Разрядные лампы. Приэлектродные явления в тлеющих разрядах люминесцентных ламп
Катодные части тлеющего разряда. Качественно картина явлений в катодных частях тлеющего разряда выглядит следующим образом: электроны, испускаемые катодом, имеют настолько малые скорости, что не могут ни возбуждать, ни ионизовать атомы. Они должны пролететь определенное расстояние в электрическом поле, чтобы приобрести энергию, достаточную для возбуждения, а затем для ионизации. Поэтому непосредственно перед катодом существует область, в которой нет свечения (астоново темное пространство). Оно появляется по мере того, как электроны приобретают в электрическом поле энергию, достаточную для возбуждения атомов (катодное свечение), при этом спектральные линии появляются в катодном свечении, считая от поверхности катода, по мере увеличения их потенциала возбуждения.
Возбуждение вызывает только небольшая часть электронов, а основная масса по мере удаления от катода продолжает ускоряться в электрическом поле так, что их энергия становится больше максимумов функций возбуждения и интенсивность свечения постепенно падает, но при этом начинается усиленная ионизация атомов. Вследствие появления положительных ионов, компенсирующих отрицательный заряд, напряженность поля на некотором расстоянии от катода падает. Появившиеся в области темного пространства вторичные электроны, а также первичные электроны, потерявшие энергию при ионизации и возбуждении, вследствие малой величины поля могут накопить только небольшую энергию. Там, где эта энергия будет близка к максимумам функций возбуждения, вновь появится свечение. Это область отрицательного или тлеющего свечения. Теряя постоянно энергию в тлеющем свечении, электроны уже не могут производить возбуждения атомов, вследствие чего яркость тлеющего свечения по мере удаления от катода постепенно убывает, и наступает фарадеево темное пространство. При наличии стенок фарадеево темное пространство на некотором расстоянии переходит в столб.
Часть ионов, образующихся в тлеющем свечении, под действием электрического поля движется к катоду и там, перед катодом, образуется двойной слой пространственного заряда. Ускоряясь в этом слое, ионы падают на катод и передают ему часть своей энергии. За счет ионной бомбардировки происходит выход электронов из катода. Эффективность этого процесса невелика н определяется коэффициентом вторичной эмиссии yi — средним числом электронов, высвобождаемых в расчете на один ион. Значение yi тем больше, чем выше потенциал ионизации газа и чем меньше работа выхода; при энергиях ионов в несколько сот электрон-вольт yt лежит в пределах 0,05—0,1.
Наряду с ионами на катод попадают метастабильные атомы и фотоны, которые, отдавая катоду свою энергию, тоже высвобождают вторичные электроны. Поэтому под коэффициентом вторичной эмиссии обычно понимают сумму Y=Y;4"VM-bV4). которую относят к числу падающих на катод ионов.
Таким образом, устанавливается замкнутый цикл перечисленных выше процессов, который поддерживает самостоятельный тлеющий разряд. В условиях равновесия для поддержания стационарного разряда каждый электрон, испущенный катодом, в среднем производит такое количество ионизации и возбуждений, которое необходимо для освобождения еще одного электрона из катода. Теорию катодных частей тлеющего разряда . Там же приведена библиография.
В условиях нормального тлеющего разряда при изменении силы тока катодное падение потенциала UK, плотность тока на катоде JK и длина катодных частей разряда /к (от поверхности катода до границы тлеющего свечения) остаются постоянными до тех пор, пока свечение не покроет всей поверхности катода. При дальнейшем увеличении силы тока разряд переходит в стадию аномального тлеющего разряда.
В режиме аномального тлеющего разряда повышение силы тока приводит к увеличению плотности тока на катоде, поскольку уже вся поверхность катода занята разрядом. Вместе с ростом тока растет катодное падение потенциала и уменьшается длина катодного темного пространства. Получающиеся из теории кривые качественно правильно отражают фактический ход зависимостей. Экспериментальные значения UK в зависимости от /к/р2, а на plK в зависимости от UK для тлеющего разряда в различных газах с плоским железным катодом.
Увеличение приведенной плотности тока /к/р2 против нормальной приводит к сравнительно слабому возрастанию UK, особенно вначале.
С ростом UK при переходе от нормального к аномальному разряду происходит сначала быстрое, а затем постепенно замедляющееся уменьшение ширины темного пространства. Значение 1,< падает до 1/3—1/5 «нормальной» величины и при дальнейшем росте UK остается практически неизменным.
Значения 1)к.н, JK.H и 1к.н. Величина нормального катодного падения потенциала UK.„ зависит от материала катода, рода наполняющего газа и практически не зависит от его давления. UK.K тем меньше, чем легче освобождаются электроны из катода под действием ударов положительных ионов, метастабильных атомов и фотоэмиссии. Поэтому UK.K имеет наиболее низкое значение для сложных катодов с малой работой выхода электронов при разряде в инертных газах с высокими потенциалами возбуждения, например для сложного цезиевого катода в неоне UK.H^nW В. Наоборот, у катодов из чистых материалов, имеющих большую работу выхода, при разряде в газах с малой энергией возбуждения UK.K имеет наиболее высокое значение, достигающее нескольких сот вольт. Значение UK.H весьма сильно зависит от чистоты газа и поверхности катода. Часто результаты одних и тех же измерений дают большие расхождения, связанные с выделением газов из катода или стенок прибора или взаимодействием между материалом катода и газом. Поэтому приводимые значения следует рассматривать как ориентировочные.
Нормальная плотность тока зависит в основном от рода и давления газа и слабее — от материала катода Зависимость от давления может быть представлена так:
где /он — приведенная нормальная плотность тока на катоде при давлении газа р0 = 133 Па (1 мм рт. ст.) и температуре 20 °С; р—фактическое давление газа; b — показатель степени, значение которого зависит от формы электродов. Для плоских электродов Ь=2.
Ниже даны значения /0н для плоских катодов из Fe и Ni в разных газах. Значения не отличаются большой точностью по причинам, указанным выше; /о„ составляет 10~6 А/см2 для различных газов при р0= 133,3 Па.
Материал катода
Существенное влияние на /он оказывает нагревание газа у катода и связанное с этим уменьшение его плотности. У полых катодов /0н значительно выше, чем у плоских.
Ширина нормального катодного темного пространства при увеличении Давления уменьшается приблизительно обратно пропорционально давлению. Чем легче происходит ионизация газа и чем меньше работа выхода электронов из катода, тем меньше. Лампы накаливания.
Катодное распыление и «жестчение». Катодное распыление вредно сказывается на работе электродов и лампы, и поэтому необходимо принимать меры по его уменьшению. Частицы распыляющегося с поверхности катода вещества, осаждаясь на поверхности колбы, уменьшают ее прозрачность; кроме того, катодное распыление способствует поглощению газа, что приводит к постепенному снижению его давления — «жестчеиию». Этот процесс особенно заметен при малых давлениях поглощаемого газа и вызывает изменение U3 и ?/к. В результате может прекратиться работа лампы из-за повышения U3 выше t/пнт или из-за недостатка газа для существования разряда. Особенно опасно катодное распыление для сложных катодов с пленкой активного вещества на поверхности. При разрушении этой пленки повышается UK, а это в свою очередь ведет к росту катодного распыления.
Катодное распыление происходит за счет передачи катоду энергии положительных ионов главным образом в виде импульса и лишь частично связано с локальным перегревом поверхности катода. Количество вещества, распыляющегося с единицы поверхности катода в единицу времени gu для практических целей может быть определено из эмпирической формулы
gi=c/K(c/K— с/ко),
где UKo — минимальное катодное падение, ниже которого не наблюдается распыление.
Значение UK0 зависит от рода наполняющего газа и свойств поверхности катода. По экспериментальным данным для работы оксидных катодов в неоне [?'ко=5к27 В, в аргоне 25 В, в парах ртути 20—14 В.
Для снижения катодного распыления необходимо устранять все острые края и заусенцы на катоде, так как около них образуются высокие напряженности электрического поля. Катодное распыление может быть существенно снижено путем применения полых катодов и активирования их внутренней поверхности. В этом случае уменьшается UK и распыляющиеся частицы в значительной мере вновь попадают на катод. Настольные лампы.
Анодные явления в разрядах низкого давления. Весь ток на анод переносится электронами, поскольку анод практически не эмиттирует ионов. Качественно анод ведет себя подобно зонду, погруженному в плазму. Хаотический ток электронов на зонд, находящийся при потенциале плазмы (?/а = 0), как известно из теории, равен :
/сх = (e«A/4) Sa = eneSa VkTj2^me,
где Sa — действующая площадь анода.
Если ток разряда / больше хаотического тока электронов /еХ, то анод заряжается положительно относительно плазмы (а>0), и это приводит к дополнительному притоку электронов. Наоборот, если ток разряда меньше /ех, то у анода образуется отрицательный заряд, который тормозит поступление электронов из плазмы. Таким образом, знак и величина анодного падения поддерживают концентрацию заряженных частиц перед анодом на уровне, который обеспечивает поступление на анод тока электронов, равного разрядному.
Рассмотренная выше упрощенная теория не объясняет целый ряд наблюдаемых на аноде явлений, поскольку не учитывает весьма значительного обратного воздействия анода на плазму. Поэтому более правильно подходить к объяснению механизма анодных явлений, исходя из условий генерации и исчезновения ионов около действующей поверхности анода (обзор и библиографию)
Специальные источники света, Настольные лампы, Бра, Торшеры