Электрофизические процессы в газах

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. Действительные длины свободных пробегов подвержены значительному разбросу. Вероятность того, что длина свободного пробега частицы равна или больше x, cоставляет

(1)

В электрическом поле на заряженные частицы (ионы и электроны) действует сила

F=eE, (2)

где е - заряд частицы; Е - напряженность электрического поля.

Энергия, накапливаемая электроном в электрическом поле, равна

(3)

где х - расстояние, пролетаемое электроном в направлении поля.

Если больше энергии ионизации , то при столкновении электрона с нейтральной частицей может произойти ионизация. Если энергии электрона недостаточно для этого, то возможно возбуждение частицы, а при столкновении с возбужденной частицей, находящейся в метастабильном состоянии, такой электрон может участвовать в процессе ступенчатой ионизации.

Расстояние, который должен пролететь электрон, чтобы накопить достаточную для ионизации энергию, определяется как

(4)

и зависит от напряженности электрического поля.

Вероятность того, что электрон пролетит путь без столкновений, составляет

, (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 ионизации a, 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:

(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

(7)

где n -частота излучения; h =4,15 эВс -постоянная Планка, то при поглощении его атомом или молекулой освобождается электрон, 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 выше работы выходя электронов из катода, 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 кинетическая энергия нейтральных частиц возрастает настолько, что становится возможной ионизация при их столкновении - 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.

 

2.6. Лавина электронов и условие самостоятельности разряда.

Рассмотрим промежуток между двумя электродами в газе. Если в этом промежутке появился электрон, то, двигаясь к аноду, при достаточной напряженности электрического поля он может при столкновении ионизировать молекулу газа. Образовавшийся при этом свободный электрон вместе с начальным ионизирует новые молекулы. Число свободных электронов будет непрерывно возрастать. Процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду, получил название лавины электронов. В процессе ионизации одновременно с электронами образуются положительные ионы. Вследствие значительной разницы в подвижностях электронов и ионов за время движения лавины до анода положительные ионы практически остаются на месте их возникновения.

В природе постоянно действуют такие ионизаторы, как космические частицы, радиоактивное излучение Земли, ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря им в промежутке между электродами непрерывно возникают свободные электроны. Под действием приложенного к промежутку напряжения в нем будут непрерывно образовываться лавины электронов. Движение заряженных частиц в промежутке создает ток разряда между электродами. Если исключить действие внешнего ионизатора, ток в промежутке прекратится. Такой процесс называется несамостоятельным разрядом.

Для того, чтобы разряд стал самостоятельным и мог существовать в отсутствие внешнего ионизатора, необходимо, чтобы в результате развития первоначальной лавины появлялся по крайней мере один вторичный электрон, способный создать новую лавину. Таким образом, условие самостоятельности разряда можно записать в общем виде как

(8)

или в случае однородного поля

(9)

где L - расстояние между электродами.

В резконеоднородном электрическом поле условие самостоятельности разряда выполняется в очень узкой зоне вблизи электрода. Это означает, что ионизационные процессы концентрируются в этой зоне и создают характерное свечение, называемое коронным разрядом или короной.

В процессе развития лавины непрерывно увеличивается число электронов и положительных ионов, при этом напряженность электрического поля на фронте лавины возрастает, а в задней ее части уменьшается. В какой-то момент напряженность в задней части лавины уменьшается настолько, что становится невозможной ударная ионизация. Находящиеся в хвосте лавины отставшие электроны вместе с положительными ионами создают плазменное образование, дающее начало возникновению стримерного канала. Характерной особенностью стримера является наличие избыточного заряда на конце, создающего местное усиление электрического поля и обеспечивающего непрерывное удлинение плазменного канала.

С ростом приложенного к промежутку напряжения длина стримера увеличивается и возрастает емкость между стримером и противоположным электродом. Это приводит к увеличению тока в канале стримера и разогреву его до температуры, достаточной для термической ионизации. Термически ионизированная часть канала стримера называется лидером.

Концентрация заряженных частиц в канале лидера значительно выше, чем в стримере, поэтому падение напряжения на нем меньше. В связи с этим у стримера, часть канала которого преобразовалась в лидер, потенциал головки возрастает и создаются условия для продвижения стримера до противоположного электрода и преобразования этого стримера в лидер.