Лекция 6 (1076362)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Лекция № 6Образование и гибель заряженных частиц в газеИонизация электронным ударом в постоянном полеСкорость и частота ионизацииИонизация невозбуждённых атомов и молекул ударами электронов – важнейший механизмрождения зарядов в объёме газового разряда. Обозначим n(ε)dε число электронов в 1 см3 сэнергиями от ε до ε+dε; n(ε) – это функция распределения электронов по энергиям, нормированнаяна плотность электронов; пусть σi(ε) – эффективное сечение ионизации атомов, находящихся восновном состоянии, электронами с энергией   mv2 / 2 . Скорость ионизации, т.е. число актовионизации, производимых электронами в 1 см3 в 1 с, равна dne    Nv i ( )n( )d  ki Nne   i ne . dt i 0Коэффициентом ki при плотностях частиц, участвующих в реакции, называетсяконстантой скорости реакции (это относится к любым реакциям);  i  ki N – частота ионизации,т.е.

число ионизаций, которое электрон в среднем производит в 1 с. Интегрирование по энергиямфактически начинается не от ε = 0, а от потенциала ионизации I, так как σi = 0 при ε ≤ I.Ионизирующую способность электронов в данных условиях обычно характеризуютчастотой ионизации.

Она пропорциональна плотности газа и определяется энергетическимспектром электронов: v ( )n( )dii  N0 n( )d N v i  Nki .0Угловыми скобками обозначено усреднение по спектру. В слабоионизованной плазме,находящейся в поле, электронный спектр зависит от многих процессов упругих и неупругихстолкновений. Частоту ионизации для этих условий находят путём решения кинетическогоуравнения для n(ε) по последней формуле с известным экспериментальным сечением ионизацииили же определяют из опыта.

Если ионизация электронами происходит при неизменных условиях,так что νi = const, и гибель электронов можно не учитывать, электроны размножаются во временипо экспоненциальному закону:ne  ne (0) exp( i t ) .Развивается электронная лавина.Ионизационный коэффициент ТаунсендаВ постоянном поле лавина, вызванная первичным электроном, развивается не только вовремени, но и в пространстве вдоль направления дрейфа рождающихся электронов, поэтомуцелесообразнее характеризовать скорость ионизации не частотой νi, а ионизационнымкоэффициентом α – числом ионизаций, совершаемых электроном на пути в 1 см вдоль поля.Тогдаi,  i  vд .vдСледует подчеркнуть, что первичной и всеобъемлющей характеристикой скоростиионизации является не α, а частота ионизации νi.

Именно она, как и скорость дрейфа, вычисляетсяпри помощи функции распределения. Ионизационный коэффициент α – величина производная. Вбыстропеременных полях α вообще особого смысла не имеет. Но, с другой стороны, в опытах спостоянным полем непосредственно измеряют не νi, а α.Интерполяционная формула для αПри теоретических и численных исследованиях разрядов широко пользуются удобнойэмпирической формулой, предложенной Таунсендом,BpE  ApeДля инертных газов более подходит другая формула:1/ 2  Cpe pD EПостоянные A, B, С и D определяют путём аппроксимации экспериментальных кривых(табл. 6.1).Таблица 6.1.Эмпирические константы в формулах для ионизационного коэффициента и областипримененияДля воздуха2E 1,17  10   32,2  [см-1∙торр-1]ppE 44...176 [В/(см∙торр)]p4Оптимальные условия для ионизацииПроходя в однородном поле разность потенциалов 1 В, электрон порождает α/E электронов (парионов).

Для рождения одной пары он должен, следовательно, приобрести от поля энергиюWeEФункция W(E/p) имеет минимумWmin EeeBпри    B ,A p mгде e  2,72 .Даже при этих, наиболее благоприятных для размножения условиях на рождение однойпары ионов затрачивается энергия Wmin (константа Столетова), которая в несколько разпревышает потенциал ионизации. Причина в том, что электрону приходится тратить многоэнергии на возбуждение атомов.

В воздухе, например, Wmin = 66 эВ на пару ионов при(E/p)m = 365 В/(см∙торр).Очень сильные поляЭмпирическая формула Таунсенда не применима к очень сильным полям. Она приводит кмонотонному нарастанию α от E/p и при E/p→беск. даёт α/p→A. Между тем, в очень сильныхполях электрон приобретает большую энергию, которая переваливает за максимум кривой сеченияионизации σi(ε), и тогда ионизационная способность с ростом поля падает.

Максимумы α на опытенаблюдаются при E/p ≈ 1000 В/(см∙торр). Конечно, столь большие значения E/p для разрядов нетипичны, но в некоторых условиях (например, в катодном слое аномального тлеющего разряда идр.) встречаются.Ступенчатая ионизацияВ слабоионизованном газе атомы ионизуются преимущественно из основного состояния.При значительной степени ионизации образуется много возбуждённых атомов и молекул и можетпреобладать ступенчатая ионизация.

Атомы сначала возбуждаются электронным ударом, а потомионизуются последующими. Большую роль при этом играют долгоживущие метастабильныевозбуждённые частицы. Сечения ионизации их довольно велики. Вклад ступенчатой ионизациизависит от концентрации присутствующих в газе метастабильных частиц. Концентрацияопределяется не только скоростью их рождения, но и скоростью гибели за счёт дезактивацииударами электронов, молекул и атомов, диффузионного ухода на стенки.

Надо сказать, чтоступенчатая ионизация чаще всего преобладает над ионизаций из основного состояния всильноионизованной плазме. Но в этом случае степень ионизации обычно бывает близкой ктермодинамически равновесной величине, и вопрос о кинетике ионизации не столь актуален.Другие механизмы ионизацииФотоионизацияКонкурировать с ионизацией электронным ударом в условиях разрядов фотоионизация не всостоянии. Но иногда она служит источником затравочных электронов, от которых начинаютсяэлектронные лавины, в частности при распространении стримеров. Сечения фотоионизации упорога довольно велики, но обычно в газе бывает мало квантов с энергиями hν > I, способныхпроизвести фотоэффект.Ионизация возбуждёнными атомамиДаже большая кинетическая энергия медленных тяжёлых частиц не эффективна вотношении ионизации.

Для ионизации нужны скорости атомов и ионов, сравнимые со скоростьюэлектрона в атоме 108 см/с, чему соответсвуют не реализующиеся в разрядах энергии 10…100 кэВ.Напротив, энергия возбуждения E* атома легко затрачивается на отрыв электрона от другогоатома, если, конечно, она превышает его потенциал ионизации I.

Особенно эффективны в этомотношении резонансно-возбуждённые атомы. Так, сечения ионизации Ar, Kr, Xe, N2, O2 атомамиHe(21P) c E* = 21,2 эВ (σ ≈ 2∙10-14 см2) гораздо больше газокинетических. Меньше сеченияионизации метастабильными атомами также с E > I (эффект Пеннинга), но зато метастабильныеатомы присутствуют в газе в гораздо большем количестве, чем быстровысвечивающиесярезонансные. Сечения ионизации Ar, Xe, N2, CO2 метастабильными атомами He(23S) cE* = 19,8 эВ достигают значений 10-15 см2, а сечение ионизации Hg исключительно большое –1,4∙10-14 см2.Ассоциативная ионизацияПроцесс типа А + А* → А2+ + e, обнаруженный Хорнбеком и Молнаром в 1951 году,иногда играет заметную роль в инертных газах.

Отрыву электрона от возбуждённого атомаспособствует выделение небольшой энергии связи порядка 1 эВ при объединении иона и атома вмолекулярный ион.Ассоциативная ионизация иногда играет роль при распространении волн ионизации иискровых разрядов в местах, где электронов ещё очень мало. Возбуждённые атомы образуются тамв результате поглощения фотонов, излучаемых в уже ионизованных областях.Пробой газов в полях различных частотных диапазоновНесамостоятельный ток в разрядном промежуткеРассмотрим, что происходит в плоском газовом промежутке, включённом в цепь систочником питания, если постепенно повышать напряжение U на электродах.

Приложенноеэлектрическое поле будем считать однородным:E = U/d,где d – расстояние между электродами.Время от времени у катода появляются случайные электроны. Поле движет их к аноду.Электрон может и не достичь анода: попасть на боковые стенки разрядного сосуда, прилипнуть кэлектроотрицательной молекуле. Ионы могут рекомбинировать.

Гибнет по пути тем меньшая долязарядов, чем быстрее они проходят промежуток, т.е. чем сильнее поле. Поэтому электрический токi в цепи, который определяется числом зарядов, достигающих электродов в 1 с, растёт сповышением U. Начиная с какого-то напряжения, практически все заряды, электроны и ионы,рождающиеся в объёме, попадают на электроды. Ток достигает насыщения и перестаёт зависеть отU. Он определяется скоростью появления зарядов под действием посторонних источников,космического излучения или искусственного ионизатора.Разряд этот называется несамостоятельным. Его статическая вольтампернаяхарактеристика изображена на рис.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций