Процессы ионизации в газе

 

Представим электронную оболочку атома в виде совокупности круговых орбит, по которым движутся электроны вокруг положительно заряженного ядра. В нормальном состоянии электроны находятся на ближайших к ядру орбитах, потенциальная энергия атома минимальна. Если сообщить атому дополнительную энергию, один или несколько атомов могут перейти на более удаленные от ядра орбиты. Этот процесс называется электронное возбуждение атома.

Среднее время пребывания атома или молекулы в возбужденном состоянии составляет 10^-10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона.

Чем большая энергия сообщается атому, тем на более удаленную от ядра орбиту переходит электрон. Когда электрон удалится от ядра на столько, что связь его с ядром практически исчезнет, он становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате образуется две частицы: положительный ион и электрон. Энергия, необходимая для ионизации атома называется энергией ионизации. Эту энергию нейтральная частица получает в результате столкновения с электроном.

Процесс ионизации газа путем соударения нейтральных частиц с электронами называется ударная ионизация и характеризуется коэффициентом ударной ионизации α. Коэффициент ударной ионизации α равен числу ионизаций, производимых электроном на пути в 1 см по направлению действия сил электрического поля.

Образовавшиеся новые электроны в свою очередь также участвуют в процессе ионизации, образуя лавину электронов.

Некоторая часть электронов при столкновении с нейтральными атомами или молекулами может быть ими захвачена, при этом образуются отрицательные ионы. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.). Устойчивость образовавшихся отрицательных ионов зависит от энергии, которая выделяется при захвате электрона атомом.

Процесс захвата электронов частицами газа характеризуется коэффициентом прилипания электронов h, который является величиной, обратной пути, проходимому электроном вдоль силовой линии электрического поля до “прилипания”. Поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации αэф=α-η.

Коэффициент α_эф (или α) зависит от напряжения электрического поля Е, давления Р и абсолютной температуры газа Т. Для воздуха при давлении и температуре, близких к нормальным эта зависимость может быть представлена в виде:

,                                    (1.1)

 где – относительная плотность воздуха; Р0 = 101300 Па, Т0= 293 К – собственно нормальные давление и температура.

Одновременно с ионизацией происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация. Число рекомбинаций в 1 см³ газа за единицу времени, пропорционально числу встреч противоположно заряженных частиц, которое в свою очередь пропорционально их концентрации.

Если наступает равновесие, т.е. в единицу времени возникает и рекомбинирует одинаковое число заряженных частиц, то такое состояние газа характеризуется определенной степенью ионизации, равной отношению концентрации ионизированных частиц к общей концентрации частиц:

.                                     (1.2)

 

Виды ионизации

 

Различают объемную и поверхностную ионизации.

Объемная ионизация – образование заряженных частиц в объеме газа между электродами. Поверхностная ионизация – излучение (эмиссия) заряженных частиц с поверхности электродов.

Объемная ионизация подразделяется на:

1) ударную ионизацию;

2) ступенчатую ионизацию;

3) фотоионизацию;

4) термоионизацию.

Ударная ионизация – соударение электрона с нейтральным атомом

или молекулой. Условие ионизации может быть записано в виде:

,                                    (1.3)

где m – эффективная масса заряженной частицы, кг (m_эл=9,1∙10^-31 кг –

эффективная масса электрона; m_прот=1,7∙10^-27 кг – эффективная масса

протона); V – скорость движения заряженной частицы, м/с; W _И – энергия ионизации нейтрального атома или молекулы, эВ.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов,

то ударная ионизация ионами малоэффективна и определяющей является ударная ионизация электронами.

Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия первого

воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит атом только в возбужденное состояние, т. е. энергия электрона недостаточна для ионизации. Воздействие второго электрона на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации. Время между воздействием первого и второго электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоянии. Условие ступенчатой ионизации:

,                          (1.4)

где m _эл – масса электрона; V 1, V 3 – скорости электронов; W _И – энергия ионизации молекулы (атома).

Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов,

излучаемая возбужденными атомами или молекулами, должна быть больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой. Этот процесс успешно осуществляется в смеси газов (воздух). При фотоионизации возможна и ступенчатая ионизация.

Условием фотоионизации является:

hν ≥W_И,                                           (1.5)

где h – постоянная Планка; ν – собственная частота фотона.

Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате следующих действий:

1) освобождения электрона при соударениях между атомами и мо-

лекулами при высоких температурах;

2) фотоионизации нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате теплового взаимодействия при высоких температурах;

3) ионизации при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах.

В газе при тепловом движении происходит диссоциация молекул раньше, чем произойдет ионизация, т. к. энергия диссоциации меньше, чем энергия ионизации.

Поверхностная ионизация (эмиссия электронов) осуществляется за счет:

1) бомбардировки поверхности катода положительными ионами –

вторичная электронная эмиссия. Условие для выхода электрона с поверхности:

,                         (1.6)

где m _ион – масса иона; V _ион – скорость иона; W _вых – энергия выхода электрона;

2) фотоэмиссии, т. е. лучистой энергии, облучающей катод, например, ультрафиолетовым светом, рентгеновским излучением. Условие для выхода электрона с поверхности:

hν ≥W_вых,                                         (1.7)

где h – постоянная Планка; ν – частота излучения фотона; W _вых – энергия выхода электрона;

3) нагрева поверхности катода – термоэлектронная эмиссия;

4) энергии внешнего электрического поля – автоэлектронная или

холодная эмиссия возможна при напряженности электрического поля более 3·10² кВ/см.

Для реализации поверхностной ионизации необходимо, чтобы энергия воздействия была больше энергии выхода электрона из катода (W _вых). Энергия W _вых ниже энергии объемной ионизации газа примерно в 2 раза и более и зависит от материала электрода.

Лавина электронов

 

Пусть в газе между двумя плоскими электродами (однородное поле), под действием какого-либо внешнего ионизатора, появился свободный электрон. При достаточной напряженности электрического поля, двигаясь к аноду, он может при столкновении с атомом ионизировать его. При этом  появляется новый электрон, который вместе с начальным, ионизирует новые атомы и молекулы и число свободных электронов будет непрерывно нарастать.

Лавина электронов – процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду.

Пусть в лавине, прошедшей путь x, содержится n электронов. На пути dx каждый из них пройдет  αdx ионизаций. Общее увеличение числа электронов на пути dx будет равно:

.                      (1.8)

Интегрируя в пределах от 1 до n и от 0 до x, получим

.                (1.9)

В случае однородного поля, когда напряженности во всех точках одинаковы, коэффициент α не зависит от координаты и может быть вынесен за знак интеграла:

.                                 (1.10)

Таким образом, число электронов в лавине в однородном электрическом поле нарастает по экспоненциальному закону со скоростью, которая определяется коэффициентом ударной ионизации α.

Выражение (1.10) дает значение электронов в лавине без учета их прилипания к нейтральным атомам и молекулам, которое характеризуется коэффициентом прилипания η. Число электронов в лавине с учетом прилипания будет равно:

.                                     (1.11)

В процессе развития лавины одновременно с электронами образуются положительные ионы. Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке к катоду. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке.