4. Види йонізації

Розрізняють поверхневу та об’ємну йонізацію. Об’ємна йонізація – утворення заряджених частинок в об’ємі газу між електродами. Поверхнева йонізація – випромінювання (емісія) заряджених частинок з поверхні електродів.

Об’ємна йонізація поділяється на:

1. ударну йонізацію;

2. ступінчасту йонізацію;

3. фотойонізацію;

4. термойонізацію.

Ударна йонізація – співударяння електрона з нейтральним атомом чи молекулою. Якщо до проміжку між електродами в газі прикладена напруга, то заряджені частинки крім теплової швидкості набувають під дією електричного поля напрямлену швидкість

919\* MERGEFORMAT (.)

де - швидкість, см/с; - коефіцієнт пропорційності, що отримав назву «рухливість» - швидкість дрейфу зарядженої частинки в електричному полі з , [см²/(В·с) – розмірність рухливості ]:

– рухливість електронів;

– рухливість йонів;

– напруженість зовнішнього електричного поля, В/см.

При цьому кінетична енергія може бути суттєво більшою за теплову енергію і достатньою для здійснення ударної йонізації нейтральних частинок. Умова йонізації може бути записана у вигляді:

10110\* MERGEFORMAT (.)

де – ефективна маса зарядженої частинки, кг ( - ефективна маса електрона; - ефективна маса протона); – швидкість руху зарядженої частинки, м/с; - енергія йонізації нейтрального атома чи молекули, еВ.

Оскільки швидкість електронів значно більша від швидкості йонів, то ударна йонізація йонами малоефективна і визначною є ударна йонізація електронами.

На рис 1.3, а наведена схема ударної йонізації електроном.

Рисунок 1.3 – Схеми об’ємної йонізації газу

а) ударна йонізація; б) ступінчаста йонізація; в) фотойонізація; - елементарний заряд електрона ( ), - маса зарядженої частинки

Умовою ударної йонізації електроном є:

де - ефективна маса зарядженої частинки (маса електрона); - швидкість електронів; - енергія йонізації молекули (атома).

Ступінчаста йонізація відбувається тоді, коли енергія першого електрона, який діє на нейтральний атом чи молекулу, приводить атом тільки у збуджений стан, тобто енергія електрона недостатня для йонізації. Дія другого електрона на збуджений атом чи молекулу призводить до йонізації. Час між дією першого і другого електронів повинен бути не більшим за час знаходження нейтрального атома чи молекули в збудженому стані. На рис. 1.3, б, наведено схему ступінчастої йонізації. Умовою ступінчастої йонізації є:

де - маса електрона; - швидкості електронів; - енергія йонізації молекули (атома).

Для здійснення фотойонізації в об’ємі газу енергія фотонів, що випромінюється збудженими атомами чи молекулами, повинна бути більшою за енергію йонізації при поглинанні фотона нейтральним атомом чи молекулою. Цей процес успішно здійснюється в суміші газів (повітря). При фотойонізації можлива і ступінчаста йонізація. На рис. 1.3, в, зображена схема фотойонізації. Умовою фотойонізації є:

де - стала Планка; - власна частота фотона.

Термойонізація обумовлена тепловим станом газу і може відбуватися в результаті таких актів:

1. звільнення йону при співударянні між атомами і молекулами при високих температурах;

2. фотойонізація нейтральних атомів і молекул, збуджених в результаті теплової взаємодії при високих температурах;

3. йонізація при зіткненні електрона з нейтральним атомом чи молекулою при високих температурах.

В газі при тепловому русі відбувається дисоціація молекул раніше, ніж відбудеться йонізація, оскільки енергія дисоціації менша, ніж енергія йонізації. В таблиці 1.2 як приклад наведені енергія дисоціації та йонізації для деяких газів.

Таблиця 1.2 – Енергії дисоціації та йонізації

Молекула	Енергія дисоціації, еВ	Атом	Енергія йонізації, еВ
О2	5,17	О	13,6
N2	9,77	N	14,5

Поверхнева йонізація (емісія електронів) здійснюється за рахунок:

1. бомбардування поверхні катода додатними йонами – вторинна електронна емісія (схема наведена на рис. 1.4, а);

де - маса йона; - швидкість йону; - енергія виходу електрона.

2. променистої енергії, що опромінює катод, - ультрафіолетове світло, рентген, випромінювання збуджених атомів і молекул в об’ємі газу між електродами – фотоемісія (схема приведена на рис. 1.4, б); при цьому умова для виходу електрона з поверхні:

де - стала Планка; - частота випромінювання фотона; - енергія виходу електрона.

3. нагріву поверхні катода – термоелектронна емісія (схема наведена на рис 1.4, в);

4. енергії зовнішнього електричного поля – автоелектронна чи холодна емісія (схема наведена на рис 1.4, г) можлива при напруженості електричного поля більше 3·10² кВ/см.

Для реалізації поверхневої йонізації необхідно, щоб енергія впливу була більшою за енергію виходу електрона з катода . Енергія нижча за енергію об’ємної йонізації приблизно в 2 рази і більше і залежить від матеріалу електрода. Для мідних і стальних електродів в повітрі робота виходу складає .

Рисунок 1.4 – Схеми поверхневої йонізації

а) йонізація йоном; б) йонізація квантом світла; в) термойонізація; г) автоелектронна йонізація.