Quel phénomène est appelé décharge luminescente ? Types de rejets

Sur la fig. 3-26, et montre l'apparition d'une décharge luminescente, caractérisée par une alternance de couches de gaz sombres et lumineuses, appelées :

1. première région sombre cathodique ;
2. première lueur cathodique ;
3. deuxième région sombre cathodique ;
4. deuxième lueur cathodique (lueur cathodique);
5. Région sombre de Faraday ;
6. colonne de décharge ;
7. région sombre de l'anode ;
8. lueur d'anode.

Riz. 3-26. Décharge luminescente :
une - apparence;
b - répartition de l'intensité de la lueur ;
c - distribution potentielle ;
g - intensité de champ ;
d - répartition des charges d'espace.

La chute de potentiel cathodique lors d'une décharge luminescente normale (seule une partie de la surface de la cathode est recouverte de lueur) dépend du matériau de la cathode et du type de gaz et ne dépend pas de la pression et du courant du gaz (Tableau 3-16).

Tableau 3-16

La largeur de la région de chute de potentiel cathodique normale dépend du matériau de la cathode et du type de gaz. La dépendance à la pression du gaz est déterminée par la relation.

Une décharge luminescente normale est caractérisée par une proportionnalité entre la zone de la cathode couverte par la lueur et le courant, c'est-à-dire une densité de courant constante (normale) à la cathode (tableau 3-17).

Tableau 3-17

Lorsque la pression du gaz p0 change, la densité de courant normale change selon la loi

où est la densité de courant normale à la cathode à ; - constante, fonction de la géométrie des électrodes et du type de gaz. Avec des électrodes plates généralement (pour Ne=1,5).

Lorsque, avec une augmentation du courant anodique, toute la surface de la cathode est recouverte d'une lueur, la chute de potentiel cathodique commence à augmenter avec l'augmentation de la densité de courant. Cette chute cathodique est appelée chute de potentiel cathodique anormale, et la décharge elle-même est appelée décharge luminescente anormale.

Dans une décharge luminescente anormale, une augmentation de la densité de courant s'accompagne d'une diminution de la largeur de la section de la goutte de potentiel cathodique.

Sur la fig. 3-27 montre des courbes universelles théoriquement calculées de la dépendance de la chute de potentiel cathodique anormale et de la largeur de la section de chute de potentiel cathodique sur la densité de courant. Leur accord avec les données expérimentales est satisfaisant pour les calculs techniques.

Riz. 3.27

Les zones proches de la cathode de la décharge 1-4 (Fig. 3-26), dans lesquelles la chute de potentiel cathodique est concentrée, sont vitales pour l'existence d'une décharge luminescente. Les régions 5 (région sombre de Faraday) et 6 (colonne de décharge) sont des régions de décharge passive avec une bonne conductivité électrique, reliant l'anode aux régions cathodiques de la décharge.

Dans la colonne de décharge, le gaz est dans un état hautement ionisé et les concentrations d'électrons et d'ions sont approximativement égales, c'est-à-dire que la charge d'espace est compensée. Un gaz dans cet état est appelé plasma.

Au fur et à mesure que l'anode se rapproche de la cathode, la colonne de décharge se contracte puis disparaît.

Un rapprochement supplémentaire des électrodes d'une certaine distance critique conduit à la disparition des sections anodiques de la décharge. Dans ce cas, la chute de tension aux bornes de la décharge diminue de la valeur de la chute de potentiel anodique, approximativement égale au potentiel d'ionisation du gaz.

Une décharge luminescente est une décharge électrique indépendante dans un gaz avec des électrodes froides à des courants de -5 -1 A, qui présente une structure caractéristique sous la forme de zones lumineuses alternées de différentes couleurs et de différentes intensités de luminescence. Une caractéristique d'une décharge luminescente est une chute de potentiel importante près de la cathode, s'élevant à 100 V et plus, tandis que dans une décharge en arc, elle est de l'ordre de grandeur du potentiel d'ionisation du gaz (environ 10 V). Dans la littérature étrangère, cette forme de décharge est appelée décharge luminescente.

Une particularité de la décharge luminescente, par rapport à la décharge de Townsend (décharge avec électrodes froides et densité de courant très faible), est le rôle important du champ électrique des charges d'espace. Cela conduit à une répartition inégale du potentiel dans l'espace de décharge et à une différence significative entre la tension d'allumage et la tension de combustion de décharge.

La place d'une décharge luminescente parmi d'autres types de décharge peut être représentée à l'aide de la Fig. 1.

Riz. 1.

À des courants de 10 -5 -10 -4 A, il y a une transition d'une décharge Townsend sombre à une décharge luminescente normale, caractérisée par une partie décroissante de la caractéristique courant-tension. Dans la plage de courant de 10 -4 -10 -2 A, une décharge luminescente normale se produit, dont la caractéristique courant-tension est une ligne droite parallèle à l'axe du courant.

Ainsi, dans une décharge luminescente normale, la tension entre les électrodes ne dépend pas de l'intensité du courant. Dans une décharge luminescente normale, seule une partie de la surface de la cathode est recouverte par la décharge. À mesure que le courant augmente, la partie de la surface occupée par la décharge augmente de sorte que la densité de courant reste constante. La nature des forces provoquant l’expansion de la surface cathodique participant à la décharge reste floue. La constance de la tension de combustion d'une décharge luminescente normale lorsque le courant de décharge varie sur une large plage est utilisée dans les stabilisateurs de tension à décharge gazeuse - des dispositifs qui maintiennent une valeur constante de la tension d'entrée lorsque le courant consommé par le circuit change.

À des courants de 10 -2 -1A, une décharge luminescente anormale se produit avec une caractéristique courant-tension croissante. À des courants encore plus élevés, on observe une transition d'une décharge luminescente à un arc avec une caractéristique courant-tension décroissante. Une décharge lumineuse anormale occupe toute la surface de la cathode et, par conséquent, à mesure que le courant augmente, la densité de courant augmente également.

Riz. 2. :

1,3,5,7 - espaces sombres : 1 - aston, 3 - cathode, 5 - faraday, 7 - anode ; 2, 4, 6 - zones lumineuses : 2 - couche cathodique, 4 - lueur négative, 6 - colonne positive, 8 - lueur anodique

Les principaux processus qui assurent une décharge indépendante sont effectués dans les parties cathodiques de la décharge et au niveau de la cathode elle-même. Une décharge luminescente ne peut exister sans ces phénomènes. Lorsque la position de la cathode dans l'espace change, les parties de la cathode se déplacent avec elle sans changer de structure. La colonne positive, au contraire, ne constitue pas une partie essentielle de la décharge. Si, lors d'une décharge existante, l'anode est rapprochée de la cathode, alors cette zone de décharge particulière est réduite. Les parties anodiques ne sont pas non plus nécessaires à l'existence de la décharge ; elles représentent une zone de transition entre la colonne positive et l'anode métallique.

Dans les parties cathodiques de la décharge, le mouvement directionnel prédominant des particules chargées (électrons et ions positifs), tandis que la colonne positive est un exemple typique de plasma à basse température non isotherme à décharge gazeuse, dans lequel le mouvement chaotique des charges domine. Conformément à cela, le rôle des parois limitant le gaz ionisé dans les parties cathodiques est insignifiant, mais dans la colonne positive il est important.

Une décharge luminescente est une décharge électrique indépendante dans un gaz avec des électrodes froides à des courants de 10 -5 -1 A. Elle présente une structure caractéristique sous la forme d'une alternance de zones lumineuses de différentes couleurs et de différentes intensités de luminescence. Une caractéristique d'une décharge luminescente est une chute de tension importante à proximité de la cathode, s'élevant à plus de cent volts. Dans la littérature étrangère, cette forme de décharge est appelée décharge luminescente.

La structure caractéristique d’une décharge luminescente normale est représentée sur la Fig. 2. Les parties cathodiques de la décharge sont adjacentes à la cathode, suivies d'une colonne positive; une région anodique relativement courte est située près de l'anode.

Les principaux processus qui assurent une décharge indépendante se produisent dans les parties cathodiques de la décharge et au niveau de la cathode elle-même. Une décharge luminescente ne peut exister sans ces processus. Lorsque la position de la cathode dans l'espace change, les parties de la cathode se déplacent avec elle sans changer de structure. La colonne positive, au contraire, ne constitue pas une partie essentielle de la décharge. Si, lors d'une décharge existante, l'anode est rapprochée de la cathode, alors cette zone de décharge particulière est réduite. Les parties anodiques ne sont pas non plus nécessaires à l'existence de la décharge ; elles représentent une zone de transition entre la colonne positive et l'anode métallique.

Dans les parties cathodiques de la décharge, le mouvement directionnel prédominant des particules chargées (électrons et ions positifs), tandis que la colonne positive est un exemple typique de plasma à décharge gazeuse, dans lequel le mouvement chaotique des charges domine. Conformément à cela, le rôle des parois limitant le gaz ionisé dans les parties cathodiques est insignifiant, mais dans la colonne positive il est important.

Avant de passer à une description des phénomènes se produisant dans différentes régions d'une décharge luminescente, attardons-nous brièvement sur les caractéristiques générales des processus qui assurent l'existence d'une décharge indépendante.

Les électrons sont émis par la cathode en raison du bombardement de sa surface par des ions accélérés par un champ puissant à proximité de la cathode et des atomes rapides, ainsi qu'en raison de l'effet photoélectrique résultant du rayonnement de recombinaison des composants du plasma. Ces électrons, accélérant vers l'anode, acquièrent une énergie suffisante pour ioniser les atomes. Les nouveaux électrons créés lors de l'ionisation du gaz sont à nouveau accélérés par le champ, et les ions positifs volent vers la cathode et, bombardant sa surface, provoquent l'émission de nouveaux électrons.

Si les conditions d'ionisation du gaz dans les parties cathodiques et d'injection d'électrons depuis la cathode sont telles que chaque électron émis par la cathode produit tellement d'actes d'ionisation et d'excitation des atomes que, du fait de l'effet photoélectrique et du bombardement du cathode avec des ions et des atomes, un nouvel électron apparaît à la cathode, puis il y a un équilibre dynamique des charges nouvellement apparaissant et allant à la cathode ou dans la colonne positive. De cette manière, le processus est autonome ; la décharge ne dépend pas de sources extérieures d’ionisation, c’est-à-dire qu’elle est indépendante. Le rôle de la colonne positive est de fournir un circuit de courant fermé dans la décharge. Si l'anode est déplacée si près de la cathode que seules les parties de la cathode restent, alors un circuit de courant fermé est fourni sans colonne positive, les conditions de régénération des particules chargées sont remplies et une décharge luminescente peut exister. À mesure que l'anode s'approche, la décharge soit s'arrête (s'éteint), car les conditions de restauration de la charge ne sont pas remplies, soit nécessite pour son existence une tension anodique plus élevée, à laquelle les processus nécessaires à l'auto-entretien de la décharge se produisent plus intensément. (décharge difficile).

Comme on peut le voir sur la Fig. 2, plusieurs régions caractéristiques peuvent être distinguées dans une décharge luminescente. Directement à côté de la cathode se trouve l’espace sombre Aston. Les électrons émis par la cathode ont de faibles vitesses (de l'ordre de l'électron-volt), insuffisantes pour exciter les atomes de gaz, et donc près de la cathode, dans tous les gaz, il y a une région où il n'y a pas de lueur de gaz. Dans un champ électrique puissant, les électrons sont accélérés et, après avoir traversé l'espace sombre d'Aston, acquièrent une énergie suffisante pour exciter les atomes. La région lumineuse derrière l'espace sombre d'Aston correspond à des énergies électroniques proches du maximum de la fonction d'excitation des atomes d'un gaz donné. Il n'y a pas encore d'ionisation de gaz dans cette région, car la probabilité d'ionisation à ces énergies est encore faible. Cette zone est appelée première couche cathodique ou film lumineux cathodique. Le rayonnement a un spectre de raies. Le film lumineux cathodique est suivi de l'espace sombre cathodique, également appelé espace sombre de Gittorff ou de Crookes.

Parfois, l'espace sombre de la cathode représente toute la zone allant de la cathode jusqu'à la limite de la partie suivante - la lueur négative. Cette région représente une partie importante de la tension, appelée chute de potentiel cathodique ; L'intensité du champ ici est nettement plus élevée que dans d'autres parties de la décharge. Dans cette région, la lueur du gaz est plus faible, car l'énergie des électrons est bien supérieure à l'énergie du maximum de la fonction d'excitation. Cette énergie est suffisante pour provoquer l'ionisation du gaz.

Les électrons résultant de l'ionisation des atomes sont accélérés par le champ et se déplacent vers l'anode vers la limite de la lueur négative. Les ions positifs sont également accélérés par le champ et se déplacent vers la cathode. Le flux d'ions vers la cathode peut être observé par la lueur qu'ils provoquent dans le gaz derrière la cathode si un trou est pratiqué dans la cathode. Dans ce cas, les ions volent dans l’espace du coucher du soleil, formant des rayons de coucher ou de canal. Si une coupe de Faraday est placée sur leur chemin et qu'un potentiel positif y est appliqué, ce qui ralentit les ions, alors des données sur l'énergie des ions sont obtenues. De la même manière, en étudiant le flux d'électrons à travers un trou dans l'anode, qui est déplacé vers la limite cathodique des parties cathodiques de la décharge, on peut obtenir des informations sur la distribution d'énergie des électrons.

À basses pressions et hautes tensions anodiques (décharge anormale), le flux d'électrons se déplaçant vers la limite de la lueur négative est presque monoénergétique avec une énergie égale à eoik. La vitesse de déplacement des ions est nettement inférieure à la vitesse de déplacement des électrons, ce qui entraîne un excès de charge spatiale formé d'ions positifs dans la région de l'espace sombre de la cathode. Cette charge déforme considérablement le champ électrique dans cette région. La question de la répartition du champ dans une décharge luminescente, qui représente une superposition du champ extérieur et du champ de la charge d'espace, est un enjeu important pour la théorie de ce type de décharge.

Dans une décharge luminescente normale, l'ampleur de la chute de potentiel cathodique IR dépend du degré de pureté du gaz et du matériau de la cathode. En plus de la chute de potentiel cathodique, une décharge luminescente normale est également caractérisée par une densité de courant normale i et la largeur de l'espace cathodique sombre.

La région de l’espace sombre de la cathode est suivie d’une lueur négative. Cette partie de la décharge présente une limite nette du côté cathodique et une limite floue du côté anode. Le champ électrique y est petit. Le gaz ionisé est un plasma presque quasi neutre, dans lequel pénètre un flux d'électrons rapides provenant de l'espace sombre de la cathode. Le rôle des électrons rapides dans cette région est indiqué par une relation directe entre l’énergie des électrons et la longueur de la lueur négative. En plus des électrons rapides, dans la lueur négative, il y a un nombre important d'électrons lents qui ont subi des collisions inélastiques dans l'espace sombre de la cathode et ont perdu la majeure partie de leur énergie. Ces électrons ont des énergies proches du maximum de la fonction d’excitation et font briller le gaz avec un spectre de raies déterminé par la nature des atomes. De plus, une émission de lueur négative peut être provoquée par une recombinaison de charges, dont la probabilité est élevée pour les électrons lents.

Vers l'anode, l'intensité du champ augmente légèrement et l'intensité lumineuse de cette région de décharge diminue progressivement en raison d'une diminution de la probabilité de recombinaison. Le rôle des ions apparaissant dans la lueur négative et diffusant dans l’espace sombre de la cathode est apparemment faible dans le maintien d’une décharge normale. Leur valeur augmente dans les décharges anormales à forte densité de courant.

Après la lueur négative, l'espace sombre de Faraday est la région de transition entre les parties cathodiques et la colonne positive. Ici, les électrons acquièrent de l'énergie dans un champ électrique faible, mais cette énergie se manifeste dans leur mouvement chaotique. Au début de la colonne positive, il augmente tellement qu'il y a une excitation et une ionisation notables des atomes de gaz par les électrons. Une différence significative entre l'espace sombre de Faraday et l'espace sombre de la cathode est que dans le premier, l'énergie électronique est trop faible pour provoquer une lueur gazeuse, et dans le second, elle est trop élevée.

La colonne positive d'une décharge luminescente est un plasma avec une faible intensité de champ (par rapport à l'espace sombre de la cathode). À courant stationnaire, l’intensité du champ est réglée pour compenser la perte de particules chargées. Ces pertes sont dues soit à la diffusion d'électrons et d'ions sur les parois du tube (si la longueur de la colonne positive est nettement supérieure à son diamètre), soit à l'anode et dans les régions cathodiques (dans le cas d'une courte longueur positive). colonne), soit par la recombinaison de porteurs de charge dans le volume. A très basse pression de gaz, lorsque le libre parcours moyen des ions est supérieur au rayon du tube, les particules se déplacent vers les parois en « chute libre » et se recombinent à la surface du tube. Ainsi, la colonne positive peut être considérée comme une région de décharge indépendante, existant dans une certaine mesure indépendamment des parties cathodiques.

Une colonne positive se produit non seulement dans une décharge luminescente, mais également dans un arc basse pression avec une cathode chauffée. Le plasma d’une décharge haute fréquence ressemble également à une colonne positive à bien des égards. Les propriétés de la colonne positive dans différents types de refoulement basse pression sont largement identiques. Dans de nombreux cas (selon certains chercheurs), la colonne positive présente une structure en couches sous forme de couches stationnaires ou mobiles le long de l'axe du tube, appelées strates.

Près de l'anode, il y a un espace sombre et étroit et une lueur anodique. L'apparence de ces pièces est associée aux conditions aux limites à l'anode. Les électrons sont attirés par l'anode, les ions positifs sont repoussés. Une charge d'espace négative se forme devant l'anode, provoquant un changement de potentiel de l'ordre du potentiel d'ionisation du gaz. Si vous rapprochez l'anode de la cathode pour qu'elle tombe dans l'espace sombre de Faraday, alors la chute de potentiel anodique disparaît.

La couleur des différentes parties de la décharge dépend du gaz dans lequel elle se produit. Le plus souvent, la décharge se produit avec des électrodes métalliques. Mais il peut également exister avec des électrodes métalliques recouvertes de verre ou avec des électrodes non métalliques. La conductivité électrique des électrodes non métalliques ou du verre est associée à leur échauffement lors de la décharge. Les processus physiques à la surface de ces électrodes n’ont pas été suffisamment étudiés.

En fonction de la pression du gaz, de la configuration des électrodes et des paramètres du circuit externe, il existe quatre types de décharges indépendantes :

• décharge luminescente ;
• décharge d'étincelles ;
• décharge en arc ;
• décharge corona.

1. Décharge luminescente se produit à basse pression. On peut l'observer dans un tube de verre doté d'électrodes métalliques plates soudées aux extrémités (Fig. 8.5). Près de la cathode se trouve une fine couche lumineuse appelée film lumineux cathodique 2.

Entre la cathode et le film il y a L'espace sombre d'Aston 1. A droite du film lumineux est placée une couche faiblement lumineuse appelée espace sombre de la cathode 3. Cette couche pénètre dans une zone lumineuse appelée lueur couvante 4, l'espace qui couve est bordé par un espace sombre - Espace sombre de Faraday 5. Toutes les couches ci-dessus se forment partie cathodique décharge luminescente. Le reste du tube est rempli de gaz incandescent. Cette partie s'appelle colonne positive 6.

À mesure que la pression diminue, la partie cathodique de la décharge et l'espace sombre de Faraday augmentent et la colonne positive se raccourcit.

Les mesures ont montré que presque toutes les chutes potentielles se produisent dans les trois premières sections de la décharge (espace sombre d'Aston, film lumineux cathodique et point sombre cathodique). Cette partie de la tension appliquée au tube est appelée chute de potentiel cathodique.

Dans la région de la lueur couvante, le potentiel ne change pas - ici l'intensité du champ est nulle. Enfin, dans l’espace sombre de Faraday et la colonne positive, le potentiel augmente lentement.

Cette distribution de potentiel est provoquée par la formation d’une charge d’espace positive dans l’espace sombre de la cathode, en raison de la concentration accrue d’ions positifs.

Les ions positifs, accélérés par la chute de potentiel cathodique, bombardent la cathode et en expulsent les électrons. Dans l'espace sombre d'Aston, ces électrons, volant sans collision dans la région de l'espace sombre de la cathode, ont une énergie élevée, de sorte qu'ils ionisent plus souvent les molécules qu'ils ne les excitent. Ceux. L'intensité de la lueur du gaz diminue, mais de nombreux électrons et ions positifs se forment.

Les électrons générés dans l’espace sombre de la cathode pénètrent dans la région de lueur couvante, caractérisée par une forte concentration d’électrons et d’ions positifs et une charge d’espace polaire proche de zéro (plasma). Par conséquent, l’intensité du champ est ici très faible.

Dans la région de la lueur couvante, un processus de recombinaison intense a lieu, accompagné de l'émission d'énergie libérée au cours de ce processus. Ainsi, la lueur couvante est principalement une lueur de recombinaison.

2. De la région de lueur couvante jusqu’à l’espace sombre de Faraday, les électrons et les ions pénètrent par diffusion. La probabilité de recombinaison diminue ici considérablement, car la concentration de particules chargées est faible. Par conséquent, il existe un champ dans l’espace sombre de Faraday. Les électrons entraînés par ce champ accumulent de l’énergie et finissent souvent par créer les conditions nécessaires à l’existence d’un plasma. La colonne positive représente le plasma à décharge gazeuse. Il agit comme un conducteur reliant l’anode aux parties cathodiques de la décharge. La lueur de la colonne positive est principalement provoquée par les transitions des molécules excitées vers l’état fondamental. Décharge d'étincelles se produit dans le gaz généralement à des pressions de l’ordre de la pression atmosphérique. Il se caractérise par une forme intermittente. En apparence, une décharge d'étincelle est un groupe de fines rayures brillantes ramifiées en zigzag qui pénètrent instantanément dans l'espace de décharge, s'éteignent rapidement et se remplacent constamment (Fig. 8.6). Ces bandes sont appelées.

canaux d'étincelles T gaz = 10 000 K ~ 40cm je = 100 kA t = 10 –4 s je

~ 10km

Une fois que l'espace de décharge est « percé » par le canal d'étincelle, sa résistance devient faible, une impulsion à court terme de courant élevé traverse le canal, pendant laquelle seule une petite tension tombe sur l'espace de décharge. Si la puissance de la source n'est pas très élevée, la décharge s'arrête après cette impulsion de courant.



3. La tension entre les électrodes commence à augmenter jusqu'à sa valeur précédente et le claquage du gaz se répète avec la formation d'un nouveau canal d'étincelle. . Dans des conditions naturelles, une décharge d'étincelles est observée sous forme de foudre. La figure 8.7 montre un exemple de décharge d'étincelle - foudre, durée 0,2 ÷ 0,3 avec une intensité de courant de 10 4 - 10 5 A, longueur 20 km (Fig. 8.7). décharge en arc(Fig. 8.8).

~ 10 3 A
Riz. 8.8

Dans ce cas, le courant augmente fortement, atteignant des dizaines et des centaines d'ampères, et la tension aux bornes de l'espace de décharge chute à plusieurs dizaines de volts. Selon V.F. Litkevich (1872 - 1951), la décharge en arc est maintenue principalement grâce à l'émission thermoionique de la surface de la cathode. En pratique, cela signifie du soudage et des fours à arc puissants.

4. Décharge corona (Fig. 8.9). se produit dans un champ électrique fort et non uniforme à des pressions de gaz relativement élevées (de l'ordre de la pression atmosphérique). Un tel champ peut être obtenu entre deux électrodes dont la surface de l'une présente une grande courbure (fil fin, pointe).

La présence d'une deuxième électrode n'est pas nécessaire, mais son rôle peut être joué par des objets métalliques proches et environnants mis à la terre. Lorsque le champ électrique à proximité d'une électrode à grande courbure atteint environ 3∙10 6 V/m, une lueur apparaît autour d'elle, ressemblant à une coquille ou à une couronne, d'où le nom de la charge.

Les processus évoqués ci-dessus jouent un rôle important dans l'apparition et le maintien de ce que l'on appelle la décharge luminescente (voir annexe 1.1).

Cette forme de décharge gazeuse est pratique à observer à pression de gaz réduite. Si une tension constante de plusieurs centaines de volts est appliquée à des électrodes soudées dans un tube de verre de 30 à 50 cm de long, puis que l'air est progressivement pompé hors du tube, les phénomènes suivants sont observés. À pression atmosphérique, la tension appliquée n’est pas suffisante pour provoquer un claquage du gaz et le tube reste sombre. Lorsque la pression du gaz diminue (environ 5,3-6,7 kPa), à un moment donné, une décharge apparaîtra dans le tube, qui ressemblera à un cordon lumineux reliant l'anode et la cathode du tube. Avec une nouvelle diminution de la pression (environ 1,3 Pa), ce filament se dilate et remplit toute la section transversale du tube, et la lueur près de la cathode s'affaiblit.

À des pressions de gaz de l'ordre de 0,1 à 0,01 mm. art. Art. la décharge ressemble à la Fig. 3.1.1.

Directement adjacente à la cathode se trouve une fine couche lumineuse 1 (la première lueur cathodique, ou film cathodique), suivie d'une couche sombre 2, appelée espace sombre cathodique. Cet espace sombre passe ensuite dans la couche lumineuse 3 (lueur couvante), qui présente une limite nette côté cathode et disparaît progressivement côté anode. Cela se produit en raison de la recombinaison d’électrons avec des ions positifs. Derrière la lueur couvante, un espace sombre 4 est à nouveau observé, appelé deuxième espace sombre ou espace sombre de Faraday. Ces parties sont appelées parties cathodiques de la décharge. Au-delà du deuxième espace sombre se trouve une région lumineuse 5 s'étendant jusqu'à l'anode, ou colonne positive. Dans certains cas, cette colonne se divise en plusieurs couches, ou strates.

Seules deux de ses parties sont particulièrement importantes dans une décharge luminescente : l'espace sombre de la cathode et la lueur, dans lesquelles se produisent les principaux processus qui soutiennent la décharge. Si vous rendez l'anode mobile dans un tube à décharge et la déplacez progressivement vers la cathode (Fig. 3.1.1), alors toutes les parties de la cathode restent inchangées et seule la colonne positive est raccourcie. Avec une nouvelle diminution de la longueur de l'espace de décharge, l'espace sombre de la deuxième cathode commence à se raccourcir et lorsque l'anode entre dans la lueur couvante, elle disparaît complètement. Cependant, la décharge continue d'exister. Lorsque l'anode, avec une nouvelle diminution de la distance, s'approche de la limite entre le premier espace cathodique et la lueur, la décharge s'éteint.

La caractéristique d’une décharge luminescente est une distribution de potentiel spéciale sur la longueur du tube. Il peut être déterminé en soudant dans le tube un certain nombre d'électrodes supplémentaires - des sondes situées à différents endroits du tube, et en connectant un voltmètre à haute résistance entre la cathode et la sonde correspondante. La totalité de la chute de potentiel de la décharge se produit dans la région de l'espace sombre de la cathode. Cette différence de potentiel entre la cathode et la limite lumineuse est appelée chute de potentiel cathodique. L'expérience montre que si le courant dans la décharge n'est pas très élevé, l'ampleur de la chute de potentiel cathodique ne dépend pas de l'intensité du courant (chute de potentiel cathodique normale). La modification du courant ne modifie que la taille de la surface lumineuse sur la cathode, qui augmente avec l'augmentation du courant. Lorsque le courant atteint une valeur telle que le film cathodique recouvre toute la surface de la cathode, la chute de potentiel cathodique commence à augmenter avec l'augmentation du courant (chute de potentiel cathodique anormale).

Il est essentiel pour comprendre les processus dans une décharge luminescente que l'ampleur de la chute de potentiel cathodique normale dépend uniquement du matériau de la cathode et du type de gaz, et la chute de potentiel cathodique s'avère être proportionnelle au travail de sortie des électrons quittant la cathode.

Les propriétés considérées d’une décharge luminescente conduisent à l’image suivante des processus soutenant la décharge. Les ions positifs formés à la suite de l'ionisation par impacts électroniques (dans la lueur et dans la colonne positive) se déplacent vers la cathode et, en passant par la région de la chute de potentiel cathodique, acquièrent une énergie importante. Sous l'influence d'un bombardement intense par des ions positifs rapides (ainsi que sous l'effet photoélectrique provoqué par le rayonnement de décharge), des électrons sont émis depuis la cathode et se dirigent vers l'anode. Ces électrons dans la région de la chute de potentiel cathodique sont fortement accélérés et lors de collisions ultérieures avec des atomes de gaz, ils sont ionisés. En conséquence, des ions positifs apparaissent à nouveau qui, se précipitant à nouveau vers la cathode, produisent de nouveaux électrons, etc. Ainsi, les principaux processus favorisant la décharge sont l'ionisation par impacts d'électrons dans le volume et l'émission d'électrons secondaires à la cathode.

L'existence de l'espace sombre cathodique s'explique par le fait que les électrons ne commencent pas à entrer en collision avec les atomes de gaz immédiatement, mais seulement à une certaine distance de la cathode. La largeur de l’espace sombre de la cathode est approximativement égale au libre parcours moyen des électrons : elle augmente avec la diminution de la pression du gaz. Dans l’espace sombre de la cathode, les électrons se déplacent donc pratiquement sans collision, formant des rayons électroniques ou cathodiques. Si de petits trous sont percés dans la cathode, alors les ions positifs bombardant la cathode, passant à travers les trous, pénètrent dans l'espace derrière la cathode et forment un faisceau fortement limité, appelé rayons canal (ou positifs), du nom du signe du charge qu’ils portent.

La répartition des concentrations d'ions et d'électrons positifs dans les différentes parties de la décharge est très différente. Étant donné que les ions positifs se déplacent beaucoup plus lentement que les électrons, la concentration d’ions à la cathode est bien supérieure à la concentration d’électrons. Par conséquent, une forte charge spatiale positive apparaît à proximité de la cathode, ce qui provoque l’apparition d’une chute de potentiel cathodique. Au contraire, dans la région de la colonne positive, les concentrations d’ions et d’électrons positifs sont presque les mêmes et il n’y a pas de charge d’espace ici. En raison de la forte concentration d’électrons, la colonne positive a une bonne conductivité électrique et donc la chute de tension à ses bornes est très faible.

Étant donné que la colonne positive contient à la fois des ions positifs et des électrons, une recombinaison intense des ions se produit ici, ce qui explique la lueur de la colonne positive.

Nous voyons que la chute de potentiel cathodique est nécessaire pour maintenir la décharge luminescente. C'est grâce à sa présence que les ions positifs acquièrent l'énergie nécessaire à la formation d'une intense émission d'électrons secondaires à partir de la cathode, sans laquelle la décharge luminescente ne pourrait exister. Par conséquent, la chute de potentiel cathodique est la caractéristique la plus caractéristique d’une décharge luminescente, distinguant cette forme de décharge gazeuse de toutes les autres formes.

La décharge luminescente est largement utilisée comme source de lumière dans divers tubes lumineux à gaz. Dans les lampes fluorescentes, le rayonnement de décharge luminescente est absorbé par une couche de substances spéciales déposées sur la surface intérieure du tube, qui à leur tour commencent à briller sous l'influence du rayonnement absorbé. Grâce à une sélection appropriée de ces substances (luminophores), le rayonnement qu'elles émettent peut être proche de la lumière du jour. De tels tubes s'avèrent plus économiques que les lampes à incandescence classiques.

Les tubes à gaz sont également utilisés à des fins publicitaires et décoratives, pour lesquelles ils reçoivent les contours de diverses figures et lettres. En remplissant les tubes avec différents gaz, vous pouvez obtenir une lueur de différentes couleurs (rouge pour le néon, vert bleuâtre pour l'argon).

En profitant du fait que la chute de potentiel cathodique dépend du matériau de la cathode, il est possible de réaliser des tubes à gaz avec une faible tension d'amorçage. Ainsi, par exemple, dans une lampe au néon, dans laquelle les électrodes sont deux feuilles de fer recouvertes d'une couche de baryum, en raison du faible travail de travail des électrons du baryum, la chute de potentiel de la cathode n'est que d'environ 70 V. Par conséquent, la lampe éclaire déjà allumé lorsqu'il est connecté à un réseau d'éclairage régulier. De telles lampes sont utilisées à des fins de signalisation dans divers équipements (lampes témoins).

Dans la pratique de laboratoire, une décharge luminescente est utilisée pour la pulvérisation cathodique de métaux, car la substance cathodique dans une décharge luminescente se transforme progressivement en état de vapeur et se dépose sous la forme d'un dépôt métallique sur les parois du tube.

La raison de la pulvérisation cathodique est très probablement due au fait que chaque ion positif, lors d'un impact avec la cathode, transfère d'abord son énergie à un petit groupe d'atomes cathodiques. Cela conduit à une forte augmentation locale de la température qui se produit dans certaines zones microscopiques de la cathode, ce qui conduit à l'évaporation du métal à ces endroits. En plaçant divers objets dans une décharge luminescente contre la cathode, il devient possible de les recouvrir d'une couche de métal uniforme et durable. Cette méthode est notamment utilisée pour la fabrication de miroirs métalliques de haute qualité.

Recherche sur les décharges luminescentes

Objectif du travail :

Familiarisez-vous avec les principales formes de décharge luminescente.

Etude du fonctionnement des stabilisateurs à décharge luminescente.

Etude du fonctionnement des indicateurs à signes numériques d'une décharge luminescente.

Introduction.

La décharge luminescente est une décharge indépendante à cathode froide. L'apparition d'une décharge luminescente avec des électrodes froides est généralement précédée d'une décharge non auto-entretenue, car le volume de gaz contient toujours une certaine quantité de particules chargées libres, qui doivent leur origine à une source d'ionisation externe. (rayonnement cosmique, rayonnement de fond de la Terre).

En mode de décharge en régime permanent, l'espace entre la cathode et l'anode peut être divisé en trois régions principales (Fig. 1).

La longueur de la couche cathodique (1) est déterminée par la pression ou, plus précisément, la densité du gaz : elle est égale à environ trois libres parcours moyens électroniques ; Dans cette section, les ions se déplaçant vers la cathode acquièrent, en raison du gradient de champ élevé, l'énergie nécessaire pour éliminer les électrons de la cathode. Les électrons s'échappant de la cathode acquièrent également de l'énergie dans cette zone et, lorsqu'ils entrent en collision avec des atomes neutres et des molécules de gaz, effectuent des actes d'ionisation et d'excitation.

La longueur de la zone de colonne positive (2) dépend de la géométrie du tube à décharge. La chute de tension à ses bornes est faible. La colonne positive n'est pas un élément nécessaire de la décharge.

La longueur de la région de chute anodique (3) dépend de la pression du gaz et est approximativement égale au libre parcours moyen d'un électron. L'ampleur et le signe de la chute de tension proche de l'anode dépendent de la géométrie de l'anode.

La région de la chute de tension cathodique est particulièrement intéressante. Le gradient de potentiel le plus important se produit dans ce segment de la décharge. La chute de tension cathodique est de 100 à 180 volts pour les cathodes en métaux purs et de 40 à 100 volts pour les cathodes activées par des films de métaux électropositifs. La chute de tension cathodique est principalement déterminée par l'énergie ionique nécessaire pour éliminer les électrons des matériaux cathodiques : plus le travail de sortie des électrons du matériau cathodique est faible, plus la chute de tension cathodique est faible.

L'ampleur de la chute de tension cathodique dépend également du type de gaz, et dans une plage assez large (puisque la masse de l'ion dépend du type de gaz) et est pratiquement indépendante de la pression du gaz.

Si le courant traversant l'appareil ne dépasse pas une certaine valeur, à savoir : la valeur à laquelle toute la surface de la cathode ne participe pas à l'émission électronique (toute n'est pas recouverte de lueur), alors la chute de tension de la cathode ne dépend pas du courant et reste constante (loi de Gel). La constance de la chute de tension cathodique s'explique par la présence de conditions optimales pour l'échange d'énergie entre les ions bombardant la cathode et les électrons du matériau cathodique.

La chute de tension cathodique correspondant aux conditions d'émission optimales de la cathode est généralement appelée chute cathodique normale, et une décharge luminescente avec une chute cathodique normale est appelée décharge luminescente normale.

La décharge luminescente est à faible courant ; à un courant d'environ 300 mA, elle a tendance à se transformer en décharge en arc. Par conséquent, les dispositifs à décharge luminescente ont des courants maximaux allant jusqu'à 100 mA.

La constance de la chute de tension cathodique dans une décharge luminescente est utilisée dans la conception de stabilisateurs de tension à décharge gazeuse (diodes Zener).

Si toute la surface de la cathode est impliquée dans la décharge, alors à mesure que le courant augmente, la chute de tension de la cathode augmente également, puisque dans ce cas une émission plus importante par unité de surface de cathode est assurée. Une telle décharge est appelée décharge luminescente anormale.

Lors d'une décharge luminescente anormale, à mesure que le courant augmente, la luminosité de la lueur au niveau de la cathode augmente et la pulvérisation du matériau cathodique augmente fortement.

La section initiale d'une décharge anormalement lumineuse est utilisée dans les indicateurs à signe numérique (DS), largement utilisés dans la technologie de mesure pour afficher des informations.

Calcul d'un stabilisateur de tension avec une lampe à décharge luminescente.

D
Pour calculer le circuit de commutation illustré à la Fig. 2, considérons le fonctionnement d'un stabilisateur de tension. Pour ce faire, vous devrez utiliser la caractéristique courant-tension de la diode Zener, car il s'agit d'un élément non linéaire du circuit (Fig. 3).

Supposons que la valeur de la tension d'entrée soit donnée - , dans ce cas, une ligne droite passant par la valeur sur l'axe des ordonnées jusqu'à l'axe des abscisses selon un angle (ligne de résistance) lors de son intersection avec la caractéristique courant-tension donne la point de combustion stable de la décharge dans ce mode. Dans ce cas, il sera également sous charge, car il est connecté en parallèle avec la diode Zener et correspond à la valeur de tension créée aux bornes de la résistance du ballast. Lorsque la tension d'entrée change, par exemple, vers le haut, jusqu'à une valeur, la ligne de résistance se déplace parallèlement à elle-même et donne un nouveau point d'intersection avec la caractéristique IV de la diode Zener. Dans ce cas, cela différera légèrement et la chute de tension aux bornes de la résistance du ballast changera en raison d'une augmentation. Ainsi, lorsque le stabilisateur de tension fonctionne, le point de fonctionnement se déplace le long de la caractéristique courant-tension. En limitant son mouvement dans la partie plate de la caractéristique, suffisante pour une stabilisation de tension de haute qualité, on obtient la valeur et dans laquelle la diode Zener fonctionnera.

En regardant le schéma de la Fig. 2, on peut écrire :

; , d'ici

En considérant cela, nous pouvons écrire :

La valeur correcte est sélectionnée en fonction de la façon dont la tension d'entrée change. Si le changement est le même dans le sens de l'augmentation et de la diminution, alors le point de calcul est pris au milieu de la section de travail de la caractéristique courant-tension, puis, si le changement de la tension d'entrée est asymétrique, alors le le point de travail pour le calcul est sélectionné sur la base de la loi de proportionnalité.

Sur la fig. La figure 2 montre un schéma de connexion d'une diode Zener en tant que stabilisateur de tension, où :

Tension d'entrée nominale ;

Valeur nominale de sortie stabilisée

tension;

Résistance à la charge ;

Résistance des ballasts ;

Courant dans le circuit commun à la valeur nominale de l'entrée

tension;

Courant de charge nominal ;

Courant traversant le stabilisateur à la valeur d'entrée normale

tension.

Dans le travail proposé, le schéma de laboratoire (Fig. 4) permet d'étudier des stabilisateurs à décharge luminescente de types SG2S, SG3S, SG4S, SG2P, SG15P, SG16P. La résistance du ballast et la résistance de charge sont conçues de telle manière qu'il est possible de définir la valeur requise du courant de charge et la valeur de la résistance du ballast requise par le calcul.

Le circuit de charge aux points 3 à 7 est connecté aux prises correspondantes du panneau de lampe à diode Zener. Dans la base de la diode Zener, les broches 3 à 7 sont court-circuitées avec des cavaliers. Ceci est fait pour que lorsque la lampe est remplacée, lorsqu'elle est retirée du panneau, la tension non stabilisée de la source d'alimentation ne puisse pas affecter la charge.

INDICATEURS DE SIGNES

INFORMATIONS GÉNÉRALES

Les lampes au néon indicatrices numériques et alphabétiques à décharge luminescente (série IN) ont trouvé une large application dans les équipements d'affichage d'informations, dans les appareils informatiques, la technologie informatique et les instruments de mesure.

Une caractéristique distinctive des indicateurs à décharge luminescente emblématiques est que plusieurs cathodes sont placées dans un cylindre et que l'anode est réalisée sous la forme d'un maillage fin.

La forme des cathodes et leurs dimensions sont choisies de manière à ne créer qu'un chevauchement minimal des chiffres (lettres) situés à l'arrière. Cela détermine également la disposition des chiffres, des lettres, des signes, ainsi que la conception de l'anode maillée. La lueur de la cathode allumée est suffisamment large (jusqu'à 2 mm), de sorte que les électrodes restantes ne masquent pas plus de 20 % du flux lumineux sans altérer la clarté de l'indication du signe lumineux allumé.

Les indicateurs se distinguent par une luminosité et un contraste d'image élevés, une faible consommation d'énergie, une simplicité et une fiabilité de fonctionnement.

Les indicateurs à décharge luminescente à décharge gazeuse actuellement produits sont remplis de néon et ont une couleur lumineuse orange-rouge. Pendant le fonctionnement, le courant de fonctionnement ne doit pas dépasser les limites spécifiées dans les données de référence. À des valeurs de courant élevées, une transition vers la zone d'une décharge luminescente anormale est possible, la pulvérisation du matériau cathodique augmente et la durabilité du dispositif est réduite. Réduire le courant de fonctionnement est également inacceptable, car pendant le fonctionnement, les surfaces des cathodes se salissent et pour une bonne lueur de toute la surface des cathodes, une tension de combustion légèrement plus élevée est nécessaire. Par conséquent, le courant de fonctionnement doit dépasser la valeur du courant d'indication (le courant d'indication est le courant traversant l'appareil dans lequel la lueur de décharge recouvre complètement les cathodes - chiffres, symboles, lettres, signes, c'est-à-dire crée une indication visuelle fiable).

Dans certains cas, l'anode est alimentée par une tension pulsée. Dans ce mode, la durée de l'impulsion de tension doit être d'au moins 100 μs, avec un courant moyen de 1 à 2 mA. À mesure que la durée de l'impulsion diminue, le courant d'indication augmente fortement, ce qui nécessite une augmentation de la valeur d'amplitude du courant de fonctionnement. À un taux de répétition des impulsions de 20 à 50 Hz, le courant dans l'impulsion peut être assez important, la luminosité apparente de la lueur augmente en raison de l'inertie de la vision, bien que la valeur moyenne du courant soit inférieure à la normale. Grâce à cela, une luminosité élevée de la lueur et une indication fiable des chiffres (lettres) des cathodes sont maintenues, tout en ne réduisant pas la durabilité de l'indicateur.

Pour un fonctionnement normal de l'indicateur à décharge luminescente, il est nécessaire de créer une ionisation initiale qui réduit le temps de retard de l'allumage de la décharge. Cette ionisation est généralement créée par un éclairage externe. Dans l'obscurité, le temps de retard augmente jusqu'à 1 s.

En fonction du type d'informations affichées, les indicateurs IN peuvent être divisés en plusieurs groupes.

Les indicateurs numériques tels que IN-1, IN-2, IN-4, IN-8, IN-8-2, IN-12A, IN-12B, IN-14, IN-16, IN-17, IN-18 ont cathodes sous forme de chiffres arabes de 0 à 9. Il est conseillé d'utiliser des indicateurs avec indication de bord, où la distance minimale entre les axes des appareils adjacents est grande par rapport à la taille des électrodes numériques, dans des équipements avec un petit nombre de chiffres numériques, ainsi que dans les systèmes d'affichage à plusieurs chiffres. Dans les équipements de bureau de petite taille, vous pouvez utiliser un indicateur miniature de type IN-2.

Le cylindre rectangulaire d'indicateurs tels que IN-11, IN-12A, IN-12B, IN-15A, IN-15B permet une disposition plus pratique des systèmes à plusieurs chiffres, et la combinaison de chiffres et de lettres dans l'indicateur vous permet pour réduire la distance entre les chiffres numériques et les lettres adjacents et améliorer ainsi la lisibilité des résultats d'information. Le groupe d'appareils avec « indication latérale » IN-8, IN-8-2, IN-14, IN-16, IN-18 est largement utilisé dans les équipements à plusieurs chiffres, par exemple dans les compteurs de bureau.

Les indicateurs de lettres de signe tels que IN-5A, IN-5B, IN-7, IN-7A, IN-7B, IN-11, IN-15A, IN-15B, IN-19A, IN-19B, IN-19B ont La gamme d'applications des indicateurs de décharge de gaz a été considérablement élargie. En combinaison avec des indicateurs numériques, des indicateurs alphabétiques et symboliques permettent d'afficher presque toutes les informations nécessaires. Dans des indicateurs tels que IN-8-2, IN-12B, IN-14, la présence d'une électrode supplémentaire - une virgule - simplifie l'unité d'indication, éliminant le besoin d'utiliser des éléments séparés pour indiquer la virgule.

L'appareil de type IN-14 comporte deux signes virgules, dont l'un peut être utilisé pour réduire le temps de retard de l'allumage par décharge (le courant de préparation est d'environ 1 μA). Pour les appareils fonctionnant dans des conditions de charges climatiques et mécaniques accrues, nous pouvons recommander des appareils tels que IN-1, IN-8, IN-8-2, IN-12A, IN-12B.

Les dispositifs de décharge de gaz de signalisation tels que IN-3, IN-6, INS-1, IN-ZA, IF-1, TNU-2 sont destinés à être utilisés comme capteurs de signaux lumineux dans une grande variété d'appareils d'ingénierie électrique et radio de large application. Ils se caractérisent par : une luminosité élevée (dizaines et centaines de nits), une inertie relativement faible, une conception spacieuse, une efficacité (consommation électrique - fractions de watts).

Les dispositifs de comptage et indicateurs de décharges luminescentes linéaires tels que IN-9, IN-13, IN-20 sont des développements fondamentalement nouveaux et sont destinés à la construction de tableaux indicateurs dans les systèmes d'analyse statistique, dans les unités de mesure, dans divers dispositifs d'affichage de sortie, en haute capacité compteurs d'impulsions, pour surveiller le réseau AC. Une caractéristique des indicateurs tels que IN-9, IN-13 est que la longueur de la colonne lumineuse change proportionnellement à la tension appliquée, et dans l'indicateur IN-20, la colonne lumineuse ou le point lumineux change. Compte tenu de ces caractéristiques, les indicateurs IN-9, IN-13, IN-20 peuvent remplacer les instruments de mesure électriques à aiguilles et autres appareils électromécaniques (avec classe de précision 2,5 à 4) dans tout système d'automatisation industrielle.

Les avantages des appareils IN-9, IN-13, IN-20 comprennent : une forme d'affichage pratique (colonne et point lumineux), une fréquence élevée de mise à jour des informations et de comptage d'impulsions, une faible inertie, une grande durabilité, une luminosité élevée et un faible poids.