее всего, разностью значений потенциала ионизации и размеров самих атомов молекул, которые влияют на способность атома удержать при себе электрон, компенсируя при этом проигрыш в энергии.

Анализ кривых Пашена показывает, что для одного и того же газа (то есть при одних и тех же значениях А и В) минимум напряжения возникновения газового разряда будет тем меньше, чем больше коэффициент вторичной эмиссии ионно-электронного типа. Так, наименьшее значение минимума кривой Пашена наблюдается при использовании платины в качестве материала мишени, а наибольшее – при использовании железа. Связано это, скорее всего, с разностью значений работ выхода для этих материалов.

Экспериментальная зависимость Uв для водорода указывает на то, что в реальных плазменных приборах с использованием этого газа минимальное напряжение пробоя будет достигаться на больших межэлектродных промежутках и превысит теоретические значения, полученные с использованием различных результатов мишени. К тому же сама экспериментальная кривая Пашена для водорода имеет более плавные участки роста и падения по сравнению с теоретическими зависимостями. Эти факты, а также то, что кривая Пашена для реальных приборов не бесконечна, объясняются тем, что при слишком малых расстояниях между электродами происходит вакуумный пробой, вызванный разогревом электрода вследствие холодной эмиссии, а при слишком больших расстояниях происходит лавинный пробой. Эти факторы, а также излучение электронами при торможении рентгеновского кванта и испарение материала катода в процессе работы реального устройства и определяют более плавный ход кривой Пашена.

Источник

Плазменная электроника / Plazma_4

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

по дисциплине «Плазменная электроника»

«РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

ГАЗОВОГО РАЗРЯДА (КРИВЫЕ ПАШЕНА)»

Расчет напряжения возникновения газового разряда при различных условиях.

Основные теоретические положения.

Разность потенциалов между электродами, при которой разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный, называется пробивным напряжением, или напряжением возникновения газового разряда, и имеет большое значение при разработке плазменных приборов и устройств. Физический смысл напряжения возникновения () иллюстрируется с помощью вольт-амперной характеристики двухэлектродного промежутка, показанной на рис. 1, где j – плотность тока, протекающего между электродами; – приложенное к ним напряжение.

Рис. 1. Обобщенная вольт-амперная характеристика.

Область I обусловлена током частиц, образовавшихся в промежутке за счет объемной ионизации и вторичной эмиссии электронов поверхностью катода под действием достаточно жестких квантов и быстрых ядерных частиц, связанных с естественным (космическим) или искусственным фоном облучения. Если каким-то образом оградить промежуток внешнего ионизирующего воздействия, то ток между электродами в области I практически прекратится. По этой причине протекание тока на участке I вольт-амперной характеристики (ВАХ) называется «несамостоятельным» разрядом.

Совершенно иначе обстоят дела на II участке вольт-амперной характеристики. Здесь очень существенна вторичная эмиссия электронов катодом под действием бомбардирующих его ионов. За счет образования ионов в объеме и выбивания ими вторичных электронов разряд перестает зависеть от внешних ионизирующих воздействий, он переходит в режим самоподдержания – становится «самостоятельным». Показанная на рис. 1 точка напряжения возникновения газового разряда (Uв) является граничной, определяющей «несамостоятельный» разряд от «самостоятельного».

, (1)

где коэффициент вторичной эмиссии ионно-электронного типа; расстояние между электродами; коэффициент объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами.

Коэффициент объемной ионизации :

, (2)

где напряженность электрического поля; р – давление газа (или пара) в промежутке; А и В – константы, зависящие от рода газа.

Напряженность поля :

(3)

Напряжение возникновения разряда :

где – давление; – расстояние между электродами.

Обработка результатов эксперимента.

1. Выведем зависимость U_в=f(pL).

Подставим выражения (2) и (3) в условие самостоятельности (1). Полученное при этом уравнение решается относительно Unp. Unp=f(эту зависимость pL) – получим:

,

В данной работе исследовался газ аргон, а материалом мишени был никель.

Для аргона: А=13.6 см -1 *мм рт.ст. -1 ; В=235 В*см -1 *мм рт.ст. -1 ; Для никеля: γ=0,058.

2. Зависимость коэффициента объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами от отношения Е/р имеет вид:

График зависимости коэффициента объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами от отношения Е/р представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость коэффициента объемной ионизации.

3. Зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв от произведения pL имеет вид:

График зависимости напряжения возникновения газового разряда Uв от произведения pL, где р – давление газа, а L – расстояние между электродами, представлен на рисунке 4 для одного газа (аргона) и трех мишеней (железо, платина, никель) и на рисунке 3 для трех газов (аргон, неон, водород) и одной мишени (никель).

Рис. 3. Зависимость напряжения возникновения газового разряда Uв.

Рис. 4. Зависимость напряжения возникновения газового разряда Uв.

В данной лабораторной работе были рассчитаны напряжения возникновения газового разряда при различных условиях (разный коэффициент вторичной электронной эмиссии, зависящий от материала катода и разные константы А и В, зависящие от газа).

Была рассмотрена зависимость , которая определяет количество или число пар «ион-электрон», приходящихся на 1 м длины при давлении 133 Па. Теоретическая и практическая зависимости, представленные на рис. 2, качественно совпадают.

Также был рассмотрены кривые Пашена, представленные на рис. 3 и 4. Так как коэффициент вторичной электронной эмиссии ионно-электронного типа для Fe близок по значению к Ni, кривые почти накладываются друг на друга и лежат ниже кривой для Pt, из чего можно предположить, что, чем меньше тем больше требуется . Экспериментальная и теоретическая зависимости качественно совпадают.

Если меняется газовый состав, то, чем больше порядковый номер газа, тем ниже находится кривая Пашена. У большего порядкового номера больше электронных оболочек и меньшую энергию нужно затратить для вырывания электрона, а, значит, и меньший потенциал нужно приложить.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник