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.

В таблице представлены средние длины свободного пробега молекул различных газов (lмол) и электронов в них (lэл).

 

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

10

6,8

Wи, (э В)

15,9

15,6

12,1

12,7

14,4

15,6

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

 

P(x)=exp(-x/λ) (1)

37% всех частиц имеют скорости больше средних, а 0,005% - больше 10 l.

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:

Wэ=eU=eEx, (3)

где х - расстояние, пролетаемое электроном в направлении поля. Это энергия часто измеряется во внесистемных единицах в электрон-вольтах. Энергия в 1 эВ представляет собой энергию, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов 1 В. Как видно из таблицы энергии ионизации основных газов ~12¸16 эВ. Эту энергию должен набрать электрон на длине свободного пробега. Например, для О2 при l=0,36 мкм его энергия должна составить Wи =12,1 эВ, т.е. на этой длине должна быть разность потенциалов U=12,1 В, а напряженность поля составлять Е=U/l=336 кВ/см.

Если Wэ больше энергии ионизации Wи, 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:

Xи=Wи/(eE)=Uи/E (4)

и зависит от напряженности электрического поля.

Вероятность того, что электрон пролетит путь Xи без столкновений, составляет:

P(Xи)=exp(-Xи/λ), (5)

но это и есть вероятность приобретения электроном энергии Wи, при которой возможна ионизация, т.е. P(Xи) 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:

a=1/λ?exp(-Xи/λ). (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 105 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

hν≥ Wи, (7)

где n - частота излучения; h=4,15*10-15 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 см3 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.

Назад