2014-02-02
1439
Частицы газа находятся в состоянии теплового движения, постоянно взаимодействуя (сталкиваясь) друг с другом. Число столкновений z, испытываемых какой либо частицей на пути в 1 см, пропорционально концентрации N. Величина, обратная числу столкновений, l=1/ z представляет собой среднюю длину свободного пробега частицы. Некоторые характеристики газов представлены в табл.2.
Таблица 2. Некоторые энергетические характеристики газов.
| Газ | H2 | N2 | O2 | H2O | CO2 | SF6 |
| lмол, мкм | 0,11 | 0,058 | 0,064 | 0,041 | 0,039 | 0,025 |
| lэл, мкм | 0,63 | 0,33 | 0,36 | 0,23 | 0,22 | 0,13 |
| Wвозб, (э В) | 10,8 | 6,3 | 7,9 | 7,6 | 6,8 | |
| Wи, (э В) | 15,9 | 15,6 | 12,1 | 12,7 | 14,4 | 15,6 |
На рис.2. схематично представлены уровни энергии электрона в молекуле (атоме). Минимальная энергия свободного электрона принята равной нулю.
Рис.2. Уровни энергии электрона в молекуле (атоме).
Действительные длины свободных пробегов подвержены значительному разбросу. Вероятность того, что длина свободного пробега частицы равна или больше x, cоставляет
(2.1)
В электрическом поле на заряженные частицы (ионы и электроны) действует сила
|
|
|
F=e∙E, (2.2)
где е - заряд частицы; Е - напряженность электрического поля.
Под действием этой силы заряженные частицы ускоряются и приобретают кинетическую энергию, которая равна
(2.3)
где х - расстояние, пролетаемое электроном в направлении поля, а U – разность потенциалов, которые прошла частица. Например, электрон, двигаясь в электрическом поле, прошёл разность потенциалов 1В. Его энергия, в этом случае, увеличится на 1 эВ = 1,602 176 487∙10-19 Дж.
Если больше энергии ионизации (рис.2), то при столкновении электрона с нейтральной частицей может произойти ионизация молекулы – отрыв электрона от молекулы. Если энергии электрона недостаточно для этого, то возможен переход электрона на один из верхних уровней энергии, т.е. возбуждение частицы. При столкновении с возбужденной частицей, находящейся в метастабильном состоянии, такой электрон может участвовать в процессе ступенчатой ионизации, т.е. в переходе на более высокие уровни с последующим отрывом электрона от молекулы (частицы).
Расстояние, который должен пролететь электрон, чтобы накопить достаточную для ионизации энергию, определяется как
(2.4)
и зависит от напряженности электрического поля.
Вероятность того, что электрон пролетит путь без столкновений и приобретёт необходимую для ионизации энергию, определяется:
, (2.5)
но это и есть вероятность приобретения электроном энергии, при которой возможна ионизация, т.е. можно считать вероятностью ионизации.
Процесс ионизации газа путем соударения нейтральных молекул с электронами называется ударной ионизацией и характеризуется коэффициентом ударной ионизацииa, который равен числу ионизаций, производимых электроном на пути в 1 см по направлению действия сил электрического поля. Коэффициент a определяется как произведение среднего числа столкновений на пути в 1 см и вероятности ионизации:
|
|
|
(2.6)
Положительные ионы практически не могут ионизировать молекулы газа по ряду причин: малая подвижность; значительно меньшие, чем у электронов, длины свободного пробега. Частота ионизаций положительными ионами в раз меньше, чем электронами.
Однако положительные ионы, бомбардируя катод, могут освобождать из него электроны.
В процессе ионизации газа возникает большое количество возбужденных частиц, которые, переходя в нормальное состояние, испускают фотоны. Если энергия фотона превышает энергию ионизации
(2.7)
где n -частота излучения; h =4,15 эВс -постоянная Планка, то при поглощении его атомом или молекулой освобождается электрон, т.е. происходит акт фотоионизации газа. В воздухе фотоионизация происходит в сильных электрических полях, когда становится возможным возбуждение положительных ионов, и при переходе их в невозбужденное состояние излучаются фотоны с достаточно высокой энергией. Энергия излучаемых фотонов (≥ W возб) больше работы выхода электронов из катода (А вых = 1,5 ÷ 5 эВ), поэтому в воздухе эффективна фотоионизация на катоде.
Оба фотоионизационных процесса - в объеме газа и на катоде - играют важную роль в развитии разряда в воздухе. Фотоионизация в объеме газа и на катоде, а также освобождение электронов при бомбардировке катода положительными ионами происходят как следствие ударной ионизации. Эти процессы называются процессами вторичной ионизации. Соответственно, появившиеся в результате этих процессов электроны называются вторичными.
Число вторичных электронов пропорционально числу актов ударной ионизации. Коэффициент пропорциональности g называется коэффициентом вторичной ионизации. Значение g зависит от природы и давления газа, материала катода и напряженности электрического поля, а также оттого, какой процесс вторичной ионизации превалирует.
Одновременно с ионизацией происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц, называемый рекомбинацией. Число рекомбинаций, происходящих в 1 см газа за единицу времени, пропорционально их концентрациям. Избыток энергии выделяется в виде излучения.
При значительном повышении температуры газа, при Т больше 10000 °С, кинетическая энергия нейтральных частиц возрастает настолько, что основным механизмом ионизации нейтральных молекул становится механизм их столкновения, при котором обе или одна молекула превращаются в заряженные ионы. Такой механизм называется термоионизация.
Газ, в котором значительная часть частиц ионизирована, называется плазмой. Концентрации положительно и отрицательно заряженных частиц в плазме примерно одинаковы. Плазма представляет собой форму существования вещества при высоких температурах.
