§29 ∗. Несамостоятельный разряд между двумя параллельными электродами

Проведем более детальное исследование несамостоятельного разряда между двумя параллельными электродами. Необходимость в подобном исследовании выявляется из анализа простейшего результата (3.36). Дело в том, что в предложениях

N+ = N− = N,E = const,

(29.1)
неявно принятых при получении (3.36), количества положительных и отрицательных зарядов Neb+E, Neb−E, выносимых из газового промежутка движущимися ионами, между собой не равны. При одинаковости чисел рождающихся в газовом промежутке положительных и отрицательных зарядов Ṅ0d, отсюда следует, что суммарный заряд в газовом промежутке не остается постоянным. Это значит, что допущения (3.38) противоречат условию стационарности процесса и для устранения противоречия необходим анализ, свободный от этих предположений.

Итак, рассматривается газовый промежуток между параллельными катодом и анодом ( см. рис. 50), на которые подано напряжение U. Пусть под действием внешнего ионизатора в 1 см3 газа ежесекундно рождается Ṅ0 пар заряженных частиц. Давление газа достаточно и средняя длина свободного пробега ионов намного меньше расстояния d между электродами. При этом направленное движение ионов под действием электрического поля характеризуется подвижностями b+,b−, которые между собой не равны ( обычно b+ < b−), но они постоянны, не зависят от величины поля.

При заданной геометрии поле E→, плотности тока j→+,j→− положительных и отрицательных ионов, а также полный ток j→ направлены против оси x. Их величины далее обозначены как E(x), j+(x), j−(x), j, причем с учетом (3.35)

j+(x) = eN+(x)u +(x) = eb+N+(x)E(x),

(29.2)
j−(x) = eN−(x)u −(x) = eb−N−(x)E(x),

(29.3)
j = j+ + j−.

(29.4)
В рассматриваемом случае несамостоятельного тока, обусловленного внешним объемным ионизатором, утверждение
j = const

(29.5)
требует доказательства. Для этого выпишем законы сохранения для положительных и отрицательных ионов:
∂N+ ∂t = Ṅ0 − χN+N− + b + ∂ ∂x(N+E,

(29.6)
∂N− ∂t = Ṅ0 − χN+N−− b − ∂ ∂x(N−E,

(29.7)
(здесь знаки перед конвективными членами различны из-за различия направлений движения соответствующих ионов). В стационарном случае имеем ∂ ∂t ≡ 0. Вычитая при этом уравнение (3.44) из (3.43), и получим результат, эквивалентный (3.42).

Дополнив уравнения (3.39) (3.40) (3.43) (3.44) основным уравнением электростатики, имеющим в данном случае вид

−dE dx = 4πe(N+ − N−),

(29.8)
получим замкнутую систему уравнений для неизвестных N+(x), N−(x), j+(x), j−(x), E(x).

Из(3.39), (3.40) функции N+(x), N−(x) можно выразить через j+, j−, E или, после замены ( с помощью (3.41)) j− = j − j+, через j+,E и j. Подставив полученные выражения для N+,N− в уравнение (3.43), получим

dj+ dx − χ eb+b−j+(j − j+) E2 = −eṄ0,

(29.9)
а подстановка тех же N+,N− в уравнение (3.45) дает dE2 dx = −8π j+ 1 b+ + 1 b−− j b−,

или, будучи разрешено относительно j+, выражение

j+ = b+b− 8π(b+ + b−) 8πj b− −dE2 dx .

(29.10)

Подставляя последнее соотношение в (3.46), получаем нелинейное уравнение второго порядка

F d2F dx2 + χ 8πe(b+ + b− 8πj b− −dF dx 8πj b+ + dF dx − 8πeṄ0b+ + b− b+b− F = 0

(29.11)
для квадрата напряженности электрического поля
F(x) = E2(x).

(29.12)
Таким образом, задача свелась к определению функции (3.49) из уравнения (3.48), куда в качестве свободного параметра входит неизвестная плотность тока j.

Обратимся к граничным условиям. Первое из них

∫ 0dF(x)dx = U

(29.13)
обеспечивает заданное напряжение между электродами. Условия
j = j+(0),j = j−(d),

(29.14)
последнее из которых на основание (3.41) можно заменить условием j+(d) = 0, отвечают за неизменность во времени суммарного количества зарядов в газовом промежутке. Переходя, согласно (3.47), (3.49), к переменной F, условия (3.51) можно представить в виде
dF dx(0) = −8πj b+ ,dF dx (d) = 8πj b− .

(29.15)
Итак, для функции F(x) и свободного параметра j имеем уравнение второго порядка (3.48) и три граничных условия (3.50), (3.52); математическая формулировка задачи завершена.

Для исследования задачи перейдем к безразмерным переменным, используя в качестве масштабов для F, j, x соответственно E02, eṄ 0 χ (b+ + b−)E0 и d, где E0 = U∕d. Для безразмерной координаты оставим прежнее обозначение x, а безразмерные F, j снабдим волнистой чертой, так что

F = E02F̃,j = eṄ 0 χ (b+ + b−)E0 j̃.

(29.16)
В безразмерных переменных задача (3.48), (3.50), (3.52) приобретает вид F̃d2F̃ dx2 − p dF̃ dx 2 + ϰj̃ +b−− b+ b+ b− dF̃∗ dx + ϰ2F̃ − ϰ2j̃ +2 = 0(3.48′)

∫ 01F̃dx = 1(3.50′)

dF̃ dx (0) = −ϰj̃+b− b+,dF̃ dx (1) = ϰj̃+b+ b−,(3.51′)

где

p = χ 8πe(b+ + b−),ϰ = 8πeṄ 0 χ d E0 b− + b+ b+ b−

- безразмерные параметры, характеризующие условия задачи, причем p определяется физическими свойствами газа, а ϰ зависит от внешних условий проведения опыта, характеризуемых межэлектродным расстоянием d, масштабом поля E0 и скоростью образования ионов Ṅ0. По численному значению p имеет порядок единицы. Так, например, для Np = 103 1 см3 , Ṅ0 = 2 1 см3⋅с, приведенных в §31, имеем χ = 2 ⋅ 10−6см3 с ; приняв для подвижностей значения b = 1см2 сВ = 300 абс.ед., отсюда получаем

p = 2 ⋅ 10−6 8π ⋅ 4,8 ⋅ 10−10 ⋅ 600 = 1 4.

Параметр ϰ может иметь значения от 0 до ∞.

Интегрирование уравнения (3.48′) для произвольных значений параметров p, ϰ представляет большие трудности. Здесь ограничимся рассмотрением предельных случаев.

Случай ϰ ≪ 1 сильных полей, когда приложенное электрическое поле велико по сравнению с характерным полем

E∗ = 8πeṄ 0 χ d.

Наличие в задаче малого параметра позволяет искомые величины представлять в виде разложений по степеням этого параметра. В данном случае решения целесообразно строить в виде разложений

ϰj̃ = I0 + I1ϰ2 + I 2(ϰ2)2 + …,

F̃(x) = F̃0(x) + F̃1(x)ϰ2 + F̃ 2(ϰ2)2 + …

по степеням ϰ2 для функции F̃(x) и комплекса ϰj̃ заметив, во-первых, что безразмерная плотность тока j̃ входит в задачу только в составе ϰj̃ и, во-вторых, что после такой замены в уравнении (3.48’) остается параметр ϰ только в квадрате.

Не останавливаясь на стандартных шагах по определению коэффициентов разложения, приведем результат:

j̃ = pϰ b+ b− b+ + b− 1 −1 6p2ϰ2 + O(ϰ4),

F̃(x) = 1 + p∕2 (x − x∗)2 − C 0 ϰ2 + O(ϰ4),

где

x∗ = b− b+ + b− > 1 2,C0 = x∗(x∗− 1) + 1 3.

Отсюда для распределения электрического поля в межэлектродном пространстве E(x) и для плотности тока j получаем

E(x) = F(x) = E0F ̃ (x) = E0 1 + pϰ2∕4 (x − x ∗)2 − C 0 + O ϰ4 ,

j = eṄ 0 χ b+ + b−E0j̃ = eṄ0d 1 −1 6p2ϰ2 + O(ϰ4),

т. е. при E0 ≫ E∗ плотность тока отличается от тока насыщения js (3.37) и электрическое поле отличается от однородного поля E0 только слагаемыми, пропорциональными (E∗∕E0)2 ≪ 1/ При этом, как следует из (3.45) , имеет место слабое отклонение от квазинейтральности: со стороны катода на интервале 0 < x < x∗ концентрация положительных ионов превалирует над отрицательными, а при x > x∗ имеет место обратная ситуация.

Второй предельный случай ϰ ≫ 1 полей E0 ≪ E∗ При этом уравнение (3.48’) можно упростить, оставляя, в квадратной скобке лишь слагаемые, пропорциональные ϰ2:

F̃d2F̃ dx2 − pϰ2(F̃ −j̃2) = 0.

(29.17)
Первый интеграл этого уравнения
dF̃ dx 2 = 2pϰ2(F̃ −j̃2 lnCF̃)

(29.18)
получается стандартным приемом интегрирования уравнения, не содержащего независимой переменной. Второй раз проинтегрировать полученное уравнение не удается и поэтому константа интегрирования C остается неопределенной.

Вспомнив о возможностях, предоставляемых малым параметром, можно переписать уравнение (3.54) в виде

1 pϰ2F̃d2F̃ dx2 − (F̃ −j̃2) = 0,

содержащем малый параметр, и постараться построить решение с помощью разложения по малому параметру. Но этот прием здесь не проходит, так как решение нулевого приближения

F̃0 = j̃2 = const

(29.19)
граничным условием (3.51’) удовлетворить не может. Это — общее свойство так называемых уравнений с малым параметром при старшей производной. Порядок этих уравнений понижается по крайней мере на единицу при обращении малого параметра в нуль и, вследствие этого, их решения всем граничным условия исходного уравнения удовлетворить не могут. В математике разработаны определенные приемы построения асимптотических разложений для подобных уравнений. В случае уравнения (3.54) важно обратить внимание, что вблизи границ, где заданы условия (3.51′), решение должно быть отлично от нулевого приближения (3.56). При этом благодаря большим значениям второй производной, возникающим из-за ϰ ≫ 1, решение быстро выходит на асимптотическое значение F̃ = F̃0 нулевого приближения. Тогда, выбрав определенный знак для производной dF̃∕dx согласующийся с условиями (3.51′), первый интеграл (3.55) вблизи границы x запишем в виде dF̃ dx = −2pϰF ̃ − F ̃ 0 ln CF̃.

Значение константы C определим из условия dF̃∕dx → 0 при F̃ →F̃0, откуда lnCF̃0 = 1, и в результате получим

dF̃ dx = −2pF ̃ 0ϰ F ̃ F̃0 − 1 − ln F̃ F̃0.

Из последнего выражения при учете граничного условия

dF̃ dx (0) = −ϰb− b+F ̃ 0

получается соотношение

F̃(0) F̃0 − ln F̃(0) F̃0 = 1 + 1 2p b− b+,

определяющее значение функции F̃(x) в точке x = 0.

Аналогично для правого электрода (анода)имеем

F̃(1) F̃0 − ln F̃(1) F̃0 = 1 + 1 2p b+ b−.

Так как p ∼ 1, b− > b+, отсюда следует, что

F̃(0) ≳ eF̃0,F̃0 < F̃(1) < F̃(0).

До сих пор константа F̃0 еще не определена. Для ее определения (из условия (3.50′)) нужна функция F̃(x), которая здесь точно не исследована. Качественное поведение этой функции из проведенного анализа легко представить в виде ее схематического изображения (рис. 51). "Пограничные слои", в которых в которых функция от значений F̃(0), F̃(1) переходит на F̃0, имеют толщину порядка 1∕ϰ, следовательно,

∫ 01F ̃ (x)dx = F̃ 0[1 + O(1∕ϰ)],

и из условия (3.50′) имеем

F̃0 = 1 − O(1∕ϰ),j̃ = F ̃ 0 = 1 − O(1∕ϰ).

Таким образом, в слабых полях E0 ≪ E∗ плотность тока

j = eNp(b+ + b−)E0[1 − O(E0∕E∗)]

подчиняется закону Ома, но при этом распределение электрического поля и концентрации ионов в приэлектродных слоях весьма существенно отличаются от однородных. При этом, как видно из уравнения (3.45), в этих слоях скапливаются положительные и отрицательные ионы соответственно у катода и анода.