Учебное пособие: Фізичні основи електроніки

З формули (1.6) випливає дещо несподіваний на перший погляд висновок про те, що густина струму насичення jтим більша, чим більша відстань між електродами. Цей висновок справедливий за умови, якщо іонізація відбувається в усьому об’ємі між електродами. Оскільки при струмі насичення кількість іонів, що утворюється за одиницю часу, дорівнює кількості іонів, які щосекунди досягають електродів, тому відповідно і густина струму пропорційна l, бо при більшій відстані між електродами виникатиме більша кількість іонів. Для проміжних значень напруженості електричного поля залежність сили струму від напруженості має складніший характер, тобто закон Ома не виконується.

У цьому випадку, при підвищенні напруги сила струму розряду різко зростає в сотні і тисячі разів. Дослід показує, що при припинені дії іонізатора струм не змінюється. Такий розряд у газах називають самостійним.

Самостійним називають електричний розряд, для підтримання якого не потрібне утворення заряджених частинок під дією зовнішніх факторів. При самостійному розряді генерація і рух зарядів у розрядному проміжку здійснюється тільки за рахунок енергії електричного поля, яке діє між електродами – катодом і анодом.

Якщо електрон, який рухається в електричному полі до анода набуває енергії достатньої для іонізації атомів (молекул) газу при непружному зіткненні, то виникають позитивний іон і новий електрон. При наступному непружному співударі утворюється нова пара носіїв заряду і т. д. Такий процес виникнення електронів та іонів називають електронною або іонною лавиною.

Для розгляду цього процесу кількісно позначимо через α кількість пар іонів, що утворюються внаслідок непружного удару з атомами газу на одиниці довжини шляху. Тоді збільшення густини потоку електронів, що виникає в шарі товщиною dx, виражається співвідношенням

, (1.7)

де n– густина потоку електронів, що входять у перпендикулярному напрямі до поверхні уявно виділеного шару товщиною dxна відстані xвід катода. Якщо вважати, що утворення нових пар електронів і іонів не приводить до істотних змін електричного поля у міжелектродному просторі, то коефіцієнт α можна вважати сталим для даного процесу.

Інтегруючи (1.7), отримуємо

, (1.8)

де С – стала інтегрування. При x=0 величина n дорівнює кількості електронів, що вивільнюються з одиниці площі катода під дією зовнішнього іонізатора, тобто n=n₀ . Отже, С=n₀ . Тоді

. (1.9)

Звідси випливає, що тільки при ударній іонізації розряд не може бути самостійним, оскільки при n₀ =0 n_а також дорівнює нулю. Щоб розряд був самостійним, треба, щоб електронні лавини підтримували самі себе, тобто у газі має відбуватись ще один процес, у результаті якого утворювалися б нові електрони. Одним з таких процесів може бути вторинна електронна емісія з катода при бомбардуванні його іонами. Позначимо кількість електронів, що вивільняються з катода під дією зовнішнього іонізатора і внаслідок вторинної електронної емісії, через n_к . тоді густина потоку електронів на аноді буде

. (1.10)

Внаслідок ударної іонізації електронів, кількість електронів, що виникає в лавині, дорівнює кількості позитивних іонів, які при цьому утворюються, тобто

. (1.11)

При бомбардуванні катода іонами внаслідок вторинної електронної емісії з нього вивільнятиметься електронів , де γ – коефіцієнт пропорційності (для металів γ<1). Тоді, враховуючи одночасну дію зовнішнього іонізатора і вторинну електронну емісію з катода, можна записати, що

. (1.12)

Звідси маємо

. (1.13)

Тоді густина потоку електронів на аноді

. (1.14)

Оскільки на аноді струм газового розряду повністю визначається рухом електронів, то густина струму на основі (1.14) виражатиметься так:

. (1.15)

При стаціонарному режимі розряду густина струму повинна бути однакова у всьому проміжку газового розряду, тому густина струму складатиметься з суми густин електронного j_e і іонного струмів j_i , тобто

j=j_e +j_i .

Аналіз виразу (1.15) свідчить про те, що за умови, коли
, густина струму навіть при припиненні дії зовнішнього іонізатора . Отже, умовою виникнення самостійного розряду є рівність

. (1.16)

напруга при якій виконується умова (1.16), називається напругою запалювання газового розряду.

Електрони для підтримання електронної лавини можуть утворюватись не тільки ударною іонізацією електронами, можлива іонізація атомів та молекул іонами та фотоіонізацією. Крім цього необхідно врахувати і неоднорідність електричного поля, яке зумовлене об’ємними зарядами при іонізації газу. Все це вказує на складність газового розряду. Тому єдиної теорії самостійного газового розряду, яка враховувала б усі процеси, ще не створено.