Валентні електрони мають найбільший запас енергії і беруть участь в створенні хімічного зв'язку між атомами, визначаючи активність речовини. Електрони, що покинули свою орбіту і переміщаються між атомами, називаються вільними. Нейтральний в електричному відношенні атом, втрачаючи або придбаваючи електрони, стає позитивно або негативно зарядженим іоном.

Під енергією іонізації розуміють енергію, яка потрібна для руйнування зв'язку між електроном і незбудженим атомом Wi=e Ui, де Ui - потенціал іонізації -- та різниця потенціалів, яку повинен пройти електрон в електричному полі, щоб придбати енергію, достатню для відриву валентного електрона і утворення позитивно зарядженого атома.

Плазмова електроніка

Ui He

Рис. Залежність потенціалу іонізації від порядкового номеру атома та схематичний процес утворення негативних та позитивних іонів

Якщо додати ефективні діаметри атомів на одиницю об'єму,

отримаємо повний ефективний переріз для процесу іонізації :

Qi 2 d 2n , Qi qin,

де n - концентрація атомів.

Часто значення Qi відносять до одиничного тиску (1 мм рт. ст.) і

температури 0 ºС, тому

Qi Qi0 p0

де Qi0 – ефективний перетин іонізації при одиничному тиску.

Також ефективний перетин визначається через довжину вільного пробігу електрона А при тепловому русі (середню відстань, яку проходить електрон між зіткненнями, або кількість зіткнень при

проходженні електроном 1 см): 1

Qi 4 2 A

1. Лінійна апроксимація, що відповідає невеликим перевищенням енергії електронів над пороговим значенням іонізації :

qi (U ) Сi (U Ui ) ,

де Сi - коефіцієнт пропорціональності, що характеризує нахил кривих перерізу іонізації у порогових значень; U - енергія іонізуючих електронів; Ui - потенціал

де S0 = а02 = 0.88·10─20 м2 (а0 - радіус першої борівскої орбіти атома водню); Rd = 13.6 В - потенціал іонізації атома водню по Рідбергу; 1 і 2 – коефіцієнти налаштування; n - число еквівалентних електронів на зовнішній оболонці атома (електронів з однаковими головним і орбітальним квантовими числами), що іонізується.

У газовому розряді має місце деякий розподіл енергії (fe), що

Таким чином, для оцінки середньої швидкості іоноутворення в позитивному стовпі газового розряду потрібно користуватися поняттям перерізу іонізації, усередненим по функції розподілу електронів :

qi qi (U ) fedU

Ui

За характером іонізованого стану плазми розрізняють:

-пробій газу;

-підтримка електричним полем нерівноважної плазми;

-підтримка рівноважної плазми.

Електричні поля, що приводять до іонізації газу поділяються

на:

-постійні (низькочастотні включно);

-високочастотні: f 105 – 108 Гц;

-надвисокочастотні : f 109 – 1011 Гц;

-оптичні (від ІЧ до УФ).

Електричні розряди в газі підрозділяють на несамостійні і самостійні.

До несамостійних відносяться розряди, для підтримки яких потрібно емісія електронів з катода або утворення заряджених часток в розрядному проміжку під дією зовнішніх чинників: нагрів катода, опромінення катода або газу.

При самостійних розрядах фізичні процеси газового розряду забезпечують вихід електронів з катоду без допомоги зовнішніх чинників.

При русі під дією електричного поля в газовому середовищі електрони призводять до іонізації газу. Мірою іонізації є ступінь іонізації , що визначається як

Ар ехр - В / (Е/р) ,

де А=1/ Ae0 і В= Uі / Ae0 В/м мм рт. ст. ; Е/р кВ м-1 мм рт. ст. ; Ae0 – середня довжина вільного пробігу електрона при тиску в 1 Па і Т=0оС.

Ae = Ae0 / р0.

Вторинні електрони, що утворилися під час іонізації також будуть іонізувати газ. Лавинне розмноження електронів та вплив їх на іонізацію газу відображається за допомогою коефіцієнта газового посилення k.

k= exp ( l),

де l - відстань між електродами.