1.3. Дрейф заряженных частиц в электрическом поле. Подвижность

Полная скорость движения заряженной частицы в электрическом поле имеет две составляющие: скорость теплового хаотического движения w и направленную скорость под действием поля u.

. (1.5)

Д

Рис. 1.1. Скорость дрейфа электронов в воздухе в зависимости от приведенной

напряженности электрического поля

ля совокупности заряженных частиц рассматривается средняя скорость всех частиц. Средняя скорость направленного движенияw носит название скорости дрейфа. Как показывают экспериментальные данные, эта скорость зависит от отношения Е/n, где n  плотность молекул газа, и от сорта газа. При этом скорость дрейфа электронов существенно выше скорости дрейфа ионов.

На рис.1.1 приведена зависимость скорости дрейфа электронов в воздухе от значений Е/n.

В общем случае скорость дрейфа

, (1.6)

где k  носит название подвижности. Особенностью этой величины является то, что и для ионов, и для электронов существует широкая область значений напряженности, при которых в воздухе значения подвижности почти постоянны.

Для ионов в области значений поля, соответствующих развитию разряда, и при нормальных условиях газа значения подвижности в воздухе составляют К_и^ = 2,0 см²/Вс и К_и^ = 2,2 см²/Вс.

Для электронов К_э = (45)10² см²/Вс, что, как видно, на два порядка выше, чем у ионов.

1.4. Коэффициент ударной ионизации

Этот коэффициент является самой важной характеристикой, используемой в теории газового разряда и определяющей основную реакцию, приводящую к развитию разряда. Ударная ионизация может быть представлена реакцией вида

e + M  M⁺ + 2e,

где M  атом или молекула газа.

Коэффициент ударной ионизации равен числу актов ионизации, осуществляемых одним электроном на пути в 1 см вдоль поля. Энергия ионизации  W_и, для большинства газов составляет 1220 эВ:

Газ	O2	H2O	CO2	N2
Энергия ионизации, эВ	12,5	12,6	14,4	15,5

Коэффициент ударной ионизации, обозначаемый обычно и называемый еще первым коэффициентом ударной ионизации Таунсенда, определяется по увеличению тока в промежутке между электродами в результате ионизации молекул газа при столкновениях с электронами. Процесс ионизации ведет к образованию новых свободных электронов. Эти свободные электроны, в свою очередь, приобретают энергию поля, достаточную для ионизации, то есть для образования новых электронов. Ток, протекающий в промежутке с однородным полем, возрастает и дается выражением

, (1.7)

где d  длина промежутка (в сантиметрах), а i₀  начальное значение тока.

Так как ионизация происходит при энергии электрона W  W_и, а энергия, приобретаемая электроном, зависит от поля и от длины пути свободного пробега, определяемой плотностью газа, то и вероятность ионизации, а следовательно и коэффициент  должны зависеть от поля и от концентрации молекул газа n или его давления р. Эксперименты подтверждают, что действительно имеется зависимость /n = f(Е/n) или /р = f(Е/р), причем при давлениях газа порядка атмосферного эта зависимость хорошо описывается уравнением вида

, (1.8)

где где А и В  константы, зависящие от газа.

На рис. 1.2 приведена экспериментальная зависимость /n = f(Е/n) для воздуха. Отношение E/n часто называют приведенной напряженностью поля.

К

Рис. 1.2. Зависимости коэффициентов ионизации и прилипания и эффективного коэффициента ионизации в воздухе от E/n

ак видно по рисунку, возрастание/nс ростом приведенной напряженностиE/nстановится менее интенсивным, что связано с двумя факторами: если увеличениеE/nпроисходит за счет роста напряженности поляЕпри неизменной плотности газаn, то с возрастанием энергии свободных электронов при их движении, уменьшается время взаимодействия при их столкновениях с молекулами, что приводит к уменьшению скорости роста вероятности ионизации; если ростE/nсвязан с уменьшениемn, то уменьшается число молекул, с которыми сталкивается электрон, а, следовательно, уменьшается и число столкновений, что означает изменение.