Термоионизация

При значительном повышении температуры газа кинетическая энергия нейтральных частиц возрастает настолько, что становится возможной ионизация при их столкновении. Одновременно с ионизацией происходит рекомбинация заряженных частиц. Если наступает равновесие, то есть в единицу времени возникает и рекомбинирует одинаковое число заряженных частиц, то такое состояние газа можно характеризовать определённой степенью ионизации.

(2.27)

где N_и – концентрация ионизированных частиц;

N – общая концентрация частиц.

Степень ионизации газа при заданной температуре может быть рассчитана по формуле Саха (индийский учёный)

(2.28)

где Р – давление, мм.рт.ст.;

к– постоянная Больцмана, эВ/К;

W_и– энергия ионизации.

Газ в котором значительная часть частиц ионизирована, называется ПЛАЗМОЙ. Ионизация положительно и отрицательно заряженных частиц в плазме примерно одинаковы. Плазма – это четвёртое состояние вещества при высоких температурах.

Лавина электронов и условие самостоятельности заряда

Рассмотрим промежуток между 2-мя электронами в газе. Если в промежутке появляется электрон то, двигаясь к аноду, при достаточной напряжённости электрического поля он может при столкновении ионизировать молекулу газа. Образовавшийся при этом свободный электрон вместе с начальными ионизирует новые молекулы. Число свободных электронов будет непрерывно возрастать. Процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду, получил название лавины электронов.

(2.29)

где n – число электронов в лавине прошедших расстояние х;

_эф - эффективный коэффициент ударной ионизации.

При своём движении лавина электронов расширяется вследствие диффузии и электростатического расталкивания.

На рис.1 показаны зависимости диффузного и электростатического радиусов от пройдённой лавиной электронов пути в однородном поле с Е₀=30 кВ/см при нормальных атмосферных условиях.

Рис. 1. Зависимость диффузионного (1) и электростатического (г) радиусов лавины от пройденного ею пути в воздухе при Е₀=30кВ/см.

При числе электронов n<10⁴10⁵ радиус лавины определяется в основном диффузией, а при n>10⁵10⁶ – электростатическим расталкиванием.

В процессе ионизации одновременно с электронами образуются положительные ионы. Вследствие значительной разницы в подвижностях электронов и ионов за время движения лавины до анода положительные ионы практически остаются на месте их возникновения. Концентрация положительных ионов равна

(2.30)

где r – электростатический или диффузионный радиус лавины.

В природе постоянно действуют такие ионизаторы, как космические частицы, радиоактивное излучение Земли, ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря им в промежутке между электродами непрерывно возникают свободные электроны. Движение заряженных частиц в промежутке создаёт ток разряда между электродами. Если исключить действие внешнего ионизатора, ток в промежутке прекратится. Такой процесс, для поддержания которого необходим внешний ионизатор, называется несамостоятельным разрядом.

Для того чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо, чтобы в результате развития первоначальной лавины появился по крайней мере один вторичный электрон, способный создать новую лавину. Таким образом, условие самостоятельности разряда можно записать в общем виде как

(2.31)