электровакуум.приборы (1084498), страница 57
Текст из файла (страница 57)
= 1 Как и следовало ожидать, сумма вероятностей элементарных процессов равна единице. Экспериментальные зависимости вероятностей упругих, возбуждающих соударений и нонизации от энергии электронов, выраженной через потенциал, дпя паров Нй иллюстрируется рнс. 25.1. Из рисунка видно, что наибольшее абсолютное значение имеет вероятность упругих соударений шеу, однако с ростом энергии электронов ее значение быстро падает. Кривая вероятности возбуждения озс, начинается в области напряжений, близких к потенциалу возбуждения„достигает максимума около потенциала иониэацни, после чего круто спадает. Значения вероятности ионизацни с ростом энергии почти линейно наРастают в диапазоне Уе от Ег,.
до (3 + 4) У, затем достигают максимума и спадают. Таким образом, упругие соударения и возбуждение происходят в значительно более узком диапазоне энергий электронов, чем ионизация. Дифференциальное эффективное сечение н вероятность элементарного процесса задаются для строго определенной энергии электрона. В каждой точке пространства газоразрядного промежутка скорость 278 угс 7,5 б 7,0 с5 Э 0,5 0 150 У50 750 500 Е/р, В.м' ° Ла ' Рис. 25.1. Вероятности упругих, возбужцаюпзих соударений и иопизагии в зависимости от энергии электронов Рис. 25.2. Теоретическая зависимость коэффициента иоиизации от приведенной напряженности электрического поля электронов не постоянна, а распределена вокруг некоторого среднего значения, определяемого, с одной стороны энергией, приобретенной в электрическом поле, и, с другой стороны, потерями энергии при различного рода соударениях с частицами газа.
Таким образом, даже при строго постоянной напряженности электрического поля в промежутке электроны характе11изуются не постоянной энергией, а распределением по энергиям, что затрудняет расчет ионизации газа. Для того чтобы обойти эту трудность, Таунсенд ввел понятие коэд5- 85ициеига объемной иопиэации а, равного числу ионизаций, производимых электроном в среднем на 1 м пути для данной напряженности электрического поля Е. Найдем связь между вероятностью ионизации сое1 и коэффиЦиентом а. Как указывалось выше, на 1 м пути электрон испытывает Де = 1/йс столкновений с атомами газа. Из этих столкновений ионизируюшими будут только те, при которых электрон пройдет в электрическом поле путь Хс1, достаточно большой, чтобы накопить энергию, необходимую для ионизацни. Этот путь можно найти по формуле еЕХе1 = еУ,, (25.5) где Š— напряженность электрического поля в промежутке.
Вероятность того, что при средней длине свободного пробега Хе электРон пРойДет До соУДаРениа пУть, Равный или больший Хс1, опРеделяется как — )сс1/Ъ шй =е (25.6) Очевидно, что коэффициент а, т. е. число ионизаций на 1 м пути, равен произведению общего числа соударений, испытываемых электроном 279 на 1 м пути 12е, на вероятность ог) того, что электрон пройдет до "ез соударения путь, равный или большйи Хгг (при условии, что для любых Х > Х41 вероятность ноннзации принята равной единице) . Тогда (25.7) и, подставляя сюда (25.5) и (25,6), получаем (25.8) Таблица 25.2.
Потонцнялывогбуыденяя 17в, мегастобяльного состояния Ущ н нонязацнн К для раглнчных гогов 1 Не Ме Аг Кг Хе На Н цнвч У 21,2 16,85 11,6 10 8,45 4,89 10,2 17щ 19,8 16,62 11,55 9,91 8,32 4,67 У,. 24,58 21,56 15,75 13,99 12,13 10,43 13,6 Поскольку Х = г о/ро (25.9) где Хоо — средняя длина свободного пробега электронов для давления 1 Па при температуре 0 С, а ро — давление газа, приведенное к температуре 0'С, то (25.8) принимает вид а/ро = С,е -Сгl (Е/ро) (25. 10) где Сг = 1/Хео' Сг = (~~/Хео ° На рнс. 25.2 приведей график зависимости а/ро от Е/ро согласно (25.10), причем коэффициенты С, и С, подобраны эмпирически.
Такой подход оказывается необходим, поскольку при выводе было сделано допущение о постоянстве ше1 при Х > Хог. Заметим, что коэффициент а значителько удобнее лля теоретического анализа н расчета параметров разряда, чем шот или О„.. В газовых средах, используемых в приборах, часто возникает разновтщность возбужденкых атомов или молекул — метастабили. Для мета- стабильного атома вероятность перехода на более низкий энергетический уровень на несколько порядков ниже, чем у обычных возбужденных атомов.
В результате время жизни метастабильных атомов оказывается больше и, следователько, концентрация их в разрядном промежутке значительна. Потекпиалы обычных и метастабильных уровней возбуждекия и потенциалы ионизацни наиболее часто применяемых газовых наполнителей приборов приведены в табл, 25,2. Иэ таблицы видно, что энергия мета- стабильного состояния составляет значительную долю энергии ионизации, но все же меньше этой энергии. Наличие метастабильных атомов в газовом промежутке приводит к возникновению ступенчатых процессов возбуждения и ионизации'.
Первой ступенью такою процесса является создание метастабильного атома (поз. 2, табл. 25.1), второй ступенью — ионизация или возбуждение метастабильного атома электронным ударом (поз. 4, табл. 25.1). Для таких реакций требуется подвести к атому энергию У,. — Ц„илк' У вЂ” Ц„, что значительно меньше энергий У или У,, необходимых для 280 прямого возбуждения или ионизащш.
Например, для паров Нй соответствующая энергии для ступенчатой ионизации составляет - 5 зВ, ане -10 эВ. Другой важной особенностью ступенчатых процессов является то, что их интенсивность пропорциональна квадрату разрядного тока, а не его первой степени, как это имеет место при возбуждении или ионизацни прямым электронным ударом.
Зто связано о тем, что в ступенчатой реакции участвуют и электрон, и метастабильный атом, а число и тех и других пропорционально току. Перейдем теперь от рассмотрения ударов первого рода, при которых потенциальная энергия частиц после реакции возрастает, к ударам второго рода, приводящим к ее уменьшению. Как пример неупругих соударений второго рода рассмотрим иониэяцию Пеннинга (поз. 5, табл. 25.1) смеси 14е с небольшим количеством Аг, процесс, часто используемый в приборах тлеющего разряда для понижения напряжений возникновения и поддержания разряда.
Из табл. 25.2 видно, что потенциал ионизации Аг (15,75 В) несколько меньше, чем потенциал метастабильною уровня Хе (16,62 В), что делает энергетически возможным реакцию 1Че + Аг ч 1Че + Ат' + е. При этом метастабильный атом Ме отдает свою энергию нейтральному атому Аг и последний ионизируется. Поскольку разность значений Ц„для Ме и У,. для Аг мала, вероятность этого процесса оказывается велика.
В результате в данной смеси уже при сравнительно низкой напряженности электрического поля, недостаточной для ионизацни, электроны соударяются с атомами 1Че, которых в данной смеси подавляющее большинство, и переводят их в метастабильное состояние. В свою очередь метастабили, соударяясь с атомами Аг, ионизируютих. Помимо генерации заряженных частиц в гаэоразрядном промежутке всегда происходит и обратный процесс — их исчезновение (рекомбинация). В этом случае избыточная потенциальная энергия превращается в кинетическую.
При рекомбинации положительного иона с электроном (поз. 6, табл. 25.1) число актов рекомбинации, происходящих в едшпще объема газа эа время ЛГ, пропорционально и концентрации положительных 281 0,075 (25.11) дп = -а„п,. пе Й, о,з 0,05 005 0,025 ОО1 (25.12) 7= 71 + 17Л7777 + 1юЛггл7т ионов и концентрации электронов,т.е. где л1 — концентРациЯ положительных ионов; пе — концентРациЯ электронов; аг — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом объемной рекомбинации, м с'. Вероятность процесса, т. е.
коэффициент а„, зависит от того, как отводится избыточная потенциальная энергия. При рекомбинации в тройном соударении зта энергия передается молекуле газа. Поэтому процесс рекомбинации в тройных соударениях оказывается вероятным только при высоких давлениях. При рекомбинации с излучением избыточная энергия выделяется в виде кванта. Вероятность последнею процесса невелика н слабо зависит от давления. 25.2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЭМИССИИ В УСЛОВИЯХ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА Необходимым условием прохождения тока в ионном приборе является эмиссия заряженных частиц (электронов) из катода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
