Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Когда частица (атом или молекула) нейтрального газа приооретает олин или неск есколько онов электронов, она становится отрицательным ионом. При этом число свооодных элелтр в газе уменьшается, и поскольку подвижность образовавшихся отрицательных н ионов нижается. много меньше полвижности свободных электронов, электропроводность газа понижа . Т к, в частно Отрицательные ионы могут образоваться таким спосооом не во всех газах. Так, в ча сти, в водороде, азоте и инертных газах отрицательные ионы таким путем не ооразу с о,ство,и С другой стороны, кислорогь хлор и пары воды имеют высокое электронное срол 1, них трс" в них легко образуются отрицательные ш>ны Незначительные следы этих постелних Р ь обРазо газов сильно влияют на электропроводность.
При низких давлениях вероятность о р вания отрицательных ионов очень мала. тельньщ Молекула или атом газа может потерять электрон и стать, таким образом, положите.' ионом с помощью одного из следующих грех процессов: с) при неупругом соударении с элок~роном, ионом или атомом нейтрального газа; при соударении с передачей энергии от одного атома к другому; Г2 под лейсгвием электромагнитного и"иучеиия (этот процесс называют фотоиониза ~ , ией Я'.3~ Механизмы ионизации и кривая Пашена Перечислите процессы, вызывающие ионизацню в газах, и укажите, какое воздействие оказывает каждый из этих процессов на величину потенциала зажигания в разрялной трубке с двумя большими плоскими электролами, содержащей газ при низком давлении.
Рассмотрите роль электродов, а также укажите, какими свойствами должен обладать ма- териаз электродов, для того чтобы потенциал зажигания бьш максимальным или, наобо- рот, минимальным. Начертите типичную кривую Г!ашена для рассматриваемого газа и объясните ее пове- ление. б Плазменная электроника !50 7(еуттругие соуопреттття.
Вероятность ионизацин, происходящей в результате неупругих соу . дарений с другим атомом, чрезвычайно мала; и ее можно не учитывать, за исключени- и области очень высоких температур (в электродуговом разряде]. Неупругое соударение „ежду электроном и атомом газа или молекулой приведет к образованию иона только том случае, если кинетическая энергия электрона больше потенциала ионизацни (т.
е, нергии, необхолимой для ионизации газа) атома или молекулы. Е дн суммарная энергия сталкивающихся частиц меньше потенциала ионизации олного сталкивающихся атомов, то произойдет возбуждение этого атома. Показано, что сред- няя длина своболного пробега электрона обратно пропорциональна давлению газа, По- этому при низком давлении газа средняя длина свободного пробега велика, т.
е. очень мзда вероятность столкновений, приводящих к ионизации. Однако вероятность таких столкновений, приводящих к ионизации, сильно зависит от скорости электрона (или по- тенциала виола) и для определенной области скоростей она имеет максимум. ))ередача эяерглн Этот процесс обычно наблюдается в смешанных газах, например, в аргоне и неоне, Атом аргона имеет потенциал ионизации 15,7 эВ, а первый потенциал возбуждения у атома неона равен 16,5 эВ (энергни образования первого метастабильного состояния). Таким образом, атом неона может передавать энергию атому аргона, и в ре- зультате ионизации послелнего образуется ион и свободный электрон и выделится не- большое количество энергии. Фолтоттонттзаттгтя.
Этот процесс играет весьма сушественн) ю роль в газовых разрядах, осо- бенно в газах низкого давления. Под лействием сильно~о электромагнитного излучения с энерптей кванта больше потенциала ионизацин газа (йг > 1т,) образуется большое число свободных электронов и положительных ионов. Это, в свою очередь, приводит к умень- шению потенциала пробоя газа между электролами, На рис. 5.б показана характерная зависимость степени ионизации о 'р от лавления и рас- стояния между электродами. По оси ординат отложено число ионов и, возникающих на двине! м при давлении р = 1 мм рт. ст., по оси абсцисс — величина напряженности элек- трического поля на единицу давления, Степень ионизации определяется формулой а — =Ф вЂ” ") Р Ргт а для для потенциала пробоя (зажигания) справедлив закон Пашена: 1; =У ()с() Поэюм, этому потентзиаз зажигания разряда в газе между электродами непосредственно зави- сит т от давления газа.
Н нже и ства кат потенциала зажигания )т, более важную роль в процессах ионизации играют свой~атода, Если катод имеет высокую фотоэмиссионную способность, то значение тт, "визит выше. 'тзся; если же катод не обладает фотоэмиссионными свойствами, потенциал 1', будет С р„й ру'ой стороны, электролы с высокой фотоэмиссионной способностью, например изготовленны ные из щелочных металлов, имеют низкие коэффициенты вторичной эмиссии, неднмые для поддержания разряда. ' ект о роды лолжны обладать способностью рассеивать большое количество тепла, кото- ве в,, 'является вследствие протекания больших токов после зажигания разряда. Часть 1. Вакуумная и плазменная электроника Рис.
$.7. Кривая Пашенв Рис. Вяй Зависимость степени ионизация от давления Типичная кривая Паслена для воздуха показана на рис. 5.7. Таким образом, напряжение пробоя в газе Г,зависит только от произведения давления на расстояние между электродами рс~. ~!х4~ Термическая ионизация газа Определить концентрацию свободных электронов в изотермической плазме, возбужденной в ксеноне, если температура плазмы Т= 6500 К, а давление газа составляет р=1,96х10 Нтм. Решение 1, Воспользуемся уравнением Саха: где и — - доля ионизированных атомов; 8, и я, - — кратность вырождения иона и нейтраль ного атома.
Длв пРостоты бУдем считать, что 8, =- дз, л — постоЯннаЯ Планка. ПосколькУ ожидается, что а «1, можно записать г .= ( — ''Г~- (-'— '~- 2 3 14 9 1О-и 114 ~1,38 10= 6,5 1О ) 4,4 1О (! 96 1Оь)уз 1,6 10 ' 12,! хехр— 2 1,38 10 ".6,5 10'~ 2. Определяем абсолютное значение концентрации свободных электронов: 2,2 10 1,96 1О' и, =ил„— а — = ' „, ', =4,98.10з' м '. АТ 1,38 1О ~ 6,5 1О' б уулаэыенная электроника Высокочастотный разряд в газе о „зарядному промежутку с плоскопараллельными электродами прикладывается высоко- част сотное напряжение с амплитудой порядка 500 В.
Оценить частоту, начиная с которой раз заряд можно считать высокочастотным. 1-аз — водород, давление газа 5 мм рт. ст., ширина разрядного промежутка Н вЂ” 1,5 см. решение Специфика высокочастотного разряда заключается а том, что электроны, возникающие ам 1ежэлекгродном промежутке, совершают под действием высокочастотного поля коле.ельные движения, амплитуда которых значительно меньше межэлектродного расстоя„на Поэтом» злектРоны, создаваЯ лавиннУю ионизацию, не УводЯтсв почем на злелтРоды, а накапливаются а разрядном промежутке.
Критерием высокочастотного разряда можно считать условие А < гУУ 2, где х! — амплитуда колебаний электроиоа. Вычисляем величину хй Движение электронов под действием электрического высокочастотного поля считаем дрейфовым г = Р„у:„, 51п (сг, Р,Ь;„Р,„(7„, ш 2лУргУ 2. Предельная частота у„,„при которой перестает выполняться вышеприведенный критерий, равна р;яЬ„, 37'500 крЫ 3,14 5 2,25 1О ' Теперь проверим, будет ли движение электронов дрейфовым. Условием дрейфоаого хаРактера движения электронов является неравенство ы «ш В нашем случае ш = З,Зх10' с х — сяр = 610 5 = 3 1О' с'.
Движение электронов действительно будет дрейфовым. Юе Условие пробоя в газе и потенциал зажигания разряда Дайте определение коэффициентов первичной и и вторичной у ионизации Таунсенда для ~~~Ряда я газе и покажите, что если пренебречь рекомбинанией между электронами и ионами и" то условие пробоя а газе определяется выражением у гехр(пгу1 — 11 > 1.
С помощью этого ""ыраження или другим способом покажите, что для данного газа выполняется закон Па~лен "сна, т. е, потенциал зажигания пропорционачеи произведению Рчу, где Р -- давление газа, а а гу- . расстояние между электродами. Отметьтс и объясните все основные отклонения от этого закона, Для ка Го Рас к~меры, наполненной аргонол1 при низком давлении и предназначенной для катодночожно Р опыления, определите максимальное расстояние между электродами, при котором 'ио избежать электрического разряла.
Извес сгно, что для аргона а рассматриваемых условиях коэффициенты Таунсенда равны =150 ну =-2 яъ ззо1 Часть !. Вакуумная и плазменная электроника !Вг у(ехр(агу) — 1) > 1 (5.6.1) Закон Пашена (см, задачу 5.3) гласит, что потенциал зажигания разряда в газе является функцией произведения расстояния между электродал1и н давления газа. Существенное отклонение от этого закона наблюдается для значений ря! < 0,005 мм рт, ст,, при которых потенциал зажигания начинает резко увеличиваться.
Причина этого откло- нения состоит в том, что средняя ллина свободного пробега электрона становится срав- ннлюй с межэлектродным расстоянием, вследствие чего уменьшается вероятность столк- новений. Пусть коэффициент умножения 7 ехр(сЫ) )я 1 — у!ехр(иИ) — 1) откуда находим, что 0(1ьу) 1ьу ехр(иН) = 1-'; (!у (1)!)) е у При (! -+ ю имеем 1ьу ехр(агу) = — . у (5.6.2) Следовательно, при 0 — > ю расстояние между электродами определяется выражением 1 !чу Н= — !и —. О.
у Подставляя сюда исходные данные, получаем значенис максимально допустимого расстояния между электродами: и' = ! 7 150 !и 3 7 2 = 2,7 мьь Заметим, что выражение (5,6.2) может быть также получено непосредственно из условий пробоя. '(В.уг.) Дебаевский радиус зкранирования ой " Найти выРажение дла дебаевского РадиУса зкРаниРованнв го в слУчаЯх изотеРмнческон неизотеРмической плазмы. Оценить гл в неизотеРмической плазме пРи 7= Зх10' К и ко концентрации зарядов п = 1х10'" см '.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
