5.6. Ударная ионизация

Процесс ионизации газа под действием быстро движущихся электронов, ионов и других частиц, получил название ударной ионизации. Столкновение заряженных частиц с нейтральными атомами газа сопровождается передачей последним части энергии. Если кинетическая энергия частиц незначительна, то ее соударение с атомами является упругим. Энергия, сообщаемая при этом атому, недостаточна для его ионизации. Бомбардировка атомов газа такими частицами вызывает лишь нагревание газа.

Если кинетическая энергия частиц достаточно велика, то соударения становятся неупругими и вызывают возбуждение атомов газа, т. е. перевод атомов из нормального энергетического состояния в состояние с повышенной энергией, или даже ионизацию атомов. Минимальное значение кинетической энергии, которой должна обладать частица для того, чтобы вызвать ударную ионизацию атома газа можно оценить на основании следующих расчетов. Скорость теплового движения атомов и молекул в газе во много раз меньше скорости ионизирующей частицы. Поэтому можно считать, что до удара атом неподвижен. Полагая, что скорость v ионизирующей частицы во много раз меньше скорости света в вакууме, и применяя закон сохранения импульса при неупругом ударе к столкновению частицы с атомом, получим:

Mv=(m+M)u, (24.6)

где М—масса атома; u-скорость частицы и атома после удара. При этом приближенно считается, что скорость электрона, выбитого из атома, тоже равна u. При ударе кинетическая энергия частицы расходуется на работу ионизации А_и и сообщение атому и частице кинетической энергии, соответствующей их скорости после удара:

^l/₂mv²=A_и+^l/₂(m+M) u². (25.6)

Подставив, в (25.6) u из (24.6), получим

(26.6)

Уравнение (26.6) позволяет сделать следующее заключение: а) минимальная кинетическая энергия, которой должна обладать частица для осуществления ударной ионизации атома газа, не может быть меньше работы ионизации А_и, и в) будет тем ближе к А_и, чем меньше масса частицы по сравнению с массой атома. Для электрона эта энергия меньше, чем для любого иона. В одном и том же ускоряющем электрическом поле электрон и одновалентный ион приобретают одинаковую кинетическую энергию W_K = eU. Поэтому для осуществления ударной ионизации ионы должны пройти в ускоряющем электрическом поле большую разность потенциалов (U), чем электроны.

6.6. Вольтамперная характеристики газового разряда.

Прохождение электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе или газовым разрядом. В зависимости от физической природы ионизации молекул газа или паров, приводящей к появлению свободных электронов и положительных ионов газовые разряды делятся на два основных вида:

1.Несамостоятельный газовый разряд. Возникает и поддерживается в газе только за счет действия внешнего источника ионизации. При прекращении действия внешнего ионизатора разряд прекращается. В зависимости от физической природы ионизатора различают различные подвиды несамостоятельного газового разряда.

а). Тихий несамостоятельный разряд, возникает при воздействии на газоразрядную трубку c холодным катодом ряда естественных ионизаторов: космического излучения, радиации земной коры, активной деятельности солнца и других источников радиации.

б). Тихий несамостоятельный разряд, возникает в газоразрядных трубках с горячим катодом при малых значениях напряженности поля и ускоряющего напряжения между катодом и анодом. При этом разряде электроны, эмитируемые с катода и ускоряемые электрическим полем анода производят ударную ионизацию газа.

2. Самостоятельный газовый разряд. Он возникает и поддерживается в газоразрядных трубках с холодным катодом только за счет действия сил электрического поля. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались носители тока. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа. Существует несколько различных видов самостоятельного разряда в газах, которые отличаются друг от друга, как по внешнему виду, так и по характеру физических процессов обуславливающих их возникновение и протекание. К ним относятся:

а). Тихий самостоятельный (коронный) разряд и высокочастотный газовый разряд. Данные разряды поддерживаются только за счет ударной ионизации молекул газа.

б). Тлеющий разряд. Возникает в газоразрядных трубках с давлением газа порядка нескольких килопаскалей. Он отличается малой плотностью тока на катоде и большим падением потенциала (порядка сотен вольт) в области разряда около катода. При этом разряде ударная ионизация осуществляется электронами, выбиваемыми из холодного катода при его бомбардировке положительными ионами.

в). Самостоятельные дуговые разряды при нормальном и большом давлении газа: коронный, искровой, дуговой и другие разряды. Их образование и поддержание связаны также с различными видами ударной ионизации и интенсивным испусканием электронов при различных видах эмиссии.

На рис. 3.6,а показана электрическая схема для получения вольтамперной характеристики (газового разряда) газоразрядной трубки с холодным катодом, т.е. зависимости силы тока от напряжения (разности потенциалов) между анодом и катодом. Напряжение регулируется потенциометром R. Объём баллона газоразрядной трубки наполнен инертным газом либо водородом с давлением Р=1-10⁴ Па (10^-2-10² мм рт. ст.). При рассмотрении процессов, происходящих в газоразрядной трубке, приводящих к представленным на рис. 3.6,б, видам зависимостей тока от напряжения будем считать, что анод и катод имеют форму дисков с плоскими поверхностями.

а б

Рис. 3.6. а). Электрическая схема для снятия вольтамперной характеристики газового разряда. б). Вольтамперная характеристика газового разряда.