Несамостоятельный газовый разряд.

Н есамостоятельным газовым разрядом наз. электропроводность газов, вызванная внешними ионизаторами. Разряд характеризуется кривой зависимости силы тока от напряжения между электродами (вольтамперная характеристика газового разряда).

Если напряжение подано на электроды, помещенные в газ, то в цепи ток практически отсутствует. Т.к. нет достаточно количества свободных зарядов. Если же какой – либо ионизатор (пламя, излучение и т.д.) создает в единице объема за единицу времени пар ионов, то по цепи идет ток .

Пусть газ, находящийся между электродами, подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизирующего агента (например, рентгеновских лучей). Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы.

Пусть в единице объема газового промежутка находится пар ионов. Наряду с процессом ионизации в газе происходит рекомбинация ионов, т.е. нейтрализация разноименных ионов при их встрече или воссоединение положительного иона и электрона в нейтральную молекулу. За единицу времени в единице объема возникает пар ионов, а пар ионов рекомбинирует. Число рекомбинирующих пар ионов пропорционально числу наличных ионов того и другого знака: , (т.к. вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов), где коэффициент рекомбинации. В состоянии равновесия число возникающих ионов равно числу рекомбинирующих. Отсюда для равновесной концентрации ионов получается .

Пример: Под действием космического излучения и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре, в 1 см³ атмосферного воздуха возникает в среднем несколько пар ионов в секунду. Коэффициент рекомбинации для воздуха . Подстановка этих чисел в формулу дает для равновесной концентрации ионов в воздухе значение порядка 10³ см^-3. Этой концентрации недостаточно для того, чтобы обусловить заметную проводимость. Чистый сухой воздух является очень хорошим изолятором.

Если подать напряжение на электроды, то убыль ионов будет происходить не только вследствие рекомбинации, но и за счет отсасывания ионов полем к электродам. Пусть пар ионов из единицы объема за единицу времени достигает электродов, т.е. участвует в электрическом токе. , где количество пар ионов, поступающих из всего объема на электроды за время , , где величина одного свободного заряда (как правило, молекула расщепляется на электрон и положительный одновалентный ион). Заменяя , , где .плотность тока

П о закону сохранения зарядов получаем баланс ионов: , где увеличение концентрации пар ионов за единицу времени. При установившемся процессе (постоянный ток через газ) , . Подставить найденные значения . Пока ток мал, и . Т.к. ( и - плотности токов положительных и отрицательных свободных зарядов), , где и подвижности положительных и отрицательных свободных зарядов. Т.о. при малых напряжениях выполняется закон Ома. По мере увеличения растет число заряженных частиц, достигающих электрода, и возрастает сила тока вплоть до такого значения , при котором все заряженные частицы, образующиеся в объеме газа в единицу времени, достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом . В этом случае и . плотность тока насыщения.

Максимальная сила тока , возможная при данной интенсивности ионизации, наз. током насыщения: , где максимальное число пар одновалентных ионов, образовавшихся в объеме газа за 1с. Проводимость газа на участке ОСА наз. несамостоятельной, т.к. ток прекращается, если выключить внешний ионизатор.

Крутое возрастание тока на участке АВ кривой на рис. связано с возникновением ударной ионизации: по мере увеличения напряжения увеличивается конечная скорость электронов (перед очередным столкновением). При определенном напряжении энергия, которую получают электроны в конце длины свободного пробега, достаточна для ионизации толчком (электроны, столкнувшись с молекулой, вызывают ее ионизацию, возникшие при этом свободные электроны, разогнавшись, в свою очередь вызывают ионизацию), число ионов лавинообразно растет. Однако процесс не утрачивает характер несамостоятельного разряда, т.к. после прекращения действия внешнего ионизатора разряд продолжается только до тех пор, пока все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода. Для того, чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо наличие двух встречных лавин ионов, что возможно только в том случае, если ионизацию ударом способны вызвать носители обоих знаков.

Образуется двусторонняя лавина, т.е. самостоятельный разряд. Внешний ионизатор теперь не нужен. Работа электрического поля на длине свободного пробега электрона , где потенциал ионизации, разность потенциалов, пройдя которую электрон приобретает энергию ионизации .

Такого же результата (создания самостоятельного разряда) можно добиться при малых напряжениях, увеличивая длину свободного пробега, т.е. уменьшая давление (газовый разряд в трубках с инертными газами, в неоновой лампе, в тиратроне и т.д.)

Плотность электрического тока в газах

1. когда ток далек от насыщения: , где напряженность поля; число ионов каждого знака (число пар ионов), находящихся в единице объема газа. Для газа , где число пар ионов, создаваемых ионизирующим агентом в единице объема в единицу времени, коэффициент рекомбинации, и - подвижности ионов.

2. плотность тока насыщения в газе: , где расстояние между электродами.

Задача 3. Между пластинами конденсатора площадью 250 см² каждая находится 375 см³ водорода. Концентрация ионов в газе . Какое напряжение нужно приложить к пластинам, чтобы получить ток силой 2 мкА? Подвижность ионов: положительных , отрицательных .

Р

Дано:

, , , ,

ешение:

Н апряжение на пластинах конденсатора связано с напряженностью электрического поля и расстоянием между пластинами соотношением . Напряженность поля может быть найдена из выражения плотности тока . Т.к. , то . Т.к. объем пространства, заключенного между пластинами, и , получаем . Произведем вычисления и получим .

Ответ: .

Задача 4. Ток насыщения при несамостоятельном разряде . Найдите число пар ионов, создаваемых за 1 с внешним ионизатором.

Р

Дано:

,

ешение:

, , откуда

Ответ: .

В ажно: несамостоятельные разрядные токи, усиленные за счет размножения носителей, пропорциональны числу первичных ионов, создаваемых внешним ионизатором. Это свойство используется в пропорциональных счетчиках.

И онизационные камеры и счетчики применяются для обнаружения и счета элементарных частиц, а также для измерения интенсивности рентгеновского и гамма – излучения. Действие этих приборов основано на использовании несамостоятельного газового разряда. Принципиальные схемы их одинаковы. Отличаются только режимом работы и конструктивными особенностями. Счетчик состоит из цилиндрического корпуса, по оси которого натянута укрепленная на изоляторах тонкая нить (анод). катодом служит корпус счетчика. Для впуска ионизирующих частиц в торце счетчика делается окошко из слюды или из алюминиевой фольги. Некоторые частицы, а также рентгеновское и гамма-излучение проникает в счетчик непосредственно через стенки.

Допустим, что в пространство между электродами влетает заряженная частица, которая создает пар первичных ионов (электронов и положительных ионов). Возникшие ионы увлекаются полем к электродам, вследствие чего через сопротивление проходит некоторый разряд , который будем называть импульсом тока. На рис приведена зависимость импульса тока от напряжения для двух различных количеств первичных ионов, отличающихся в 3 раза (выше соответствует большему N). Области на графике: II- область тока насыщения (импульс тока не зависит от напряжения), III – область пропорциональности, U_З – порог пропорциональности (если поддерживать напряжение постоянным, импульс тока будет пропорционален количеству первичных ионов), IV - область частичной пропорциональности (различие в импульсах тока, порожденных различным количеством первичных ионов, все больше сглаживается), V – область Гейгера, U_g –порог этой области (процесс приобретает характер самостоятельного разряда), VI – область непрерывного разряда (напряжение столь велико, что разряд, возникнув, не прекращается).