1. Физика плазмы.

1. Электрические явления в вакууме

В обычных условиях газ электрического тока не проводит, так как состоит из нейтральных молекул. Чтобы газ стал электропроводным, необходимо ионизировать часть молекул [16, 23].

Ионизацией молекулы называется отрыв от молекулы одного или нескольких электронов. Для ионизации молекулы необходимо совершить работу , величина которой зависит от химического состава газа, состояния молекулы и кратности ионизации, т. е. числа оторванных электронов.

Ионизация газов может быть вызвана нагреванием, воздействием рентгеновских, ультрафиолетовых, космических лучей, бомбардировкой газа быстрыми электронами и т. п. При постоянной мощности ионизатора число молекул, ионизируемых в единице объема за 1 секунду, постоянно, поэтому концентрация электронов и ионов с течением времени возрастает.

Одновременно с ионизацией молекул происходит рекомбинация ионов, т. е. образование нейтральных молекул из электронов и ионов [23]. Рекомбинация происходит тем интенсивней, чем больше концентрация электронов и ионов, и сопровождается выделением энергии, равной работе ионизации. Выделение энергии обычно происходит в виде электромагнитного излучения.

При некоторой концентрации число ионизируемых молекул равно числу вновь образующихся вследствие рекомбинации молекул. В этом случае между процессами ионизации и рекомбинации устанавливается равновесие, а концентрация электронов и ионов остается постоянной.

Среднюю длину свободного пути электронов в вакууме можно вычислить по формуле [42]:

, (1.1)

Где - концентрация молекул газа;- эффективный диаметр молекулы газа;- средняя длина свободного пути электронов.

Рассмотрим теперь соударение частицы (электрона или иона) с молекулой. Если это соударение имеет упругий характер, то при столкновении меняется лишь кинетическая энергия молекулы. При этом газ нагревается, а ионизации не происходит. Если же удар неупругий, то часть энергии частицы передается электронной оболочке молекулы и вызывает возбуждение молекулы или ее ионизацию.

Пусть молекула массой , имеющая скорость, налетает на неподвижную молекулу массой, неупруго сталкивается с ней. По закону сохранения импульса

, (1.2)

где – скорость молекулы и частицы после удара. Отсюда

. (1.3)

Энергия частицы до удара

. (1.4)

Энергия частицы и молекулы после удара

. (1.5)

С учетом (1.3)

.

Молекула ионизируется, если .

Значит

.

Отсюда следует, что частица ионизирует молекулу, если ее кинетическая энергия перед ударом равна

, (1.6)

так как масса электрона , а масса иона, то из (1.6) следует, что для ионизации молекулы электрон должен иметь энергию, а ионэнергию.

Ионизация молекул остаточных газов с образованием свободных электронов и положительных ионов возможна при воздействии на молекулу -,- и- излучения с энергией, превышающей энергию ионизации соответствующих газов (Таблица 1) [11,14].

Таблица 1. Энергия ионизации некоторых газов

		He	Ne	Ar	CO
Энергия ионизации, эВ	14,5	24,6	21,6	15,8	14,1	12,6	13,6

Часто для ионизации остаточных газов используется электронная бомбардировка. Процесс ионизации остаточных газов характеризует эффективность ионизации молекул , т. е. число пар ионов образованных одним электроном на пути в 1мпри давлении 1Па. Зависимостьот ускоряющего напряжения (рис. 1.1) имеет характерный максимум, соответствующий энергиям электронов 100…150 эВ. Молекулы с большим атомным числом имеют более высокие значения эффективности ионизации [14, 25].

Электропроводность газового промежутка при самостоятельном разряде (без дополнительных ионизирующих излучений) зависит от давления. Газ всегда содержит свободные электроны, появляющиеся, например, при взаимодействии с космическим излучением. При низком вакууме в связи с малой длиной свободного пути эти электроны под воздействием электрического поля не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул газа. Электропроводность газа в таких условиях мала.

Рис 1.1. Зависимость эффективности ионизации молекул газов электронной бомбардировкой от ускоряющего напряжения

При высоком вакууме в связи с малым количеством заряженных частиц электропроводность газового промежутка еще меньше.

В области среднего вакуума наблюдаются небольшие значения электропроводности газа. В этих условиях свободные электроны осуществляют ионизацию молекул остаточных газов, а образующиеся при этом вторичные электроны поддерживают самостоятельный разряд.

Электросопротивление газового промежутка может характеризоваться пробивным напряжением, которое зависит от природы газа, расстояния между электродами и давления. Пробивное напряжение от произведения давления газа на расстояние между электродами, а не от каждого из этих параметров в отдельности. Зависимость пробивного напряжения от произведения pd, гдеd – расстояние между электродами, показано на рис. 1.2 и имеет характерный минимум под названиемкривой Пашена [11,42].

Рис 1.2. Зависимость пробивного напряжения от произведения давления газа на расстояние между электродами

Прохождение электрического тока через разреженные газы в области среднего вакуума сопровождается свечением газа, зависящим от рода газа и давления. Это явление используется для качественного определения и состава газа.