Введение

Газовым разрядом называют совокупность процессов, сопровождающих приобретение газом свойств электропроводности под действием приложенного электрического поля. Такие поля могут быть различного вида, например, постоянное или медленно меняющееся, быстропеременные высокочастотное или сверхвысокочастотное, световое. Газовый разряд является наиболее простым методом получения газоразрядной плазмы. Такая плазма обладает рядом уникальных свойств, что определяет ее эффективное использование в физическом эксперименте, в газоразрядных электронных приборах, важнейшими типами которых являются газоразрядные источники света и газоразрядные лазеры различных типов, а также в ионной технологии для микроэлектроники: ионном распылении материалов для получения тонких пленок, ионном травлении для получения атомарно чистых поверхностей и др.

Нельзя не перечислить ряд прекрасных книг и энциклопедических изданий в данной области, таких, как [1–7].

§1 Электрический ток в газе

Термином газовый разряд пользуются тогда, когда хотят сказать, что в газообразной среде протекает электрический ток. По определению ток представляет собой движение электрических зарядов в одном направлении. Движение осуществляется в изолированном объеме, заполненном вещественной средой. В зависимости от того, в какой среде и каким образом осуществляется направленное движение электрических зарядов, различают следующие виды электрического тока:

1. Переносный или конвекционный ток – когда заряженные тела механически движутся в пространстве, такое механическое движение рождает электрический ток по траектории этого тела.

2. Электрический ток в вакууме. Заряд любой величины состоит из суммы элементарных зарядов, meq = ∑e. Носителями отрицательного заряда являются электроны, m=9,1·10^-31 кг. Легко осуществить движение электронов в вакууме.

3. Электрический ток в проводнике – это направленное движение электронов вдоль проводника.

4. Электрический ток в электролитах (водные растворы солей, кислот и др.)

Для перечисленных вариантов характерно наличие готовых и свободных зарядов в той среде, где реализуется электрический ток. Например, в проводниках – металлах электроны являются свободными в том смысле, что могут перемещаться в пределах объема проводника. Поэтому направленное движение реализуется, когда внутри проводника создается электрическое поле, т.е. . Эта сила реализует направленное движение зарядов.

Технически электрическое поле внутри объема проводника создается с помощью источника тока. Источник тока – это устройство, где неэлектрические виды энергии превращаются в энергию электрического тока. Характеристиками источника являются ЭДС, внутреннее сопротивление и зависимость напряжения на клеммах от силы тока, U = f(I). Она еще называется вольтамперной характеристикой источника тока. Электрический ток реализуется только в изолированной замкнутой системе. В технике эта система называется электрической цепью и представляет собой совокупность устройств, образующих замкнутый путь (контур) для электрического тока. К этим устройствам относятся (электрическая цепь содержит): источники электроэнергии, приемники (потребители электроэнергию), преобразователи и соединительные провода. В состав цепи входят также аппаратура защиты (предохранители), коммутации (выключатели, переключатели), измерительные и контрольные приборы.

Простейшая электрическая цепь для получения электрического тока состоит из источника тока, потребителя электроэнергии (приемник, нагрузка), соединительных проводов и измерительных приборов.

В такой замкнутой цепи возникает электрический ток, приборы показывают наличие тока. Для получения электрического заряда разрываем цепь, приборы не обнаруживают ток. Например, каждый раз поворачивая выключатель, мы тем самым создаем воздушный промежуток между двумя точками цепи.

Изолирующие свойства газов объясняется тем, что атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными, незаряженными частицами. Поэтому в обычных условиях в газе почти нет свободных носителей заряда, движение которых могло бы создать заметный электрический ток.

Газовый промежуток является отдельным элементом электрической цепи, содержит два электрода, изолируется от окружающего пространства. Следовательно, газ в объеме газового промежутка находится в определенном состоянии с параметрами P, V, T. На протекание газового разряда влияют характеристики электрической цепи. В общем случае тип (форма, вид) разряда зависит от величины тока, природы газа и его давления, напряженности и частоты электрического поля, материала электродов, геометрии и размеров газового промежутка и т. д.

Газовый разряд может возникнуть в широком диапазоне давлений газа; ток может изменяться от 10^-15А до 10⁶A и более. Реализуются как стационарные, так и нестационарные газовые разряды очень малой длительности (микросекунды).

В зависимости от величины переносимого тока выделяют три типа стационарного газового разряда:

1. Таунсендовский или темный разряд (ток менее 10^-6 А).

2. Тлеющий разряд (ток от 10^-6 до 10^-1 А).

3. Дуговой разряд (ток более 10^-1 А).

Они отличаются по своему внешнему виду и по процессам, протекающим в них.

Фундаментальные физические процессы в газовых разрядах.

Молекулярно-кинетическая теория однородного газа. Газ состоит из большого числа одинаковых нейтральных молекул, размеры молекул малы по сравнению со средним расстоянием между ними (~1:10). Молекулы находятся в состоянии непрерывного теплового (хаотического) движения. В процессе такого движения молекулы взаимодействуют (сталкиваются) друг с другом и со стенками сосуда. Предполагая, что молекулы являются сферическими частицами и сталкиваются абсолютно упруго друг с другом и со стенками сосуда удается связывать макроскопические свойства газа (параметры Р, V, Т) со средним поведением его частиц. Например, рассматривая обмен импульсами частицы со стенкой, определяют действующую на стенку среднюю силу со стороны молекул, т.е. давление газа.

где n - концентрация частиц, m - масса отдельной частицы, V - среднеквадратичная скорость теплового движения. С учетом уравнения состояния идеального газа PV = RT можно получить: P = nkT; ε = kT- средняя кинетическая энергия одной частицы. При комнатной температуре средняя кинетическая энергия, приходящаяся на одну частицу приблизительно равна 0,04эВ. Из формулы ε = kT следует, что средняя кинетическая энергия молекулы не зависит от массы, т.е. всегда kT для любой молекулы. Следовательно, , легкие частицы имеют большие средние скорости, чем тяжелые частицы. Столкновения частиц характеризуется средней длиной свободного пробега частиц газа λ, т.е. это среднее расстояние, проходимое частицами без соударений. Для однородного идеального газа имеем из определения d = r₁ +r₂.

Для смеси газов средняя длина пробега частицы типа 1 между столкновениями с частицами другого типа 2 дается уравнением

, где

Рассмотрим случай, когда газовый разряд происходит в газе, состоящем из нейтральных молекул одного сорта, но с небольшой концентрацией ионов и электронов. Это уже неоднородная среда. Предположим, что столкновения ионов и электронов друг с другом можно не учитывать из-за малости их концентрации. Пренебрегаем массой и размером электрона по сравнению с массой и размером молекул газа. При этих допущениях для средней длины свободного пробега электрона в газе получаем формулу

В этой формуле учтено, что скорость электронов из-за малой массы во много раз больше скорости молекул газа, поэтому нет числа в формуле.

С учетом P=nkТ следует, что , т.е. зависит от температуры Т и от давления Р.

Среднее время между столкновениями частиц , а частота столкновении частиц за одну секунду

Электроны и ионы являются носителями тока в газе, т.е. при наличии электрического поля в газовом промежутке совершают направленное движение. Это движение сопровождается соударениями с частицами газа. Влияние таких соударений существенно для переноса тока через газы.

Структура атомов.

Выше полученные формулы не очень верны, ибо на самом деле молекулы газа не являются абсолютно упругими сферическими частицами постоянного (фиксированного) диаметра, т.е. реальные молекулы имеют структуру. При определении структуры (внутреннего строения) атомов воспользуемся постулатами Бора и ядерной моделью атома (моделью Резерфорда). Основные положения:

1. Атом является сложной системой, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц.

2. Положительные заряды размещены в центре атома (ядра), а отрицательные вращаются по определенным орбитам.

3. Реально существуют только такие орбиты, радиусы которых определяются из квантового условия

, где n= 1,2,3...

т.е. существует бесконечно много орбит с радиусами, определяемыми квантовым числом n.

Между положительно заряженным ядром – заряд =z_е, z - порядковый

номер элемента в таблице Менделеева и электроном на расстоянии r,

действует Кулоновская сила . В результате электрон движется по

Фундаментальные физические процессы в газовых разрядах. 3

Структура атомов. 4

Структура молекул. 6

Процессы столкновения в ионизованном газе. 8

Присоединение электрона и рекомбинация. 10

Поглощение и испускание излучения. 10

Подвижность частиц в ионизованном газе. 11

Диффузия заряженных частиц в ионизованном газе. 12