21. Лавинный разряд. Явление усиления тока при наличии ионизирующего соударения

Наиболее активными частицами по отношению к ионизирующей способности атомов являются электроны (нежели, чем ионы и быстрые нейтральные атомы). Это объясняется тем, что при электронном ударе вся кинетическая энергия может идти на неупругий процесс, в то время как при соударении атомов (или иона и атома) приблизительно одинаковой массы только половина кинетической энергии может идти на ионизацию (или на возбуждение). Кроме того, у электрона и длина свободного пробега больше в раза, чем у атома или иона.

Подсчитаем, как будет изменяться ток в газовом промежутке, в котором ионизирующие соударения производятся только электронами.

Пусть один электрон (первичный электрон), вышедший из катода и движущийся в электрическом поле ε, порождает α пар зарядов на единице пути. Величина α называется коэффициентом ударной ионизации. Создаваемые им электроны начнут ускоряться и сами будут ионизировать атомы газа. Предположим, что все вторичные электроны так же принимают участие в ионизации.

Е сли расстояние между катодом (К) и анодом (А) d больше нескольких то каждый электрон на пути dх претерпевает αdх ионизирующих столкновений. Тогда прирост электронов dn (на пути dх) будет равен ,где п(х) - число электронов, прошедших через сечение х за единицу времени.

После интегрирования уравнения (1) с граничными условиями:

получаем усиленный поток – хорошо известную экспоненциальную зависимость.

Плотность тока электронов на аноде будет равна

Величина называется коэффициентом газового усиления.

Таким образом, мы в результате получили, что число электронов увеличивается в раз – один электрон порождает лавину электронов в количестве, равном .

Исследуем теперь зависимость величины α от напряженности электрического поля ε и давления газа р.

Предположим, что при каждом столкновении электрон теряет свою скорость полностью и после столкновения начинает ускоряться (в поле ε) заново. Чтобы электрон мог ионизовать газ, он должен на пути свободного пробега х приобрести энергию хеε, не меньшую энергии ионизации, то есть

xeε ≥ eV_i (V_i – потенциал ионизации) или xε ≥ V_i.

Из условия равенства (4) находим минимальный свободный пробег ионизации x_i:

22. Самостоятельный разряд. Лавинный разряд при объемной ионизации электронами и гамма-процессах на катоде

Самостоятельный разряд – это разряд, в котором электроны и ионы, необходимые для поддержания разряда, создаются им самим (!) в объеме газа или на электродах.

Лавинный разряд при объемной ионизации электронами и гамма-процессах на катоде

В лавинном процессе, рассмотренном ранее, роль положительных ионов ограничивалась лишь переносом зарядов. Однако при повышении напряженности поля возникают новые процессы, в которых положительные ионы принимают более активное участие. При этом возникают новые процессы:

1. ионизация атомов (молекул) ионными ударами;

2. эмиссия вторичных электронов из катода при бомбардировке катода ионами – вторичная электронная эмиссия из катода;

3. фотоэлектронная эмиссия катода, вызванная излучением самого (!) разряда.

Ионизация газа ионами (процесс 1) играет заметную роль только при очень больших энергиях ионов. Поэтому в теории разряда ею часто пренебрегают. Именно так мы и поступим далее.

Процесс 2, приводящий к вторичной эмиссии электронов, называется гамма-процессом. Действие гамма-процесса учитывается с помощью коэффициента γ: ( – число выбитых электронов, – число положительных ионов) –– числом электронов, выбиваемых из катода одним ионом. Величина γ зависит от скорости ионов, то есть от напряженности электрического поля Ɛ, давления газа p, а также от материала катода.

Получим выражение для тока через газ, учитывая: 1) ионизацию газа электронами, 2) γ-процессы, 3) фотоэффект.

Рассмотрим следующую модель:

• электроды плоские;

• фотоэлектронная эмиссия осуществляется потоком фотонов постоянной интенсивности.

– число электронов, образуемых в результате фотоэффекта в единицу времени;

– число γ-электронов, образуемых при бомбардировке катода положительными ионами в единицу времени;

– число электронов, пришедших на анод в единицу времени;

– число положительных ионов, проходящих через поперечное сечение в единицу времени.

Обозначим сумму как : .

В результате объемной ионизации (в результате лавинного процесса) число электронов, попадающих на анод, возрастает от до согласно закона:

Число новых электронов – электронов, возникших в лавине, будет равно: Оно равно числу возникших ионов .

Положительные ионы, обрушившиеся на катод, выбивают электронов:

Полное число электронов, вышедших из катода, равно:

Откуда Подставляя , получаем число электронов, приходящих в единицу времени на анод: Умножая на заряд e, получаем плотность тока: Формула (22) показывает, что ток разряда пропорционален фототоку . Коэффициент при называется коэффициентом газового усиления.

Из изложенного выше следует, что γ-процессы приводят к еще большему увеличению тока, чем увеличение тока только за счет лавинообразного процесса.

образовалось в разрядном промежутке за время пролета, столько же зарядов и пришло на электроды.