Вольт-амперною характеристикою (ВАХ) газового розряду називають залежність між струмом розряду I та напругою на розрядному проміжку U, які зазвичай називають анодними.
Напруга на розрядному проміжку
де bст - довжина позитивного стовпа розряду; Ест - градієнт потенціалу (напруженість електричного поля) у стовпі розряду; Uk і U - відповідно падіння напруги в катодній і анодній областях розряду. При цьому градієнт потенціалу уздовж осі позитивного стовпа розряду є майже незмінним (Ест - const) і це одна з характерних особливостей позитивного стовпа розряду. Разом з цим значення цього градієнта потенціалу значно залежать від роду газу або пари металу, в атмосфері яких виникає розряд, від їхнього тиску, а також від струму та діаметра розрядної трубки. Градієнт потенціалу в стовпі розряду зростає при збільшенні тиску газу чи пари металу і зменшується при збільшенні струму розряду і діаметра розрядної трубки.
Вольт-амперна характеристика газового розряду I=f(U) при досить низькому тиску газу і при відсутності спеціального підігрівання катода показана на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Вольт-амперна характеристика газового розряду
Окремі ділянки цієї ВАХ є ВАХ різних стадій розряду. Зняти ВАХ газового розряду можна з допомогою електричного кола, схема якого показана на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Схема електричного кола для зняття ВАХ газового розряду
Початкова ділянка ОА на ВАХ, що показана на рис. 3.3, відповідає розряду, який характеризується дуже малим струмом. Цей струм спричинений дією на газ зовнішніх іонізаторів. Із зростанням напруги на розрядному проміжку струм розряду, якому відповідає ця ділянка ВАХ, збільшується.
Наступна ділянка ВАХ (АВ) визначає режим насичення. Зростання струму в цьому режимі майже припиняється, оскільки практично всі вільні електрони у газі рекомбінувати вже не встигають і досягають анода, тобто утворюють струм. І якщо катод завдяки якому-небудь виду емісії випускає в проміжок між електродами за одну секунду з одиниці своєї робочої (активної) поверхні nе електронів, то густина струму насичення
де ее - заряд електрона.
При подальшому збільшенні анодної напруги (ділянка ВС на ВАХ) все помітнішу роль починає відігравати ударна іонізація атомів і молекул газу електронами і в газі з’являється значна кількість нових (вторинних) вільних електронів і позитивних іонів. І багато які з позитивних іонів, рухаючись під впливом електричного поля до анода, накопичують кінетичну енергію, яка вже є достатньою для виникнення значної вторинної електронної емісії з катода. Чим більша анодна напруга, тим інтенсивнішим стає бомбардування катода позитивними іонами і тим більше вибивається з нього електронів у розрядний проміжок. Цим і пояснюється зростання струму розряду при збільшенні анодної напруги від точки В до точки С на ВАХ.
Під дією бомбардування позитивними іонами катод розігрівається і до автоелектронної та вторинної електронно-іонної емісій з катода додається ще й термоелектронна емісія, яка при значному підвищенні температури катода становиться головною у постачанні розрядного газового проміжку вільними електронами.
Електричний розряд у газі, якому відповідає ділянка ВАХ від точки О до точки С, є несамостійним, оскільки з припиненням дії зовнішніх іонізаторів струм у послідовному електричному колі з розрядним проміжком швидко зменшується до нуля.
Із збільшенням анодної напруги до значення, яке відповідає точці С на ВАХ і має назву напруги запалювання Уз, електричне поле у розрядному проміжку становиться вже настільки сильним, що і багато які електрони, що з’явилися у газі внаслідок ударної іонізації (вторинні), накопичують кінетичну енергію, яка достатня для іонізації атомів і молекул газу. Тому процес ударної іонізації газу лавиноподібно зростає і розрядний проміжок стає надзвичайно іонізованим (плазмою). У ньому кількість позитивних іонів та їхня енергія досягають значень, при яких іони своїм бомбардуванням вже здатні безперервно підтримувати інтенсивну емісію з катода. В результаті розряд становиться самостійним, тобто здатним підтримувати сам себе навіть при відсутності будь-якого впливу на газ зовнішніх іонізаторів.
Згідно з теорією Таунсенда, умовою запалювання самостійного розряду в газі між плоскими електродами є таке співвідношення:
де γ - коефіцієнт поверхневої іонізації, який дорівнює середній кількості електронів, що вибиваються з катода одним позитивним іоном; е - основа натуральних логарифмів; а - коефіцієнт об’ємної іонізації газу електронами, який дорівнює середній кількості актів іонізації, що створюються одним електроном на одиниці довжини шляху; d - відстань між електродами.
Для вибраного газу і матеріалу катода
(3.1)
де p - тиск газу; U - напруга між електродами.
Як випливає із співвідношень (3.1), напруга запалювання U залежить від добутка pd (закон Пашена). Характер цієї залежності для різних газів показаний на рис. 3.5.
Із зменшенням потенціалу іонізації газу і роботи виходу електронів з катода і за інших рівнозначних умов напруга U зменшується. Отже, вона залежить від роду газу, його тиску, матеріалу катода і відстані між електродами, досягаючи мінімального значення Uзmin при певному значенні добутку pd, різному для різних газів. При високих тисках газу і великих відстанях між електродами напруга запалювання може досягати багатьох кіловольт.
Рис. 3.5. Залежність напруги запалювання Uз від добутку pd для різних газів при плоских електродах
Наявність мінімуму в залежностях U=f(pd) має таке пояснення. При невеликих значеннях тиску і тому досить великій довжині вільного пробігу електронів у газі відбувається лише невелика кількість зіткнень електронів з атомами і молекулами газу, завдяки яким виникає іонізація. Зрозуміло, що кількість цих зіткнень зростає зі збільшенням відстані між електродами d, а значить, і зі збільшенням добутку pd. Але при збільшенні цієї відстані відповідно потрібна і більша напруга для запалювання розряду. Навпаки, при високих тисках газу довжина вільного пробігу електронів у ньому невелика, і тому при низькій напрузі невеликою є і кінетична енергія, яку накопичують електрони на довжині вільного пробігу. Для збільшення цієї енергії до рівня, необхідного для запалювання розряду, потрібно відповідно підвищити напругу між електродами.
Оскільки залежності U= f(pd) для різних газів відрізняються одна від одної, то значення напруги запалювання суттєво залежать від домішок, які містяться в основному газі. Так, наприклад, навіть невеликі домішки аргону до неону і пари ртуті до неону чи аргону досить помітно знижують напругу запалювання розряду. Навпаки, домішки азоту, як правило, підвищують напругу запалювання розряду.
Перехід несамостійного розряду в газі у самостійний називається електричним пробоєм газу. Відповідно напруга запалювання U є напругою електричного пробою газового проміжка. Зазвичай вона для розрядних проміжків існуючих РЛ складає десятки і сотні вольт.
Електричний опір розрядного проміжку при виникненні у ньому самостійного розряду (плазми) різко зменшується і струм в електричному колі з таким проміжком може дуже зрости. У РЛ його обмежують, для чого послідовно з РЛ вмикають додатковий електричний опір, який називається баластним (див. рис. 3.4, опір Rб). При цьому за того самого значення напруги джерела живлення Uж напруга на розрядному проміжку U зі збільшенням струму знижується оскільки збільшується падіння напруги на баластному опорі:
(3.2)
При відсутності в електричному колі з розрядним проміжком баластного опору (Лб = 0) струм у ньому відповідно до ВАХ при напрузі запалювання U дуже швидко збільшується до значення, яке визначається точкою М на ВАХ. І, як видно з ВАХ, це значення струму для даного розрядного проміжка при напрузі запалювання на ньому є найбільшим. Подальше збільшення розрядного струму можливе лише при підвищенні напруги на розрядному проміжку.
При наявності в електричному колі баластного опору після виникнення між електродами самостійного розряду напруга на РЛ при збільшенні струму відповідно до співвідношення (3.2) швидко знижується, хоч напруга джерела живлення Uж і лишається такою самою.
Розряд у газі, якому відповідають точки ВАХ від O до D (рис. 3.5), не супроводжується будь-якими світловими чи звуковими явищами. Відповідно його і називають темним або тихим. Він може бути як несамостійним (ділянка ОАВС на ВАХ), так і самостійним (ділянка CD на ВАХ).
Самостійний розряд у газі, для якого розрядний струм і напруга між електродами визначаються точками ВАХ від Е до G, називається тліючим. У нього переходить темний розряд при відповідних змінах розрядного струму і напруги між електродами. Ділянка DE на ВАХ відповідає перехідному до цього розряду стану. Таку назву цей розряд отримав завдяки спокійному, не дуже яскравому світінню. Тліючий розряд, якому відповідають точки ВАХ від Е до F, називається нормальним тліючим, а точки від F до G - аномальним.
При горінні нормального тліючого розряду густина струму ще досить мала (10-5-10-1 А/см2), а, крім цього, вона не залежить від струму, потрібні значення якого установлюють, змінюючи баластний опір і напругу джерела живлення.
При значеннях струму, які відповідають початковим точкам області нормального тліючого розряду на ВАХ, електрони вириваються і вибиваються не з усієї робочої поверхні катода, а лише з невеликої її ділянки, яка світиться. При збільшенні струму пляма на катоді, що світиться, розширюється і відповідно збільшується площа перерізу іонізованого каналу в газі, через яку проходить струм. Зі збільшенням площі перерізу цього каналу його електричний опір RK відповідно зменшується. Цим і пояснюється те, що при горінні нормального тліючого розряду для істотного збільшення розрядного струму потрібне лише незначне збільшення анодної напруги. Густина ж струму на поверхні катода при збільшенні струму залишається майже такою ж, і напруга між електродами теж майже не змінюється (U=RKI - const). Тому ділянка ВАХ, яка відповідає цьому розрядові, є майже горизонтальною лінією.
Нормальний тліючий розряд переходить в аномальний, коли світіння покриє всю робочу поверхню катода. Тоді для збільшення струму вже буде потрібним істотне зростання анодної напруги, оскільки площа перерізу іонізованого газового каналу між електродами вже перестає збільшуватися. Відповідно густина струму в іонізованому каналі та на активній поверхні катода зі збільшенням струму теж зростає.
Після досягнення анодною напругою значення напруги запалювання дуги Uзд (точка G на ВАХ) аномальний тліючий розряд дуже швидко переходить у дуговий, здатний утворювати інтенсивне випромінювання. На ВАХ йому відповідає ділянка НК, а перехідному до цього режиму - ділянка GH.
Виникнення дугового розряду при відсутності спеціального підігрівання катода буває зумовленим посиленим бомбардуванням катода позитивними іонами, через що температура його значно підвищується. Це, в свою чергу, спричинює швидке зростання інтенсивності термоелектронної емісії з катода. Велика кількість електронів, які випускаються катодом, прискорюється електричним полем і спричиняє ударну іонізацію багатьох атомів і молекул газу. В результаті електричний опір прикатодної області та усього газового проміжку Rг при дуговому розряді зменшується настільки різко, що падіння напруги на ньому (тобто напруга на дузі Uд=RдI) знижується навіть більше, ніж зростає струм. Цим і пояснюється те, що ВАХ дугового розряду є спадаючою. Коли ж дуговий розряд виникає при порівняно низькій температурі катода, як це буває у ртутних дугових лампах, то основне значення для його виникнення має автоелектронна емісія з катода. При цьому вона повинна бути дуже інтенсивною, а для цього потрібна досить висока напруга.
Вольт-амперна характеристика розряду, кожна точка якої відповідає усталеному в часі режиму, тобто знята при повільних змінах напруги і струму, називається статичною. Коли ж ВАХ отримана при швидких змінах напруги і струму, то вона називається динамічною.
Статична ВАХ (крива 1) і дві динамічні ВАХ (криві 2 і 3), що відповідають різним швидкостям зменшення розрядного струму від деякого значення І0, показані на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Статична (1) і динамічні (2,3) ВАХ дугового розряду
Через певну інерційність процесів, які виникають у розрядному проміжку, для їхнього встановлення потрібний деякий час. Тому, чим швидше зменшується струм розряду, тим нижче знаходиться динамічна ВАХ розряду відносно статичної і відповідно тим більше відрізняється напруга на розрядному проміжку від напруги на ньому при усталеному режимі. Навпаки, чим швидше змінюється напруга на розрядному проміжку, тим більше відрізняється струм розряду від його значення при усталеному режимі, тобто від значення, яке відповідає статичній ВАХ.