2. Образование отрицательных ионов и рекомбинация заряженных частиц

При ионизации нейтральной молекулы образуются положительный ион и свободный электрон. Свободный электрон может слиться с нейтральной молекулой и образовать отрицательный ион. Это связано с наличием у атомов, входящих в молекулы свободных внешних устойчивых орбит, на которые может попасть электрон.

Сродство нейтральных молекул к электронам выражается энергией, которая выделяется при слиянии молекулы с электроном или которую необходимо затратить на это слияние. В первом случае энергия сродства положительная, во втором – отрицательная. Значение потенциалов сродства (U_cp) для газов приведено в табл. 3.

Таблица 3 - Потенциал сродства с электронами для некоторых газов.

Газ	Постоянная сродства Ucp, эВ	Газ	Постоянная сродства Ucp, эВ
Кислород О2	+ 2,2	Азот N2	– 0,6
Водород Н2	+ 0,75	Аргон Ar	– 1,0
Хлор Cl2	+ 3,8	Неон Ne	– 1,2
Фтор	+ 3,9

Газы с положительной энергией сродства называются электроотрицательными. Молекулы этих газов захватывают свободные электроны. Выделяющаяся энергия излучается или же поглощается колебаниями молекул. Из природных газов наибольшим сродством к электронам обладают кислород, фтор.

Рекомбинация заряженных частиц. Процесс рекомбинации обратен процессу ионизации. Если при ионизации возникают заряженные частицы, то при рекомбинации заряды частиц взаимно компенсируются. Возможна электронная рекомбинация (рис. 6), т.е. рекомбинация электрона с положительным ионом, когда возникает нейтральная молекула. В результате рекомбинации выделяется энергия в виде фотонов.

а)

б)

Рис. 6. Схема рекомбинации положительного иона с электроном (а) и отрицательным ионом (б)

2. Коэффициент ударной ионизации

Заряженные частицы, образованные в результате ионизации, перемещаются вдоль силовых линий поля и диффундируют в окружающее пространство. Перемещение частиц ведет к перераспределению объемного заряда и электрического поля в межэлектродном промежутке.

Частица двигается с некоторой скоростью, величина которой пропорциональна силе F = kqE:

V = kE

где v – скорость движения частицы;

k – коэффициент подвижности, численно равный скорости движения частицы см/с, при Е = 1 кВ/см.

При нормальных атмосферных условиях:

– подвижность положительных ионов;

– подвижность отрицательных ионов;

– подвижность электронов (при Е > 100 В/см).

Коэффициент ударной ионизации. В электрическом поле напряженностью Е для ионизации одной молекулы газа электрон должен пробежать до столкновения с молекулой путь ,

где U_и – напряжение ионизации;

Е_и – напряженность поля.

Ионизация молекулы электроном происходит, если путь пробега Х достигает Х_и, необходимого для однократной ионизации.

Следовательно,

Вер.{ионизации при столкновении} Y = Вер.{пробега Х_и} = ,

где _е – средняя длина свободного пробега электрона.

Средняя длина свободного пробега электрона _е обратно пропорциональна плотности газа , т.е. .

Значение коэффициента А_ для разных газов приведена в табл. 4. Там же даны значения _е при нормальных атмосферных условиях.

Таблица 4 - Значения коэффициента А_ и длины свободного пробега электрона при нормальной плотности воздуха.

Газ	А, см-1	е, см
Воздух	11,1103	0,0910-3
Водород Н2	3,8105	0,2610-3
Азот N2	9,6103	0,110-3

Подставляя в выражения и находим, что

Вер. {ионизации при столкновении} = .

Определим число ионизаций, совершаемых электром на пути в 1 см. Если средняя длина свободного пробега электрона _е (см), то среднее число столкновений на 1 см равно 1/_е. Число ионизаций электрона на пути в 1 см называется коэффициентом ударной ионизации и обозначается . Следовательно

.

Существует функциональная зависимость вида (рис. 7),

где  – плотность газа;

 – коэффициент ударной ионизации;

Е – напряженность электрического поля между электродами.

На рис. 7 показана такая зависимость для воздуха. При нормальных атмосферных условиях ( = 1) минимальная напряженность поля, при котором еще возможна заметная ионизация, лежит около 20 кВ/см. С ростом Е коэффициент  быстро растет.

Рис. 7. Зависимость  для воздуха

Зависимость коэффициента ударной ионизации аппроксимируется следующим выражением:

, (1.1)

где – напряженность поля;

– относительная плотность газа;

a и h – постоянные для данного газа, например, для воздуха ; .