Глава 2. Физические процессы при ионизации в газе §2.1. Возбуждение и ионизация атомов и молекул. Лавина электронов. Несамостоятельный и самостоятельный разряды. Плазма
В нормальном неионизированном состоянии газы являются почти идеальными диэлектриками. Это состояние нарушается при напряженности поля, при которой в газе под действием сил поля возникает интенсивная ионизация – газовый разряд. При газовом разряде резко возрастает ток, стекающий с электродов. Этот ток является током конвекции, который обусловлен движением заряженных частиц между электродами. Чтобы описать газовый разряд, необходимо понять условия возникновения, движения и исчезновения заряженных частиц в электрическом поле.
Процесс отрыва электрона от нейтральной молекулы называется ионизацией. Для ионизации молекулы требуется затратить энергию. Процесс возбуждения – процесс перехода электрона на более удаленную неустойчивую орбиту, которая может также проходить в микропроцессах газового разряда; возбужденная молекула «живет» 10-10с, потом происходит обратный переход электрона на устойчивую орбиту. Далее следует рассмотреть основные процессы, при которых молекуле в разрядном промежутке передается энергия достаточная для ее ионизации.
Ударная ионизация или ионизация столкновением. Так называется ионизация при столкновении молекулы с электроном, ускоренным в электрическом поле. В результате ионизации возрастает число свободных электронов – происходит размножение электронов. Схема ионизации молекулы при столкновении с электроном показана на рис. 1.1.
Рис. 1.2. Схема ионизации фотоном
Рис. 1.1. Схема ударной ионизации
электроном
Ударная ионизация в газах возникает в достаточно сильных полях, но меньших, чем поля, в которых пробиваются многие жидкие и твердые диэлектрики.
Фотоионизация - это ионизация в результате поглощения молекулой квантов лучистой энергии, т.е. фотонов. Процесс фотоионизации схематически показан на рис. 1.2. Энергия фотона выражается формулой w=h, где - частота излучения, с-1; h- постоянная Планка. Тогда условие ионизации выражается формулой
hи Uи. (1.1)
Из условия (1.1) следует, что повышение частоты увеличивает способность фотона к ионизации.
В газовом разряде источником фотонов, способных к ионизации, служат не только внешние излучатели, но и сами молекулы, участвующие в газовом разряде. В возбужденной молекуле электрон, смещенный на внешнюю неустойчивую орбиту, удерживается на ней в течение очень короткого промежутка времени 10-10с. При возвращении электрона на устойчивую орбиту молекула излучает фотон, который способен вызвать фотоионизацию нейтральных или уже возбужденных других молекул газа.
Процесс, включающий возбуждение молекулы газа в результате столкновения, излучение фотона при возврате электрона на устойчивую орбиту и ионизацию этим фотоном ранее возбужденной молекулы, показан на рис. 1.3. Процесс ионизации вторичными фотонами играет решающую роль в формировании искрового разряда.
Рис. 1.3. Схема ионизации возбужденной молекулы
Электрон в результате соударения возбуждает молекулу, при возвращении электрона на устойчивую орбиту излучается фотон, ионизирующий другую возбужденную молекулу.
Термоионизация. Температура есть мера кинетической энергии хаотического (теплового) движения молекул и свободных электронов в газе. Величина этой кинетической энергии определяется для молекулы выражением
W=3/2kT, (1.2)
где W – кинетическая энергия теплового движения для молекулы; k – постоянная Больцмана; T – температура.
При достаточно высокой температуре становится возможной ионизация в результате столкновения молекул с электронами.
Процесс термоионизации играет определяющую роль в столбе электрической дуги, температура которого составляет от 4000 до 15000 К.
Поверхностная ионизация. В ряде случаев в развитии электрического разряда в газовом промежутке существенную роль может играть поверхностная ионизация. Так называется эффект испускания из электродов заряженных частиц, в основном свободных электронов. Электроны, высвобождающиеся в результате поверхностной ионизации с катода, силами электрического поля уводятся от катода в область газового разряда. При поверхностной ионизации с анода электроны вновь притягиваются к аноду и поглощаются им. Поэтому для развития газового разряда основное значение имеет поверхностная ионизация с катода, которая имеет различные формы:
а) поверхностная ударная ионизация происходит под действием бомбардировки поверхности катода положительными ионами, ускоренными в электрическом поле (рис. 1.4). Для того чтобы освободить из катода один электрон, т.е. для однократной поверхностной ионизации, положительный ион должен свободно пролететь в поле напряженности Е расстояние xп.и=Uп.и/Е;
б) поверхностная фотоионизация (фотоэлектронная эмиссия) происходит при падении на поверхность катода фотонов достаточно высокой энергии;
в) термическая эмиссия электронов из катода – это эмиссия, при которой свободные электроны в металле за счет его нагрева приобретают энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера;
г) автоэлектронная эмиссия заключается в том, что электроны под действием сил электрического поля вырываются из катода. Автоэлектронная эмиссия происходит при напряженностях поля вблизи катода 106 В/см.
Рис. 1.4. Схема ударной поверхностной ионизации
Лавина электронов. Если напряженность электрического поля достигает значения, при котором возможна ударная ионизация, то в поле возникают лавинные процессы, в которых происходит размножение заряженных частиц – электронов и ионов.
Можно предположить, что в какой-либо точке поля с напряженностью Е возник свободный электрон, обладающий энергией, достаточной для ионизации молекул газа. Этот начальный электрон может возникнуть, например, в результате фотоионизации молекул газа каким-либо внешним ионизатором. Этот электрон ионизирует молекулу, что приводит к образованию положительного иона и двух электронов. Разгоняясь в электрическом поле, каждый из этих электронов в свою очередь ионизирует по молекуле, что приводит к образованию трех положительных ионов и четырех электронов, и т.д. Этот лавинообразный процесс показан на рис. 1.5.
Электроны и ионы, образовавшиеся в лавине, перемещаются под действием электрического поля. Так как подвижность электронов много больше подвижности ионов, то в голове лавины образуется избыток электронов, а в ее хвосте преобладают положительно заряженные ионы.
Рис. 1.5. Схема образования лавины электронов (а) и распределение в ней заряженных частиц (б)
Самостоятельный разряд. Для образования лавины необходим хотя бы один начальный электрон. В том случае, когда начальные электроны непрерывно воссоздаются, лавинный процесс не прекращается. Начальные электроны могут создаваться внешними ионизаторами, в этом случае разряд называется несамостоятельным. Воссоздание начальных электронов может происходить и за счет ионизационных процессов в самой лавине. В этом случае процесс носит самоподдерживающийся характер, и разряд называется самостоятельным. Ионизация в лавине сопровождается возбуждением части молекул и излучением фотонов. Излучаемые фотоны могут вызвать вторичную ионизацию в газе или на катоде.
Условием самостоятельного разряда является условие, при котором разряд будет поддерживаться, если даже действие внешнего ионизатора прекратиться. Однако для начала развития разряда необходим исходный начальный электрон. Условие самостоятельного разряда:
(e S-1) 1. (1.3)
Если (e S-1) будет даже незначительно превышать единицу, число развивающихся в промежутке лавин будет непрерывно возрастать. Последующие лавины будут возникать еще до того, как все положительные ионы предыдущих лавин уйдут на катод. Следовательно, электроны будут двигаться в объеме, заполненном положительными ионами, и вдоль пути лавин газ в промежутке между электродами перейдет в состояние плазмы.
В случае однородного поля условие самостоятельности разряда является условием пробоя промежутка, поэтому оно может быть использовано для определения пробивного напряжения.
Пробивное напряжение газа в однородном поле при неизменной температуре является функцией произведения давления на расстояние между электродами.
Плазма представляет собой газ, в котором ионизирована значительная часть молекул. Отличительной особенностью плазмы как ионизированного газа является ее квазинейтральность, т.е. отсутствие избыточных зарядов какого-либо знака во всем объеме плазмы. Для поддержания плазменного состояния вещества необходима некоторая определенная достаточно высокая концентрация заряженных частиц, так как под действием хаотического теплового движения частиц легкие электроны стремятся уйти за пределы объема, занимаемого плазмой. Этому выходу противодействуют силы электрического поля, возникающие между вылетевшими электронами и оставшимися избыточными положительными ионами. Только при достаточно высокой концентрации частиц эти силы создают потенциальный барьер на границах плазмы, способный удержать электроны от вылета из плазмы и поддерживающий тем самым плазменное состояние вещества с ее свойством квазинейтральности.
Плазму рассматривают как четвертое состояние вещества, так как она обладает рядом специфических свойств. Имея схожесть с газом, плазма обладает также некоторыми свойствами металлов: плазма электропроводна, отражает электромагнитные волны. Плазма возникает в электрическом разряде при достаточно высокой степени ионизации в канале разряда (дуга, искровой разряд). Чем выше степень ионизации в разряде, тем выше и проводимость плазмы.