Газдардағы электр разрядтары

Газдардағы электр разрядтары, газдық разрядтар — электр өрісінің әсерінен газдар арқылы электр тоғының өтуі. Газда металл мен сұйықтағыдай бос зарядтар (электрондар мен иондар) болмайды. Газдар, негізінен, бейтарап атомдар мен молекулалардан тұратындықтан, олар қалыпты жағдайда электр тоғын өткізбейтін диэлектриктер қатарына қосылады. Сондықтан газ ішіндегі электр тоғы қатты өткізгіштер мен электролиттердегі тоққа мүлде ұқсамайтын бір қатар ерекше құбылыстар туғызады. Газ арқылы электр тоғы өтү үшін, оны иондау (яғни оның ішінде жеткілікті мөлшерде зарядты бөлшектердің пайда болуы) керек. Мұндай зарядты бөлшектер кейбір фактордың әсерінен пайда болады немесе газға сырттан енгізіледі; не болмаса электродтар арасындағы электр өрісінің әсерінен пайда болады. Осындай әсерлер нәтижесінде газда электр тоғының пайда болуын газдық разрядтар деп атайды. Газдағы зарядты бөлшектер (заряд тасушылар) сыртқы факторлардың, яғни ионизаторлардың (жалын, рентген сәулелері, термоэлектрондық эмиссия, радиоактивті сәулелер, т.б.) әсерінен пайда болса, онда ол тәуелді разряд деп аталады. Газдағы электр разрядтарының көріністері мен сипаттамалары әр түрлі болады. Мұның өзі газ арқылы электр тоғының өту шарттарын анықтайтын параметрлер мен қарапайым процестердің сан алуан болатындығын көрсетеді. Бұлардың *біріншісіне — газдың құрамы мен қысымы, разрядтық кеңістіктің геометриялық конфигурациясы, сыртқы электр өрісінің жиілігі, ток күші т.б. жатса, *екіншісіне — иондалу және газ молекулалары мен атомдарының қозуы, рекомбинация, екінші текті соқтығысу, қайыра зарядталу, заряд тасушылардың серпімді шашырауы, электрондық эмиссияның түрлері т.б. жатады. Әр түрлі факторлар әсерінен газ молекулалары мен атомдары оң және теріс зарядталған бөлшектерге ылдырайды, яғни газ иондалады. Иондардың пайда болу процесі газдың иондалуы деп аталады. Иондалу кезінде кейбір молекулалар электрондарынан айрылып, оң ионға, ал босап шыққан электрон теріс еркін заряд тасушыға айналады. Алайда, көбінесе, бұл электрондар бейтарап молекулаға «жабысып» теріс зарядталған иондар түзеді. Газда ионизатордың әсерінен иондардың пайда болуымен бірге иондардың бейтараптану процесі де қатар жүреді. Ол былайша түсіндіріледі: әр аттас зарядты иондар электрлік тартылыс күші әсерінен бір-біріне жақындайды да, олар қайта қосылып бейтарап молекула құрайды. Мұндай процесс иондардың рекомбинациясы деп аталады. Пайда болған зарядтар мен рекомбинацияланған зарядтар арасында тепе-теңдік орнағанда газдың электр өткізгіштігі тұрақты (стационарлы) болады. Зарядтар көлемдік рекомбинация, электрод аралық кеңістікте диффузиялану және олардың ток өткен кезде электродтарға кетуі нәтижесінде бейтараптанады. Егер иондалу тек сыртқы ионизатордың әсерімен ғана жүзеге асырылса, ал өріс кернеулігі өте аз және разрядтық аралықтың көлденеңі тым үлкен (зарядтың еркін жол ұзындығы мен электродтар арасындағы қашықтықпен салыстырғанда) болса, онда зарядтар негізінен көлемдік рекомбинация процесінің әсерінен бейтараптанады. Бұл жағдайда зарядтартың пайда болу және бейтараптану процестерінің тепе-теңдік шарты мынадай болады: N=αn²V , мұндағы α – рекомбинация коэффициенті, V – разрядтық аралықтың көлемі, N – сыртқы ионизатр әсерінен уақыт бірлігі ішінде пайда болатын қос зарядтар саны, n – заряд концентрациясы. Бұл жағдайда заряд концентрациясы тұрақты болып қала береді. Егер зарядтардың қозғалу жылдамдығы өріс кернеулігіне пропорционал болса, онда газдың электр өткізгіштігі Ом заңына бағынады. Өріс кернеулігі артқанда, зарядтардың электродқа кетуі көбейеді. Зарядтар саны азая береді. Ал өріс тым күшейгенде рекомбинацияны ескермесе де болады. Соның нәтижесінде ток қанығу шамасына жетеді. J = Ne, мұндағы е – элементар заряд. Мұндайда ионизатордың әсерін тоқтатсақ та разрядталу процесі жүре береді, яғни иондар мен электрондар «тасқыны» пайда болады. Сыртқы қолдаушы ионизаторды қажет етпейтін бұл разрядталу процесі дербес разряд деп аталады. Дербес разряд кезінде газ электрондық соққы нәтижесінде иондалады. Бұл процесте электродтар арасындағы электрондардың көршілес екі соғыстығысу аралығындағы энергиясы электр өрісінің жұмысы есебінен артады. Электродтар арасындағы потенциалдар айырмасы артқан сайын өріс кернеулігі де артады. Бұл кезеңде кезекті соқтығысу алдындағы электронның кинетикалық энергиясы өріс кернеулігі мен электронның еркін жол ұзындығына тура пропорционал: mv²/ 2 qV qEλ мұндағы λ – кезекті екі соқтығысу арасындағы электрондардың еркін жолының орташа ұзындығы. Бейтарап атомды (молекуланы) иондау үшін А¡ жұмыс атқару керек. mv²/2 ≥ А¡ - атоммен соқтығысқан электрон оны иондайды, яғни бір электронның орнына екі электрон (атомға соғылған және одан бөлініп шыққан) пайда болады. Олар өз кезегімен өрістен энергия алады да, әрқайсысы тағы да жолында кездескен атомбы иондайды. Бұл процесс осылайша жалғаса береді. Сөйтіп, зарядталған бөлшектер саны шапшаң артып, электрондар «тасқыны» пайда болады. Мұндай процесс электрондық соққымен иондалу деп аталады. Алайда электрондық соққымен иондалу дербес разрядты қамтамасыз ете алмайды. Өйткені өрістің әсерінен анодқа қарай қозғалған электрондар жұмыстан шығып қалады. Мұндайда дербес разрядты қолдауға екінші реттік процестер қатысады. Электрондар бейтарап атомдармен соқтығысып, оларды иондаған кезде пайда болған оң иондар өріс әсерінен мол кинетикалық энергия алып, катодты атқылайды да, одан электрондарды жұлып шығарады. Бұл процесс екінші реттік электрондық эмиссия деп аталады. Газдағы дербес разряд катодты қыздыру арқылы электрондар шығаруға негізделген термоэлектрондық эмиссия процесінің нәтижесінде де пайда болады. Тәуелді разрядтың дербес разрядқа көшуі газды тесіп өту деп, ал ол көрнеу тесіп өту көрнеуі деп аталады. Біртекті өрістегі тесіп өту көрнеуі – газ қысымы мен электродтар арасы қашықтығының көбейтіндісіне тең (Пашен заңы). Дербес разрядтардың көптеген түрлері бар. Разрядтардың бұл түрлері, ең алдымен, ток жүру нәтижесінде бейтараптанған зарядтарды толықтырып отыратын катодтағы эмиссиялық процестермен анықталады. Токтың тығыздығы аз болғанда (газ мейлінше сиретілгенде) электрондардың катодтан разрядтық аралыққа шығуы оң иондардың катодты атқылауы, фото-эффект құбылысы және метасбильді атомдардың әсері арқылы жүзеге асады. Мұндай разряд солғын разряд деп аталады. Катодтағы ток тығыздығының артуы нәтижесінде разрядтың негізгі сипаттамаларын күрт өзгертетін доғалық разряд пайда болады. Төмен қысымда, разряд солғын ба, сынапты немесе қыздырылатын катодты доға ма оған қарамастан, оң бағана изотермиялық емес плазма болады. Атмосфера және одан да жоғары қысымда газдың температурасы тез артатындықтан, оның термиялық жолмен де иондалуы мүмкін. Солай бола тұрса да электрондық температура төмен қысым бағанасына қарағанда, әлде-қайда төмен болатын көрінеді. Демек, жоғары қысым бағанасын изотермиялық плазмаға жақын (бірінші жуықтау шамасында) деп есептеуге болады. Мұндай бағананың қасиеті электродтардың материалына, газдың табиғатына және доғаның еркін атомсферада немесе тұйықталған кеңістікте жануына байланысты анықталады. Разрядтың ерекше бір түрі – тажды разряд. Бұл разряд бір немесе екі электрод та өте үшкір болып келгенде байқалады. Мұндай жағдайда өрістің біртекті болмауы электродтар арасындағы кеңістіктің әр бөлігіндегі иондалудың әр түрлі болуына әкеп соғады, яғни бір аймақта иондалу күштірек болса, ал оның басқа бір бөлігінде электр өрісі тек зарядтарды ғана тасылдайды. Егер тұрақты ток көзінен қорөктенген газдардың электр разрядтарында катодтағы құбылыс басты роль атқарса, жоғары жиілікті айынымалы электр өрісінде бұл роль мәнін жояды. Газдағы жоғары жиілікті электр разряды электродтарсыз да байқалады. Айнымалы электр өрісі әсерінен плазма пайда болады және ол электрондарға диффузия мен рекомбинация салдарынан кеміген заряд тасушылардың орнын толтырарлықтай (иондалуға жеткілікті) энергия береді. Жоғары жиілікті разрядтардың сыртқы көрінісі мен сипаттамалары газдың қысымына, айнымалы өрістің жиілігіне және берілген қуатқа байланысты анықталады, ал оның бірқатар қасиеттері тұрақты токтағы разрядтың оң бағанасына ұқсас болады. Атмосфера қысымда-ақ аса күшті электр өрісіндегі электродтар ұшқынды разрядтар пайда болады. Оның бір түрі – найзағай. Газдардың электр разрядтарының сан алуандығы және олардың негізгі параметрлерін қалауымызша өзгертуге болатындығы бұл құбылысты кеңінен пайдалануға мүмкіндік береді. Әсіресе газдардағы электр разрядтары воль-амперлік сипаттамалары, сәуле шығаруы, жылу беруі, қозған атомдар түзуі, молекулардың құрылымын өзгертуі т.б. қасиеттері көбірек пайдаланылады. Газдағы аса күшті электр разрядтарының көмегімен басқарылатын термоядралық реакцияларды жүзеге асыруға қажетті жоғары температураны алуға қол жетті. Жарықтың газ разрядтық көздері барынша тиімді және күшті жарық алуға, ал қажеттігіне қарай өзі шығаратын сәуленің спектрлік құрамын да өзгертуге мүмкіндік береді. Оптикалық және инфрақызыл диапазондардағы (газдық лазерлердегі) кванттық генераторлардың физикалық негізі осы газдардағы электр разрядтарына негізделген. Газдардағы электр разрядтары химиялық синтезде, атап айтқанда, ауадағы азотты бөліп алуда қолданылады. Иондық приборлардың көпшілігі токты түрлендіру, кернеуді стабилизациялау, сигнал беру (газотрандар, тиратрондар, сынапты түзеткіштер, солғын разряд приборлары т.б.) тәрізді электр схемаларының түрлі элекменттерінің қызметін атқарады. Бұл приборлардағы жұмыстық ток миллиампердлің бірнеше үлесінен мыңдаған а-ге және бірнеше в-тан жүздеген кв-қа жетеді. Приборладың басқа бір топтары иондаушы сәулелерді тіркеу және өлшеу үшін, зарядталған атомдық бөлшектерді есептеу үшін (иондалу камерасы, зарядты бөлшек санауптары, қайыра есептеуші, тетіктер) төмен қысымдарды өлшеу үшін тағы басқалар қолданылады. Газдардың электріның жылу энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыруға (магнитогидродинамикалық генераторлар, термоэлектрондық түрлендіргіштер) және космос корабльдеріне арналған ұзақ уақыт жұмыс істейтін қозғалтқыштарды (плазмалық және иондық) жасауға қолданылуы мүмкін. Дереккөздер