§3. Несамостоятельные газовые разряды.

Считали, что газ является нейтральной средой, т.е. не содержит заряженных частиц. В действительности в 1 см³ атмосферы содержится в среднем около 10³ положительных и отрицательных ионов. Скорость ионизации, для создания такой концентрации, равна . Ионизация обусловлена ультрафиолетовым, космическим излучением и радиоактивностью. Эти же лучи вызывают испускание электронов из поверхности электродов, установленных где угодно (2).

(1) В отсутствие электрического поля Е=0 устанавливается равновесное состояние - скорость генерации заряженных частиц равна скорости рекомбинации. В этом случае числа положительных ионов и электронов равны. Они совершают хаотическое, тепловое движение в объеме.

(2) Рассмотрим электрическую цепь, содержащий источник постоянного тока, делитель напряжения R, газоразрядную трубку с плоскими электродами, вольтметр - для измерения напряжения, гальванометр для измерения тока газового разряда. Ионизация газа в объеме газоразрядной трубки осуществляется с помощью внешнего ионизатора (1).

Число атомов, ионизируемых ежесекундно в каждом кубическом сантиметре газа обозначим через Z, то при , где β -коэффициент рекомбинации, a 𝑛 - концентрация ионов одного знака (1).

Если на электроды подать небольшую разность потенциалов, чтобы , то возникает ток, образуемый уже существующими ионами и электронами. Теперь, кроме рекомбинации, ионы и электроны нейтрализуются на электродах. При токе i за время ∆t на поверхность электрода падают ионы или электроны, число которых равны . Это означает, что из объема газа ток уводит заряд. Число пар зарядов (ион + электрон), уводимых из одного кубического сантиметра объема и за одну секунду будет равно , где s и - площадь электродов и расстояние между ними. Таким образом, теперь стационарное состояние газа будет сохраняться, если ионизатор обеспечивает генерацию зарядов в соответствии с уравнением

Рассмотрим два предельных случая: Плотность тока 𝑗 мала, но Е≥0. Например, при разности потенциалов на электродах 10 – 20 В, 𝑗 менее А/см². В этом случае , поэтому величиной — можно пренебречь, т.е. пренебрегаем числом зарядов, нейтрализующихся на электродах. В этих условиях прохождение тока через газ подобно прохождению тока через электролит и может быть описано формулой , т.е. это равенство выражает собой закон Ома. Он соблюдается до тех пор, пока число ионов в газе Z не зависит от тока разряда.

Второй предельный случай, когда , т.е. плотность тока достаточно большая, что вся убыль зарядов практически реализуется на электродах путем нейтрализации. Для этого случая имеет или . Число ионизованных атомов в объеме разрядной трубки зависит только от мощности ионизатора. Поэтому и называется плотностью тока насыщения. Если все сказанное обобщить и наглядно показать графически в виде зависимости тока разряда 𝑖 от разности потенциалов на электродах, то на графике можно выделить два участка: I -участок, газ в трубке является омическим проводником => , проводимостью которого зависит от скорости генерации ионов и электронов, коэффициента рекомбинации и подвижностей ионов и электронов.

II - участок. Значение напряженности Е (или значение 𝑈) достигает такой величины, когда все ионы и электроны успевают достичь электродов до рекомбинации. , т.е. плотность тока зависит только от скорости генерации зарядов, не зависит ни от E, ни от подвижностей. Постоянство тока разряда объясняется тем, что 1) , зависит только от мощности ионизатора; 2) Все ионы и электроны доходя до электродов до рекомбинации.

Такой газовый разряд называется несамостоятельным. Он реализуется, когда плотность тока менее . Разряд совершенно темный, ибо скорость возбуждения атомов мала, => следовательно, излучение света так же слабое, чтобы его (света) можно было бы заметить невооруженным глазом. Разряд несамостоятелен. Возникает и функционирует только при наличии внешнего воздействия - ионизатора, при отключении ионизатора - исчезает.

Темный разряд можно возбудить без внешних агентов, пользуясь нагретым катодом как источником электронов и можно достичь большой плотности тока разряда.

Применение несамостоятельного разряда.

Несамостоятельный разряд используется в атомной физике для измерения ионизирующего действия радиоактивных излучений. Например, число быстрых частиц, испускаемых радиоактивными веществами (например, α и β частицы), можно подсчитать, пользуясь их ионизационной способностью. Частица, проходя через газоразрядную трубку - теперь ее будем называть ионизационной камерой, будет инициировать (возбуждать) несамостоятельный разряд.

Конструктивно ионизационная камера состоит из трубки, покрытой экраном, который поглощает нежелательное внешнее излучение, трубка имеет узкое окно для регистрируемых частиц и наполнена газом при давлении несколько сантиметров ртутного столба. Трубка содержит цилиндрический катод и расположенный по его оси стрежневой анод. Электроды через сопротивление подключены к источнику постоянного напряжения. Выходной сигнал в виде напряжения снимается в момент разряда с сопротивления и усиливается обычным образом.

Камера работает следующим образом. Внутри камеры создают условия для возникновения тока насыщения. Проходящая через камеру частица создает некоторое число пар ионов, все ионы достигают электродов до рекомбинации и создают в цепи плотность тока в соответствии с равенством j=Zea=>j∆s=Zea∆s=ZeV или iZ. Таким образом, величина тока насыщения является пропорциональной числу пар ионов возникающих в камере, т.е. каждый раз в цепи возникает импульс тока несамостоятельного разряда. Число импульсов выходного напряжения, можно подсчитать с помощью электрической схемы. При этом параметры системы можно подобрать таким образом, что амплитуда (высота) импульса тока будет пропорциональна первоначальному числу пар ионов, т.е. амплитуда играет роль индикатора природы ионизующей частицы. Если одновременно нужно считать число частиц разных видов, то их можно различать (рассортировать) по значениям амплитуды импульса.

Путем изменения конструкции электродов можно локализовать (фиксировать) траекторию частицы. Для этого электроды делают в виде набора узких пластин в виде последовательно расположенных конденсаторов с зазорами друг от друга. Каждый импульс (в виде искрового разряда) возникает там, где частица пересекает соответствующий зазор, т.е. траектория обозначается в виде светящих точек (видимый искровой разряд - вспышка).

Система электродов

Между пластинами образуется однородное поле, напряжение достаточное для генерации видимой искры, которая распространяется вдоль силовых линий поля, т.е. перпендикулярно к пластинкам. Для измерения ионизирующего действия частиц (лучей) камеры градуируются в единицах мощности дозы.