Скорость и частота ионизации. Ионизация электронным ударом.

Ионизация невозбужденных атомов и молекул ударами электронов — важнейший механизм рождения зарядов в объеме газового разряда. Обозначим число электронов в 1 см³ с энергиями от до ; — это функция распределения электронов по энергиям, нормированная на плотность электронов; пусть - эффективное сечение ионизации атомов, находящихся в основном состоянии, электронами с энергией . Скорость ионизации, т. е. число актов ионизации, производимых электронами в 1 см³ в 1 с, равна

. (5.1)

Коэффициент при плотностях частиц, участвующих в реакции, называется константой скорости реакции (это относится к любым реакциям); — частота ионизации, т. е. число ионизации, которое электрон в среднем производит в 1 с. Интегрирование по энергиям в (5.1) фактически начинается не от , а от потенциала ионизации , так как при .

Ионизующую способность электронов в данных условиях обычно характеризуют частотой ионизации. Она пропорциональна плотности газа и определяется энергетическим спектром электронов:

; (4.2)

угловыми скобками обозначено усреднение по спектру. В слабоионизованной плазме, находящейся в поле, электронный спектр зависит от многих процессов упругих и неупругих столкновений. Частоту ионизации для этих условий находят путем решения кинетического уравнения для по формуле (4.2) с известным экспериментальным сечением ионизации или же определяют из опыта. Если ионизация электронами происходит при неизменных условиях, так что , и гибель электронов можно не учитывать, электроны размножаются во времени по экспоненциальному закону: . Развивается электронная лавина.

5.2 Фотоионизация. Конкурировать с ионизацией электронным ударом в условиях разрядов фотоионизация не в состоянии. Но иногда она служит источником затравочных электронов, от которых начинаются электронные лавины, в частности при распространении стримеров. Сечения фотоионизации у порога довольно велики, но обычно в газе бывает мало квантов с энергиями , способных произвести фотоэффект.

5.3. Ионизация возбужденными атомами. Даже большая кинетическая энергия медленных тяжелых частиц не эффективна в отношении ионизации. Для ионизации нужны скорости атомов и ионов, сравнимые со скоростью электрона в атоме 10⁸ см/с, чему соответствуют не реализующиеся в разрядах энергии 10—100 кэВ. Напротив, энергия возбуждения атома легко затрачивается па отрыв электрона от другого атома, если, конечно, она превышает его потенциал ионизации . Особенно эффективны в этом отношении резонансно-возбужденные атомы. Так, сечения ионизации Аr, Кr, Хе, N₂, О₂ атомами Не(2¹Р) с гораздо больше газокинетических. Меньше сечения ионизации метастабильными атомами также с (эффект Пеннинга), но зато метастабильные атомы присутствуют в газе в гораздо большем количестве, чем быстро высвечивающиеся резонансные. Сечения ионизации Аr, Хе, N₂, СО₂ метастабильными атомами Не(2³S) с достигают значений 10^-15 см², а сечение ионизации Hg исключительно большое, 10^-14 см².