О процессах зарядки стенки разрядной трубки при внешнем освещении

Полный текст

1. Введение

Освещение разрядной трубки излучением видимого диапазона может заметно влиять на характеристики пробоя в трубке – пробивное напряжение U _b и время запаздывания пробоя (см. [1] и приведенные там ссылки). В недавних работах [2–4] обнаружено, что, в зависимости от скорости роста приложенного напряжения dU / dt, потенциал U _b при освещении может меняться: как уменьшаться, так и увеличиваться. Первое реализуется при большой скорости роста напряжения, второе – при малой (рис. 1). Согласно [3, 4], исходной причиной в обоих случаях является вызванная освещением фотоэмиссия слабосвязанных электронов, адсорбированных на внутренней поверхности разрядной трубки. Эти электроны попадают под действие поля, существующего между стенкой и анодом. При быстром росте приложенного напряжения они с большой вероятностью оказываются в фазе сильного поля, что приводит к их размножению и формированию электронной лавины, инициирующей волну ионизации (ВИ) и последующее развитие пробоя. В результате уменьшается время запаздывания пробоя, что в условиях фронта импульса конечной длительности снижает пробивной потенциал. При медленном росте напряжения десорбированные электроны бóльшую часть времени находятся в фазе слабого поля, в котором ионизация невозможна. Однако, двигаясь в этом поле, они создают ток, заряжающий стенку области вблизи анода. Разность потенциалов между анодом и стенкой уменьшается, в результате чего для создания ВИ и пробоя требуется повышение анодного напряжения. В работе [3] это наблюдается в ксеноне, а в [4] еще и в неоне, аргоне и криптоне при низких давлениях (~1 Торр) и dU / dt ~ 10–100 В/с. Результаты этих работ привели к заключению, что напряжение пробоя при освещении трубки U _b связано с напряжением пробоя без освещения U _b ⁰ соотношением

$U_b={U_b}^0+U_w,$ (1)

где U _w – потенциал заряженной стенки. Наличие заряда на стенке вблизи анода подтверждается поведением ВИ: при своем движении от анода к катоду она ускоряется, в противоположность тому, что наблюдается при импульсном пробое с крутым фронтом напряжения [1, 4].

 

Рис. 1. Зависимость потенциала пробоя от скорости роста анодного напряжения в темноте (1) и при освещении трубки люминесцентными лампами (2) [3].

 

За рамками обсуждения в работах [3, 4] остался вопрос о том, каким образом развивается во времени процесс зарядки стенки после начала роста потенциала анода. Эксперименты [4] с освещением трубки импульсными источниками света показали лишь, что повышение пробивного потенциала при освещении наблюдается только если световые импульсы начинаются не позднее или закачиваются не ранее, чем анодное напряжение достигает значения U _b ^0. В данной работе проводятся исследования, которые позволяют ответить на поставленный выше вопрос, а также уточнить механизм зарядки стенки при фотодесорбции электронов.

2. Эксперимент

Измерения проводились на установке, описанной в работах [3, 4]. Использовались отпаянные разрядные трубки внутренним диаметром 8–13 мм и длиной 75–80 см. Трубки наполнялись инертным газом (Ne, Ar, Kr, Xe); исходная чистота газов была 99.99%, перед наполнением трубки проводилась их доочистка молекулярными ситами. К аноду трубки прикладывали линейно растущее напряжение U ₁ (t) крутизной dU / dt = 40–50 В/с (прямая CD на рис. 2). При такой крутизне, согласно данным [3, 4], наблюдается сильное увеличение напряжения пробоя при освещении трубки. Потенциал U ₁ (t), однако, обрывали раньше, чем происходил пробой, при некотором значении U _A (точка D на рис. 2), но одновременно на анод подавали импульс длительностью 10 мс и фронтом U ₂ (t) большой крутизны – 7×10 ⁵ В/с (прямая DE). Этот импульс уже приводил к пробою, причем фронт такой крутизны обеспечивает наименьшее напряжение пробоя U _b = U _b ^m (минимум на кривой зависимости U _b от dU / dt [3, 4], рис. 1). Кроме того, при такой величине dU / dt влияние освещения трубки на потенциал пробоя тоже минимально, или отсутствует совсем [3, 4], т.е. U _b ^m = U _b ^0. Потенциал U ₂ возрастал до тех пор, пока не происходил пробой (точка E), из-за чего напряжение падало до уровня FG – напряжения горения разряда. Эта процедура, таким образом, позволяла измерить напряжение пробоя в условиях, когда стенка предварительно заряжена одновременным воздействием освещения и анодного напряжения U _A.

 

Рис. 2. Пример эпюры анодного напряжения (для наглядности промежуток DE FG растянут).

 

Для облучения трубки использовались люминесцентные лампы общего лабораторного освещения плюс люминесцентная 30-ваттная лампа, установленная вдоль трубки на расстоянии 0.5 м. Применялись также импульсные источники: светодиод, излучающий в полосе 395 –410 нм, и диодный лазер (λ = 405 нм). Все приведенные ниже результаты, даже если это не оговорено специально, получены в условиях освещения трубки.

3. Результаты и обсуждение

На рис. 3 представлены осциллограммы анодного напряжения для двух газов – неона и криптона. Регистрировался короткий промежуток времени вблизи момента пробоя. На таком промежутке отрезок осциллограммы, отвечающий наклонной прямой CD рисунка 2, выглядит горизонтальным. Самая нижняя траектория соответствует случаю, когда напряжени е U ₁ (t) отсутствовало, то есть при U _А = 0. Остальные осциллограммы отвечают разной задержке t ₀ импульса U ₂ относительно начала роста U ₁ (t), о т 5 до 60 с, что соответствует значениям U _А ≈ 200 ÷ ÷ 2500 В. Видно, что потенциал U ₁ влияет на напряжение пробоя, но только если U _А превышает некоторое критическое значение ; последнее близко к потенциалу пробоя без освещения U _b ⁰ [4]. При меньших U _А наличие потенциала U ₁ не меняет потенциал пробоя или меняет незначительно.

 

Рис. 3. Осциллограммы анодного напряжения при подаче на анод последовательности двух импульсов с линейно растущим фронтом крутизной 43.5 В/с и 7.2∙10 ⁵ В/с и при освещении люминесцентными лампами. Значение t = 0 отвечает моменту пробоя.

 

На рис. 4 представлены результаты обработки осциллограмм рисунка 3, а также аналогичных данных для других газов. На оси абсцисс приведены значения анодного потенциала U _A, по оси ординат отложены значения потенциала пробоя (точка Е на рис. 2). Во всех случаях проявляется та же закономерность, что и на рис. 3. Для значений U _А, не превышающих некоторой величины, пробивное напряжение остается тем же, что и при U _A = 0. При превышении этой величины напряжение пробоя начинает расти. На рис. 4в показан также результат применения альтернативного метода измерения потенциала пробоя U _b. В этом случае в момент времени t ₀ прикладывался импульс не с линейно растущим фронтом, а прямоугольный. Его амплитуда подбиралась такой, чтобы при минимальном ее значении происходил пробой. Видно, что оба метода дают близкие результаты.

 

Рис. 4. Зависимость напряжения пробоя от потенциала анода в различных газах. На рис. 4а приведены также значения поверхностного заряда стенки, на рис. 4в RP – пробой прямоугольным импульсом. Скорость роста анодного напряжения dU ₁ / dt = 37–48 В/с, освещение люминесцентными лампами.

 

При U _b > U _b ⁰ зависимость U _b от U _A линейная, причем с угловым коэффициентом, близким к единице (от 0.99 до 1.05), и может быть описана соотношением

$U_b=U_{\text{A}}+u,$ (2)

где константа u лежит в диапазоне 130–200 В, в зависимости от рода газа. Физический смысл величины u будет прояснен ниже.

Таким образом, наличие медленно растущего потенциала U ₁ влияет на напряжение пробоя только если в момент t ₀ старта пробивного импульса U ₂ величина U ₁ (t ₀₎ = U _A превышает значение, близк ое к потенциалу пробоя без освещения U _b ^0. Как указывалось во Введении, в предыдущих работах [3, 4] было предложено объяснение роста потенциала пробоя при освещении трубки в случае медленно растущего напряжения. Оно заключалось в том, что под действием освещения происходит фотоэмиссия слабосвязанных электронов, адсорбированных на внутренней поверхности трубки. Десорбированные электроны, двигаясь в поле высоковольтного анода, создают ток, заряжающий стенку и повышающий ее потенциал. Это приводит к росту потенциала анода, необходимого для генерации ВИ, которая обеспечивает дальнейшее развитие пробоя, то есть к увеличению напряжения пробоя. Из результатов измерений, проведенных в данной работе, следует, что процесс зарядки освещенной стенки происходит не в течение всего времени, когда потенциал приложен к аноду; он начинается только после того, как этот потенциал достигает определенного критического значения, близкого к U _b ^0. При этом из равенства (2) следует, что после того, как потенциал анода превысил U _b ^0, он поддерживается на уровне, меньшем U _b на сравнительно небольшую величину u < 200 В.

Это подтверждают дополнительные эксперименты, результаты которых представлены на рис. 5 и 6. Они иллюстрируют влияние на напряжение пробоя импульсного освещения. На первом из них световой импульс варьируемой длительности τ начинается в момент начала роста анодного напряжения. Видно, что U _b остается неизменным и близким к U _b ⁰ вплоть до значения τ = τ _с ≈ 13 с. Осциллограмма анодного напряжения U (t), изображенная на врезке, показывает, что при t = τ _с напряжение становится равным или близким к U _b ^0. И только с этого момента начинается рост пробивного напряжения. П рименительно к концепции зарядки стенки это означает, что при U (t) < U _b ⁰ зарядка не происходит, несмотря на наличие освещения и электрического поля между анодом и стенкой. На рис. 6 варьируется запаздывание Δ t переднего фронта светового импульса по отношению к началу роста анодного напряжения. Импульс заканчивается значительно позже, уже после того, как произошел пробой. Видно, что пробивное напряжение значительно превышает U _b ⁰ во всем интервале изменения Δ t и падает до U _b ⁰ при значении Δ t > Δ t _с ≈ 25 с. Осциллограмма анодного напряжения на врезке показывает, что при t = Δ t _с значение U (t) ≈ U _b ^0. Таким образом, если световой импульс начинается позднее, чем анодное напряжение достигло U _b ⁰ – пробивного значения в отсутствие освещения, то пробой произойдет именно при U _b ^0, и освещение не играет роли. Такой результат кажется вполне очевидным безотносительно к механизму влияния облучения. Интереснее другая закономерность – то, что U _b остается постоянным на всем промежутке Δ t от 0 до Δ t _с. Другими словами, воздействие освещения не зависит от длительности такого воздействия. Это, как и в предыдущем случае, согласуется с предположением о том, что зарядка стенки происходит в самом конце светового импульса, когда анодное напряжение достигает значения, близкого к U _b ^0. При меньшем напряжении зарядка не происходит, несмотря на наличие освещения и электрического поля между анодом и стенкой.

 

Рис. 5. Зависимость пробивного напряжения от длительности светового импульса. Передний фронт импульса совпадает с моментом начала роста анодного напряжения. На врезке – зависимость анодного напряжения от времени. Источник освещения – диодный лазер.

 

Рис. 6. Зависимость напряжения пробоя от длительности задержки переднего фронта светового импульса относительно начала роста анодного напряжения. Импульс заканчивается позднее пробоя и зажигания разряда. На врезке показана зависимость анодного напряжения от времени. Освещение светодиодом

 

С другой стороны, очевидно, что процесс зарядки стенки занимает какое-то конечное время. Для оценки этого времени был проведен следующий эксперимент. Линейно растущее анодное напряжение начиналось не с нулевого, а некоторого конечного значения U _0. На рис. 7 показаны осциллограммы этого напряжения с различными U ₀ для пробоя в аргоне. Для других газов картина аналогична. Точка t = 0 («аппаратный нуль») отвечает моменту запуска схемы формирования линейного напряжения. Осциллограммы с U ₀ > 0 сдвинуты по горизонтали таким образом, чтобы совместить моменты пробоя. При этом оказывается, как видно из рисунка, что напряжение пробоя для всех значений U ₀ одинаковое, несмотря на то, что длительность процесса зарядки стенки до момента, когда U = U _b ^0, для них разная. Это опять согласуется с тем, что зарядка происходит тогда, когда анодное напряжение достигает значения, близкого к U _b ^0. Отметим, что для всех приведенных осциллограмм U ₀ < U _b ^0. Рис унки 8а,б показывают область, где U ₀ ≈ U _b ^0, более детально. На обоих графиках две первые осциллограммы смещены для наглядности вверх. Для них, аналогично рис. 7, U ₀ < U _b ^0. Их верхние, почти горизонтальные, отрезки есть, очевидно, начальные участки наклонных прямых рис. 7. Таким образом, они соответствуют ситуации, когда стенка заряжается и поэтому пробой при U = U _b ⁰ не происходит. Две другие осциллограммы соответствуют обратному неравенству, U ₀ > U _b ^0, в этом случае стенка в момент скачка потенциала не заряжена, и тогда пробой происходит на его переднем фронте. Короткий зашумленный отрезок отвечает протеканию разрядного тока (длительность разрядного импульса 10 мс). Переход от одной картины к другой происходит за время, не превышающее 0.1 с. Таким образом, этого интервала достаточно, чтобы стенка зарядилась до потенциала, при котором пробой при U = U _b ⁰ произойти не может.

 

Рис. 7. Временнáя зависимость потенциала анода при наличии начального скачка.

 

Рис. 8. Временнáя зависимость потенциала анода при наличии начального скачка в укрупненном масштабе.

 

Рассмотрим подробнее случай, когда U ₀ < U _b ^0. Можно предложить следующий сценарий происходящего в этом случае. Поскольку время зарядки стенки не превышает 0.1 с, в масштабе времени рис. 7 она происходит мгновенно, и в точке, где U = U _b ^0, потенциал стенки U _w меняется скачком на некоторую величину u (рис. 9). Так как стенка становится заряженной, пробой в этот момент не происходит, потенциал U продолжает расти, что приводит к дальнейшему заряду стенки, поддерживающему постоянную разность между ее потенциалом и потенциалом анода:

$U-U_w={U_b}^0-u.$ (3)

Этот процесс происходит до тех пор, пока заряд стенки не достигнет насыщения [3, 4]. После этого потенциал анода возрастает еще немного, до уровня, когда U – U _w = U _b ^0, и в этот момент, согласно (1), происходит пробой.

 

Рис. 9. Эпюры анодного потенциала и (предположительно) потенциала стенки.

 

Если пробой, на фоне медленного роста анодного напряжения, в точке, где U = U _A, инициируется скачком напряжения, как это описано в начале раздела (рис. 2, 3), то из (1) и (3) получается

$U_b=U_{\text{A}}+u,$

то есть соотношение (2). Тем самым проясняется физический смысл величины u, полученной ранее при обработке результатов рис. 4: u – это скачок по тенциала стенки, возникающий при приближении потенциала анода к значению U _b ^0.

Поверхностный заряд стенки может влиять на прохождение предпробойной волны ионизации (ВИ). Согласно модели Недоспасова [5], движение волны контролируется локальным пробоем между фронтом волны и стенкой. Наличие заряда на стенке меняет разность потенциалов между ними. Если она уменьшается при движении волны, то волна замедляется и ослабевает, вплоть до полного затухания. Это наблюдалось в работах [3, 4], где к аноду трубки было приложено линейно растущее напряжение, а когда потенциал анода достигал некоторого значения (ниже пробивной величины U _b ⁰⁾, на катод подавался положительный импульс прямоугольной формы. Этот импульс генерировал положительную волну ионизации, двигавшуюся к аноду. Волна при приближении к аноду попадала в область одноименно заряженной стенки, из-за чего при своем движении теряла скорость и тем сильнее, чем выше был потенциал анода U. Начиная с некоторых значений U, волна затухала, не достигнув анода. Это подтверждало существование стеночного заряда

В данной работе был проведен подобный эксперимент, только на катод трубки подавался отрицательный прямоугольный импульс длительностью 10 мс. Этот импульс также генерировал волну ионизации, двигавшуюся к аноду. Волна регистрировалась с помощью емкостного зонда, перемещавшегося вдоль трубки [4]. Рис. 10 а иллюстрирует ее движение в ситуации, когда потенциал анода равен нулю (U = 0). Выходной сигнал зонда ослабевает по мере удаления от катода, как это обычно и происходит [1]. В момент прихода ВИ на анод происходит пробой. На рис. 10б потенциал анода отличен от нуля. Видно сильное изменение характера движения волны: она заметно ускоряется (время пробега длины трубки уменьшается), а изменение амплитуды сигнала становится немонотонным.

 

Рис. 10. Сигналы емкостного зонда при регистрации волны ионизации, инициированной приложенным к катоду импульсом отрицательной полярности амплитудой –1.5 кВ. Потенциал анода равен 0 (а) и +3.5 кВ (б). Цифры у кривых – расстояние от катода в сантиметрах.

 

На рис. 11 представлены результаты обработки данных рисунков 10 и подобных графиков – зависимость длины пробега ВИ от времени (xt - диаграммы) для различных значений U. Обращает на себя внимание то, что эти кривые заметно меняются только начиная с достаточно больших значений U, а именно с таких, которые близки к потенциалу U _b ^0. Причина искажения xt -диаграмм при подаче потенциала на анод может быть объяснена следующим. Здесь, в отличие от предыдущего случая, от катода движется отрицательная ВИ, и, оказываясь в области положительно заряженной стенки, она усиливается и ускоряется. Эффект проявляется тем сильнее, чем выше потенциал анода, так как при этом увеличивается заряд стенки. А тот факт, что это наблюдается только для U > U _b ^0, подтверждает, что при более низком анодном потенциале зарядки стенки не происходит.

 

Рис. 11. xt -диаграммы волны ионизации, инициированной приложенным к катоду импульсом отрицательной полярности амплитудой –1.5 кВ, при различных значениях потенциала анода (указаны цифрами у кривых).

 

Если исходить из того, что рост напряжения пробоя при потенциалах анода, превышающих U _b ^0, связан с зарядом стенки, можно оценить среднюю по длине трубки величину этого заряда, накопленную к моменту пробоя

$\begin{array}{l}\text{ïðè\hspace{0.33em}}U<{U_b}^0 Q=\mathrm{0,}\\ \text{ïðè\hspace{0.33em}}U\ge {U_b}^0 Q=C\times U_w= C\times \left(U_b-{U_b}^0\right),\end{array}$

где С – емкость трубки. Согласно измерениям и оценкам [6, 7], у разрядных трубок, аналогичных использованным в данной работе, С ≈ 15 пФ. Полученные значения Q для одной из них показаны на графике рис. 4а. Близкие величины получатся, очевидно, и для других трубок. Уточним, что речь идет об усредненном по длине трубки значении. На самом деле плотность заряда, очевидно, максимальна вблизи анода и спадает при удалении от него.

Полученные в данной работе результаты, таким образом, свидетельствуют о том, что механизм зарядки освещенной стенки, описанный в [3, 4], должен быть уточнен. А именно, заметная зарядка начинается не сразу с момента приложения потенциала к аноду, а только при достижении анодом достаточно высокого потенциала, близкого к U _b ^0. Для объяснения этого факта можно предположить, что квантовый выход фотодесорбции электронов γ _des настолько мал, что сам по себе фотоэмиссионный ток не приводит к заметной зарядке стенки. В [3] приводится оценка величины γ _des, необходимой для того, чтобы в условиях, аналогичных условиям данной работы, освещение увеличивало напряжение пробоя на 1 кВ : γ _des ≈ ≈ 10 ^–6. Но эта оценка получена в предположении, что зарядка стенки происходит в течение всего интервала роста потенциала анода, то есть является средней по этому интервалу. Если значение γ _des на самом деле хотя бы на 1–2 порядка меньше, то заряд стенки оказывается слишком мал, чтобы вызвать заметный рост пробивного напряжения. Однако при этом с ростом потенциала анода становится заметной ионизация в промежутке между стенкой и анодом (ионизационное усиление). Эффективность этого процесса зависит от приведенной напряженности электрического поля E / p. При зазоре между анодом и стенкой 1 см, давлении 1 Торр и напряжении 1 кВ получается E / p = 10 ³ В/(см∙Торр). Ионизационный коэффициент Таунсенда η для инертных газов в этом случае ≈ 10 ^–2 В ^–1 (см. [8], табл. 2.1), что дает увеличение фотоэмиссионного тока на три порядка. Поскольку зависимость η от E / p очень резкая, максимальный ток на анод получается при наибольшем напряжении U ≈ U _b ^0. Стенка при таком сценарии заряжается в основном в результате дрейфа на нее ионов из области вблизи анода. Очевидно, что приведенное объяснение является чисто качественным и лишь одним из возможных.

4. Заключение

В предыдущих работах авторов [3, 4] было обнаружено, что при достаточно медленном росте потенциала анода разрядной трубки (~10–100 В/с) напряжение пробоя U _b в инертных газах может существенно возрасти, если прианодная область трубки освещается излучением видимого диапазона.

В качестве механизма этого эффекта предлагается вызванная освещением фотоэмиссия слабосвязанных электронов, адсорбированных на внутренней поверхности разрядной трубки. Эти электроны под действием электрического поля между стенкой и анодом создают ток, заряжающий стенку вблизи анода. Разность потенциалов между анодом и стенкой уменьшается, в результате чего для создания предпробойной волны ионизации и пробоя требуется более высокое анодное напряжение. В данной работе этот эффект изучается в тех же газах – Ne, Ar, Кr, Xe и смеси Ne-Ar.

Схема питания разряда позволяла измерять напряжение пробоя в условиях, когда стенка предварительно заряжена до определенного потенциала.

Проведенные исследования уточняют описанный выше механизм. Выяснено, что зарядка стенки трубки начинается не от момента начала роста анодного напряжения, а только когда оно приближается к напряжению пробоя, измеренному в отсутствие освещения (U _b ⁰⁾. При этом внутренняя поверхность стенки за время, не превышающее 0.1 с, приобретает потенциал 130–200 В. В результате в момент, когда потенциал анода становится равным U _b ^0, пробой освещаемой трубки не происходит. При дальнейшем росте напряжения разность потенциалов между анодом и стенкой сохраняется вплоть до достижения анодом потенциала пробоя, существенно превышающего U _b ^0. Вывод о том, что зарядка стенки трубки начинается только когда потенциал анода приближается к U _b ^0, подтверждается экспериментами с импульсным освещением трубки, а также наблюдением движения волны ионизации, инициируемой дополнительным импульсом, подаваемым на катод до пробоя при заданном анодном напряжении.

Об авторах

А. В. Мещанов

Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: y.ionikh@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Ю. З. Ионих

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: y.ionikh@spbu.ru
Россия, St. Petersburg

Список литературы

Дополнительные файлы