1.1.2. Виды ионизации

В отсутствие внешнего электрического поля атомы и молекулы газа находятся в состоянии хаотического (теплового) движения, постоянно сталкиваясь с другими частицами. Если на единице длины пути частица испытала столкновений, то средняя длина ее свободного пробега  равна:

(1.3)

Значение параметра  зависит от концентрации частиц и, следовательно, от давления и температуры газа. С увеличением давления и уменьшением температуры  уменьшается. Частицы газа при тепловом движении перемещаются беспорядочно. Наличие внешнего электрического поля приводит к возникновению направленного движения заряженных частиц, т. е. к появлению в газе электрического тока.

При рассмотрении процессов возникновения и исчезновения свободных заряженных частиц в газе можно считать электроны частицами и не учитывать их волновые свойства. Когда электроны атомов находятся на ближайших к ядру орбитах, потенциальная энергия атома минимальна, и такое состояние атома является устойчивым. Переход одного или нескольких электронов с орбит, близких к ядру, на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с электроном или при поглощении коротковолнового излучения (фотовозбуждение).

Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет величину порядка ~ с. Возвращение атома в устойчивое состояние происходит самопроизвольно и часто сопровождается излучением фотона.

Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуется две независимые частицы: электрон и положительный ион. Энергия, необходимая для осуществления акта ионизации, называется энергией ионизации. Энергия возбуждения и ионизации выражается в электронвольтах (эВ). Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых газов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Значения минимальной энергии возбуждения и ионизации некоторых газов

Газ	Минимальная энергия, эВ
	Возбуждение	Ионизация
N2	6,1	15,5
N	6,3	14,5
O2	7,9	12,5
O	9,1	13,6
H2O	7,6	12,7

Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация. Вследствие действия двух противоположных факторов – ионизации и рекомбинации – устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует определенное количество заряженных частиц. Это равновесное состояние характеризуется определенной степенью ионизации газа ψ, которая определяется отношением концентрации ионизированных частиц n к общей концентрации частиц N:

. (1.4)

Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

При столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой возможны захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.), а газы, в которых отрицательные ионы не образуются, – электроположительными (азот, гелий).

Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы, кроме тепловой скорости, приобретают под действием электрического поля направленную скорость. Если электрическое поле велико, то при этом кинетическая энергия частиц может превысить тепловую энергию и стать достаточной для ударной ионизации атомов. Энергия электронов и ионов W_E, приобретенная от поля, определяется как

(1.5)

Условие ионизации может быть записано в виде

, (1.6)

где e – элементарный заряд; E – напряженность электрического поля; m – эффективная масса заряженной частицы; V – скорость движения заряженных частиц; W_и – энергия ионизации нейтрального атома или молекулы.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, то ударная ионизация ионами, несмотря на их большую массу, малоэффективна и определяющей является ионизация электронным ударом.

Различают объемную ионизацию и эмиссию заряженных частиц с поверхности электродов (поверхностную ионизацию).

Объемная ионизация – совокупность различных ионизационных процессов в межэлектродном пространстве.

Эмиссия – испускание заряженных частиц поверхностью электродов.

Объемная ионизация, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:

1) ударная ионизация электронами;

2) ступенчатая ионизация электронами;

3) фотоионизация;

4) термоионизация.

Ударная ионизация – образование иона при соударении электрона с нейтральными атомом или молекулой (рис. 1.2, а).

Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия первого воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит частицу только в возбужденное состояние, т. е. недостаточна для ионизации. Воздействие следующего электрона (одного или нескольких) на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации (рис. 1.2, б). Время между воздействием первого и последующего электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоянии.

Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов, образованных в результате воздействия, например, космического или тормозного излучения, должна быть больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой (рис. 1.2, в). Фотоионизация возможна в ступенчатой форме.

Рис. 1.2. Схемы объемной ионизации газа

Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате: освобождения электрона при соударениях между атомами и молекулами при высоких температурах; фотоионизации нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате тепловых взаимодействий при высоких температурах; ионизации при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах. В газах при тепловом движении диссоциация молекул происходит при меньшей энергии, чем ионизация.

В табл. 1.2 в качестве примера приведены энергии диссоциации и ионизации для некоторых газов.

Таблица 1.2

Значения энергии диссоциации и ионизации некоторых газов

Молекула	Энергия диссоциации, эВ	Атом	Энергия ионизации, эВ
О2	5,17	O	13,6
N2	9,77	N	14,5

Эмиссия заряженных частиц с поверхности осуществляется за счет:

а) бомбардировки поверхности катода положительными ионами (вторичная эмиссия) (рис. 1.3, а);

б) облучения катода ультрафиолетовым светом, рентгеновским или более коротковолновым излучением (фотоэмиссия) (рис. 1.3, б);

в) нагрева поверхности катода – термоэлектронная эмиссия (рис. 1.3, в);

г) воздействия внешнего электрического поля – автоэлектронная или холодная эмиссия (рис. 1.3, г).

Рис. 1.3. Схема различных видов эмиссии: при условии а) ; б) ; в) ; г)

Для реализации эмиссии необходимо, чтобы энергия воздействия на поверхность катода была больше энергии выхода электрона из катода W_вых. Энергия W_вых ниже энергии ударной ионизации примерно в 2–10 раз. Для медных и стальных электродов в воздухе W_вых  4,5 эВ.