Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

Другим примером ассоциативной ионизации может служить реакция CH+O → CHO+ + q , протекающая в углеродно-водородном пла-

мени.

При рассмотрении термической ионизации следует учитывать также, что при высоких температурах наряду с возрастанием концентрации ионов и электронов становится значительной и их рекомбинация.

В состоянии термодинамического равновесия плотность электронов, ионов и нейтральных атомов связаны соотношением Саха, которое выводится методами статистической физики безотносительно к механизму рождения и исчезновения зарядов [3]. В электронейтральной плазме при однократной ионизации атомов ne = n+ . Если степень иони-

зации мала, т.е. при ne << N уравнение Саха имеет вид:

К – постоянная Больцмана; Т – температура, К.

Во многих реальных условиях числа электронов и высоко возбужденных атомов не успевает приходить в равновесие с полным числом атомов, но между электронами в свободном и связанном на высоких уровнях состояниях равновесие успевает установиться. В этом случае более справедливым будет соотношение, полученное комбинацией из уравнений Саха и Больцмана [3]

Здесь In – потенциал ионизации из n-ого состояния; Nn – равновесная плотность атомов.

1.8. О возможности ионизации газа ионами

При лобовом ударе иона и атома передаваемая энергия от иона, согласно формуле (1.6), равна:

21

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

При условии когда m1=m2 , а W2 = 0 (когда атом неподвижен) пе-

происходить ионизация атома. Однако этого не происходит. Дело в том, что ион передает энергию не валентному электрону атома, а самому атому. Чтобы происходила ионизация, скорость иона должна быть порядка 108 см/с, как при ударной ионизации электроном. При

этом энергия иона должна быть порядка 10 m / me = (103 ÷104 ) эВ. В

большинстве случаев ионы с такой энергией в газовом разряде не встречаются [3,4].

Следует отметить также, что при движении иона в собственном газе наблюдается явление резонансной перезарядки. Когда ион подходит достаточно близко к атому, электрон от атома переходит к иону. При этом ион превращается в атом со значительной энергией. За счет этого вероятность ударной ионизации ионами еще больше уменьшается. Резонансная перезарядка является эффективным механизмом отбора энергии от ионов. Практически в газовом разряде ионы не производят ударную ионизацию.

1.9. Рекомбинация заряженных частиц

Рекомбинация заключается во взаимной нейтрализации зарядов при сближении разноименно заряженных частиц. Вероятность рекомбинации зависит от концентрации заряженных частиц и скорости их относительного движения. В газе при нормальных условиях концен-

трация нейтральных частиц составляет 1.7 1019 см-3, а заряженных час-

тиц порядка 1012 см-3 [2,3]. Поэтому электрон гораздо чаще будет сталкиваться с нейтральными частицами, нежели с положительными ионами.

В газах, содержащих молекулы с высокой электроотрицательностью, может наблюдаться захват электрона этими молекулами и образование отрицательных ионов. Образуемые при этом отрицательные ионы могут рекомбинировать с положительными ионами.

Уравнение, характеризующее рекомбинацию, имеет вид

22

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

er + M + = M является достаточно грубым и не соответствует истинному протеканию процессов, т.к. не удовлетворяет условиям закона сохранения энергии и импульса. Для выполнения этих условий требуется третья частица [3]. Можно указать 4 выражения, которые удовлетворяют условиям выполнения указанных законов:

Для выбора эффективных процессов из указанных четырех выражений нужно применять принцип детального равновесия, который применительно к данному случаю формулируется так: вероятность прямых процессов (левая часть уравнений 1.38–1.41) должна соответствовать вероятности обратных процессов (правая часть уравнений

1.38–1.41).

Как уже отмечалось, ударная ионизация ионами и атомами в слабоионизованной плазме маловероятна. Поэтому рекомбинация по схеме уравнений (1.39) и (1.40) характеризует маловероятную рекомбинацию. И наоборот, ударная ионизация электронами и фотоионизация по схеме уравнений (1.38) и (1.41) весьма эффективна.

Рекомбинация по схеме (1.38) называется ударной рекомбинацией. Рекомбинация по схеме (1.41) называется радиационной рекомбинаци-

где T e – температура электронов, эВ; п – концентрация электронов в см3.

23

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

Третий процесс наиболее вероятен, т.к. не требуется третья частица. Все три процесса характеризуют прилипание электронов, механизм которого рассматривается ниже. При этом образуются следующие от-

рицательные ионы: О− ,О2− ,NO2− ,NO−. Особенно интенсивно образу-

ются отрицательные ионы кислорода. В инертных газах отрицательные ионы не образуются. В общем, интенсивность рекомбинации растет с увеличением концентрации электронов. Таким образом, рекомбинация приводит к уменьшению концентрации электронов в газоразрядной плазме.

1.10.Термоэлектронная, автоэлектронная, взрывная эмиссия. Фотоэффект на катоде

Важную роль в поддержании газового разряда и образовании первичных электронов, обусловливающих развитие ударной ионизации в газе, играют процессы термоэлектронной, автоэлектронной эмиссии и фотоэффект с катода [3,6]. Известно, что валентные электроны металла можно рассматривать как электронный газ. В нормальных условиях электроны проводимости в металле связаны в поле положительных ио-

24

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

нов. Каждый из этих электронов взаимодействует с ионным остатком металла и с другими электронами. Эти электроны, которые можно считать свободными внутри металла, образуют энергетические уровни (рис. 1.4). Согласно принципу Паули, на каждом уровне находятся два

коэффициента А1, полученные по результатам измерения многих авторов для различных металлов [3,17].

Таблица 1.5

Как видно из табл. 1.5, наибольшей величиной Wв обладает платина – 5.32 эВ, а наименьшей Wв обладает цезий – 1.87 эВ, который используется в электронно-лучевых приборах.

1.10.1. Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия наблюдается при нагреве металла до высоких температур порядка 1000 оС и выше. Из рис.1.5 видно, что при повышении температуры относительно нуля край функции распределения энергетических уровней электронов размывается на величину

КТ.

В этом случае часть электронов, приобретая дополнительную энергию за счет теплового колебательного движения, может преодолеть притяжение ионов металла и покинуть металл. Для термоэлектронной эмиссии справедливо уравнение Ричардсона

j = А1T 2e−WКTв ,

где А1 – постоянная, определяемая видом металла (табл. 1.5).

25

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

1.10.2. Автоэлектронная эмиссия

Автоэлектронная эмиссия проявляется в очень сильных электрических полях. Под действием электрического поля происходит искажение (наклон) энергетических уровней и электрон может непосредственно без изменения собственной энергии выйти за пределы металла путем туннелирования. При этом чем сильнее поле, тем меньше ширина потенциального барьера qEx (рис. 1.6) и тем больше число электро-

нов может просачиваться через этот барьер.

Плотность тока автоэлектронной эмиссии может быть вычислена по уравнению, предложенному в 1928 г. Фаулером и Нордгеймом:

напряженность приложенного электрического поля.

Как показывают расчеты, для большинства металлов значительная плотность тока автоэлектронной эмиссии достигается при напряжен-

ностях поля порядка Е =109 В/м, тогда как пробой газов при атмосфер-

ном давлении происходит при напряженностях поля порядка 106 В/м, а при большом давлении и в случае вакуума величина Епр газов состав-

ляет 108 В/м.

при каждом взрыве микроострия, в 10÷103 раз превышает ток, который

26