Ток в газах

Прохождение тока через газы называется газовым разрядом. В металлах, полупроводниках и электролитах носители тока существуют всегда. Электрическое поле лишь обуславливает упорядоченное движение имеющихся зарядов. Газы в нормальном состоянии являются изоляторами. Лишь при соблюдении специальных условий в газах могут появиться носители зарядов (ионы, электроны) и возникнет газовый разряд.

Носители тока в газах могут возникать в результате внешних воздействий ионизаторов, не связанных с наличием электрического поля (увеличение температуры, воздействие УФ и рентгеновских лучей). Это несамостоятельная проводимость газа.

Если носители газа возникают в результате приложенного к газу электрического поля, то проводимость называется самостоятельной.

Пусть газ находится между плоскими параллельными электродами, к которым приложено внешнее поле, напряженностью . Под его действием молекулы газа поляризуются так же, как и в диэлектрике.

Связь между поляризацией и оптическими свойствами газа дается выражением

- Формула г.Лоренц-в.Лоренца,

- показатель преломления;

- концентрация молекул;

- поляризуемость.

П риложим к этому газу дополнительное воздействие ионизатора. При этом от некоторых молекул отделяется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы.

Таким образом, в любом газе есть некоторое количество носителей заряда, которое под влиянием ионизатора перемещается в газе, как в вязкой среде.

Его уравнение движения имеет вид:

где - ІІ закон Ньютона;

- сила вязкости;

- радиус иона.

При установлении равновесия и заряд между обкладками конденсатора движется равномерно со скоростью .

.

Откуда

,

где - подвижность носителей заряда.

Ускорение движения заряда изменяется от а до 0, поэтому .

Так как , то ( ).

Для положительных ионов и электронов и различны. Следовательно, различны и и .

; .

Откуда

,

где , .

Подвижность носителей тока – это средняя скорость, приобретенная носителями при .

Плотность тока

- закон Ома

в дифференциальной форме,

где .

Уравнение баланса ионов

При движении электрических зарядов в газе, наряду с положительными ионами, возникают и отрицательные (захват электронов нейтральными молекулами). Происходит нейтрализация части разноименных ионов или их рекомбинация. Кроме этого часть заряда будет уноситься на образование электрического тока.

Закон сохранения электрического заряда

,

где - коэффициент ионизации;

- концентрация носителей;

- заряд одного носителя;

- заряд в единице объема;

- плотность тока.

Общее уравнение:

(разделим на V)

,

г де - длина (расстояние между пластинами).

I - ј ~ E - выполняется закон Ома;

II – при усилении поля время движения зарядов между электродами уменьшается, ионы не успевают рекомбинировать, возникает ток насыщения;

III – рост величины ј за счет увеличения E, ионы сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. эта область называется областью пропорциональности;

IV - область частичной пропорциональности;

V – область резкого возрастания ј, в конце происходит самостоятельный газовый разряд, который происходит и без ионизации.

Понятие о плазме

Сильно ионизированный газ, в котором суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объеме равен нулю, называется плазмой. Плазма – особое состояние вещества. В таком состоянии находится вещество в недрах Солнца и других звезд с температурой в десятки миллионов градусов.

Для того, чтобы плазма находилась в стационарном состоянии необходимо наличие процессов восполняющих убыль ионов в результате рекомбинации. В высокотемпературной плазме это осуществляется за счет термической ионизации, а в газоразрядной плазме – за счет ударной ионизации электронами, ускоренными электрическим полем.

Свойства плазмы:

1. Плазма электрически нейтральна.

2. Заряды в плазме распределены равномерно.

Плазма - упругая среда.

Частицы плазмы находятся в тепловом движении

,

где - температура электронов;

- температура ионов;

- температура атомов.

При невысоких температурах - изотермическая плазма.

Отношение концентрации заряженных частиц одного знака к первоначальному числу частиц называется степенью ионизации . В случае полной ионизации, когда , имеем идеальную проводимость плазмы .

Колебания в плазме

Электроны в газоразрядной плазме участвуют в двух движениях: хаотическом и упорядоченном. Рассмотрим упорядоченное движение электронов под действием вешнего поля.

Выделим в плазме некоторый объем. На одной его стороне будет недостаток, а на другой – избыток зарядов. Имеем своего рода конденсатор. Плотность заряда конденсатора

.

Величина напряженности ;

.

Формула для идентична формуле квазиупругой силы (E и F направлены противоположно; так как отрицательно, то берем знак «-»).

Под действием квазиупругой силы возникают колебания. Определим частоту таких колебаний.

(разделим на )

,

где ;

- плазменная частота или частота колебаний Лармора.

,

где .

.

Максимальная кинетическая энергия ионизации должна быть больше либо равна кинетической энергии, приходящейся на одну степень свободы.

;

,

где - это расстояние наибольшего смещения для частиц одного знака (радиус Дебая); он зависит от температуры.

Система заряженных частиц называется плазмой, если ее размеры значительно больше радиуса Дебая

,

где - характерный размер заряженной частицы.

Современные методы ускорения частиц

Для ряда исследований в ядерной физике необходимо иметь пучок частиц с очень большими энергиями. Задача ускорения частиц решается с помощью ускорителей.

Необходимым элементом ускорителей является электрическое поле со значительной разностью потенциалов. Оно и ускоряет частицы, сообщая им кинетическую энергию ,

где - заряд частицы;

- разность потенциалов.

Однако создание электрических полей с разностью потенциалов порядка миллиона вольт связано с большими техническими трудностями. Создание полей с еще большей разностью потенциалов принципиально невозможно из-за наличия газового разряда. Между тем, для экспериментальных исследований в ядерной физике необходимы частицы с энергией в десятки и сотни миллиардов электрон-вольт. Единственный выход заключается в том, чтобы заставить частицу пройти ускоряющее электрическое поле не один, а несколько раз. Простейший тип такого ускорителя – линейный каскадный ускоритель – был выполнен по следующей схеме:

В ней ряд металлических трубок переменной длины А, В, С, Д… расположен вдоль оси ускорителя. Первая, третья и все нечетные трубы присоединены к одному полюсу источника переменного напряжения; вторая, четвертая и все четные трубы – к другому. Ионы, возникающие в области G под действием тока, протекающего через газ, проникают в цилиндр А и, двигаясь далее, ускоряются электрическим полем между А и В. Частота источника напряжения должна быть такой, чтобы за то время, пока ионы пройдут цилиндр В, напряжение на цилиндрах изменило знак. Тогда в поле между В и С ионы опять испытают ускорение и т.д.

Однако такой ускоритель имеет существенный недостаток. С увеличением скорости частиц необходимо увеличивать длину цилиндров. Поэтому больших энергий ускоряемых частиц на таком устройстве достигнуть нельзя.

Циклотрон

Лоуренсу принадлежит идея обратить с помощью магнитного поля траекторию ускоряемой частицы в спираль. Ускоритель такого типа называется циклотроном.

Устроен он следующим образом: в вакуумной камере размещается два полуцилиндра, называемые дуантами. Вблизи центра камеры располагается источник положительных ионов, которые попадают в пространство между дуантами. К дуантам подводится высокочастотная разность потенциалов. Вакуумная камера помещается между полюсами мощного электромагнита.

П ринцип действия циклотрона заключается в следующем: положительный ион, попав в зазор между дуантами, приобретает кинетическую энергию

,

где Р – импульс иона.

Отсюда .

Под действием магнитного поля она движется по полуокружности, радиус которой может быть найден как

(берем , т.к. )

.

Откуда .

Если в момент, когда ион опять попадет в промежуток между дуантами, электрическое поле изменит свою полярность, то частица получит еще одну порцию энергии. Ее кинетическая энергия станет равной , импульс и радиус полуокружности и т.д.

С помощью подобных ускорителей были получены пучки ядер тяжелого водорода и гелия с энергией 10-15 МЭв.

Однако, для детального изучения свойств и структуры ядра были необходимы частицы с энергией в 1000 раз большей. Это было достигнуто тремя путями:

1. путем постепенного изменения магнитного поля;

2. изменением частоты электрического поля;

3. изменением электрического и магнитного поля.

В соответствии с этим ускорители делятся на три типа: синхротрон, фазотрон и синхрофазотрон.

Синхротрон

В таком устройстве ускоряемые электроны движутся все время по окружности одного и того же радиуса. Ускорение достигается за счет изменения индукции магнитного поля, которое происходит таким образом, чтобы отношение было постоянным. Следовательно, будет постоянным и период обращения частицы

; ; .

.

В циклотроне по мере увеличения скорости частицы растете ее масса, следовательно, увеличивается период обращения и частица начинает запаздывать. Она приходит к ускоряющему промежутку в момент, когда фаза напряжения изменилась не на 180˚, а на большую величину. Это запаздывание нарастает и, в конце концов, получается так, что электрическое поле будет тормозить частицы.

В синхротроне такого увеличения периода не происходит. Это достигается синхронным увеличением индукции магнитного поля. При этом происходит значительное увеличение скорости частиц и их энергии.

С помощью синхротронов можно получить электроны с энергией в десятки и даже сотни МЭв.

Фазотрон

Так же как и циклотрон, он используется для ускорения тяжелых частиц: протонов, ядер гелия и т.д. В нем так же, как и в циклотроне, возрастание массы заряженной частицы влечет за собой увеличение периода обращения в магнитном поле. Для компенсации этого увеличения производят синхронное уменьшение частоты напряжения ускоряющего электрического поля при постоянном магнитном поле.

Траектория частицы в фазотроне представляет собой плоскую спираль. Чем дальше зайдет эта спираль, тем большая энергия частиц будет достигнута. Таким образом, увеличение энергии связано с увеличением площади ускорительной камеры, находящейся в магнитном поле.

Из существующих ускорителей этого типа наиболее мощным является фазотрон АН СССР с весом магнита 7000 т. Этот фазотрон дает пучок протонов с энергией 680 МЭв. Фазотроны ограничены энергиями порядка сотен МЭв. Дальнейшее увеличение их возможностей привело бы к немыслимому увеличению веса магнита. Энергия частиц в миллиарды электрон-вольт достигается в синхрофазотроне.

Синхрофазотрон

В синхрофазотроне одновременно изменяются частота и напряжения, ускоряющего электрические поля, и индукция магнитного поля. Ускоряемые частицы движутся в синхрофазотроне не по спирали, а по кривой траектории постоянного радиуса. По мере увеличения скорости и массы частиц индукция магнитного поля растет таким образом, что радиус орбиты частицы остается все время постоянным. Для непрерывного ускорения частицы необходимо, чтобы период колебаний электрического поля был равен периоду обращения частицы. Это достигается изменением частоты ускоряемого напряжения.

Первый синхрофазотрон, ускоряющий протоны до кинетической энергии 10 ГЭв, был построен в 1957 г. в СССР в объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна). В 1959 г. синхрофазотрон на 30 ГЭв был построен в Швейцарии в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН); в 1960 г. - синхрофазотрон на 33 ГЭв Бруквейнской национальной лаборатории США. В декабре 1967 г. в Советском Союзе, вблизи г. Серпухова, пущен в ход крупнейший в мире синхрофазотрон на 76 ГЭв.