1.5. Коэффициент прилипания. Эффективный коэффициент ионизации

Уравнение (1.8) соответствует процессам ионизации, происходящим в электроположительных газах, таких как He, Ar, Ne, H₂, N₂. В газах, в состав молекулы которых входят атомы кислорода, фтора и ряда других, при столкновении электрона с молекулой или атомом может происходить процесс захвата электрона с образованием отрицательного иона.

e + M  M^ + W.

Устойчивость образовавшихся отрицательных ионов зависит от энергии сродства атома или молекулы к электрону W_п, то есть от энергии, выделяющейся при захвате электрона. Эта энергия должна быть положительной, то есть должна выделяться. Такие газы называются электроотрицательными, а процесс образования отрицательного иона при столкновении электрона с молекулой,  процессом прилипания, характеризуемым коэффициентом , равным числу прилипаний, происходящих на пути в 1 см вдоль поля. Как и для , для коэффициента прилипания существует зависимость /р = f(Е/р) или /n = f(Е/n) (рис. 1.2).

Если часть свободных электронов прилипает к молекулам газа, то число электронов, способных продолжать ударную ионизацию, сокращается, что учитывается введением так называемого эффективного коэффициента ионизации _эфф =   . На рис. 1.2 приведена зависимость _эфф /n = f(E/n) для воздуха. Значения _эфф /n становятся положительными после некоторого порога при котором число ионизаций равно числу прилипаний. Для воздуха это пороговой значение приведенной напряженности равно примерно E/n = 1,210^15 Всм², что для атмосферного давления составляет Е = 24,5 кВсм.

Особенностью отрицательных ионов является их нестабильность в сильных электрических полях, когда при столкновениях с электронами, ионами и даже нейтральными молекулами происходит отрыв электрона от отрицательного иона с образованием нейтральной молекулы и свободного электрона, так как в этом случае сообщаемая отрицательному иону энергия превышает энергию сродства. Для воздуха порогом распада отрицательных ионов можно считать напряженность поля, превышающую 30 кВ/см.

1.6. Процессы возбуждения

Среди процессов неупругого столкновения электронов с молекулами газа имеется большое число видов столкновения, при которых не образуются новые электроны, но которые имеют очень важное значение для развития разряда, так как при этих столкновениях электроны теряют энергию и уменьшается вероятность ионизации. Такими процессами является возбуждение атомов или молекул.

При неупругих столкновениях с электронами атомы или молекулы могут переходить из основного состояния в более высокое энергетическое состояние, что и соответствует процессу возбуждения. Основное состояние характеризуется наименьшей полной энергией атома или молекулы и является единственным стабильным состоянием. Атом, возбужденный в результате получения энергии, стремится вернуться в исходное состояние, при этом излучается фотон с энергией, зависящей от уровня возбуждения.

Если в атоме при получении им энергии возбуждения осуществляются только электронные переходы, что соответствует электронному возбуждению, то молекулы имеют еще и другие возможности восприятия передаваемой им энергии. Возникает либо вращение молекулы в целом вокруг некоторой оси, либо составляющие ее атомы начинают колебаться по отношению друг к другу; таким процессам соответствуют вращательное и колебательное возбуждения. Пороговые энергии возбуждения колебательных и вращательных уровней молекул очень малы: например для азота W_k = 0,29 эВ, а для кислорода W_k = 0,19 эВ.

При возвращении колебательно возбужденных молекул в основное состояние большая часть энергии излучения поглощается газом и переходит в тепловую энергию нейтральных молекул.

Для электронного возбуждения атомов и молекул в газах типа воздуха характерная пороговая энергия электронов, ниже которой возбуждение не происходит, составляет 612 эВ.