1626435917-d26f9677b92985e7688f24b5e74711ce (844351), страница 116
Текст из файла (страница 116)
002 гллвл н ж. Измерение скорости дрейфа методом ионизациониой камеры. В ряде случаев скорость дрейфа электронов определялась по времени, необходимому для сбора электронов, созданных коротким нонизирующим импульсом в ионнзациопной камере с плоскопараллельнымп электродами'). Ионизация газа производилась либо непосредственно рентгеновскими лучами или и-частицами, либо комптоновскими электронами, возникающими в результате взаимодействия рентгеновских лучей с пленкой золота, нанесенной на впутреншою поверхность окошка в стешсе нонизационной камеры. За то время, за которое электроны пройдут через промежуток между электродами в электрическом поле камеры, пологкительные ионы, образовавшиеся при ионизации, почти не сдвинутся с места.
Поэтому, анализируя форму импульсов тока, обусловленных движением электронов, можно определить скорость дрейфа. з. Рпределение энергии и плотности электронов электромагнитным методом. Энергию и плотность электронов в плазме можно рассчитать по экспериментальным данным о тормозном иалучении плазмы. Такой метод, очевидно, применим только в случае очень горячей плазмы, когда эффективная электронная температура весьма высока. Теория и техника данного метода опубликованы в ряде книг по плазме !19, 31, 32). Другой метод измерения плотности электронов в плазме, который применим не только к горячей плазме, был рассмотрен в гл.
10, 9 1О, в связи с вопросом об амбиполярной диффузии. 9 3. Экспериментальные данные об энергиях и скоростях дрейфа электронов Как мы виделп, в ионизованном газе в отсутствие электрического поля электроны и иовы движутся беспорядочно со средней энергией хаотического движения, равной средней ~силовой энергии газовых молекул 3йТ/2. При наличии же электрического поля электроны и ионы, сохраняя компоненты скорости, соответствующие тепловому движению, дрейфуют, кроме того, в направлении поля. В то же время энергия их хаотического движения увеличивается по сравнению с тепловой величиной. Среднюю энергию электронов или ионов можно характеризовать ее отношением т) к тепловой энергии хаотического движения, которую принято оценивать при !5'С !т! — энергетический коэффициент Таунсенда, введенный в $ 2, п. «а», настоящей главы).
При малых или средних отношениях Е/р коэффициент «!=1 для '! Сн, напрнмер, !28--30!. энвгггтичгског гхспггдвлгнив и скоеости деви«х эш ктгонов Звз ,Е,,,=,:И.= !0,037 .- .",' эю з? (11.3.!) ионов и даже при Е//?=200 з/см мм рг. сг. средняя энергвя ионов по порядку величины равна всего лишь 1 зв. Для электронов же величина ~! может достигать болыпих значений даже при Е/р=1.
Фактическая вели нша коэффициента т! в данном газе при выбранном отношении Е/р определяется из условия равенства энергии, получаемой от ноля, и энергии, теряемой за счет столкновений. На фиг. 11.3.1--11.3.9 представлены экспериментальные данные о средних энергиях электронов. Следует подчеркнуть, что энергетический коэффициент, приводимый нз некоторых графиках, — это не коэффициент Таунсенда ть а величина 0* — введенная в $ 2, п. «а», настояшей главы, которая обычно отличается от ?1 множителем, близким к единице. Зависимость Я/«?!" от Е/А/ для Н» н й), приведена в $ 5 настоящей главы, Аналогичные результаты получили для водорода, азота, углекислого газа, метана, этилена и цпклопропана Кочрен и Форестер !33).
Используя метод Таунсенда, эти экспериментаторы работали в области Е/р от 0,2 до 5,0 в/см ° мм рг. гт. Уоррен и Паркер [4) также использовали метод Таунсенда. Имп найдено отношение Я/«3 длЯ электРонов в Не, Аг, Мь Кйь Оь СО и СО, пРи низких температурах и малых отношениях Е/р. Измерения проводились при температурах до 77' К или до точек кипения изучаемого газа. Самые малые значеши Е//д при которых проводились измерения, лежат довольно далеко в тепловой области, где Я/Ж'=йТ/е. Интересно, что энергия электронов в молекулярных газах значительно меныце, чем в атомных, поскольку молекулы могут поглощать энергию электронов при малых энергиях столкновения (менее 1 эв) за счет возбуждения колебательных и врашагельных уровней.
В случае атомов это невозможно, ибо атомы могут возбуждаться только электронамн с энергией, превьцвающей порог электронного возбуждения, равныи 2 — 20 зв. Таким образом, в электрическом поле электроны в газе могут быстро набирать энергию до нескольких электронвольт, если газ моноатомный. Но если газ молекулярныи, то электронам трудно набрать такую энергию, нбо они все время теряют ее за счет возбуждения колебательных и вращательных уровней молекул.
Данными, изложенными в настояшей главе, удобнее пользоваться с помощью следующих формул. Принимая температуру газа равной 15'С, можно представить среднюю температуру электронов в виде 40 '7 Зо а 1о зо зо 40 50 ба 70 во,зр Еур, п/см .имрж сгп 900 150 а1» 1000 1 10 20 зо 40 5! 70 90 Е/р„в/си лмя рлс слй О ОЗ 04 Рб ОВ 10 Е/р, л/см ..мм рль слт. 15 14 !3 12 п 1О ф 9 вв '1 5 4 зз 3 1 Ф и г. 11.3.1. Средняя энергия электронов в гелии. Гсмныс кружки соотлстстнунп давним, пслучснкым мстслсм Таунсснла н рабате !бт!1 светлые — расчстным дышим [бй!. Крастнкамн отмсчсны лапино„пслучснаыс сит!моголом !14!.
Относнтсльно эаанснмост» в77сс ог и1р лла галин см. фиг. 11,ал н рабату !Я!. Фнг. 11.3.2. Энергетический нсеффнциент Таунсенда для аргона и неона. График паэт иэ книги !а!. Дэннис получены н йс-х гоаах моголом Тауасснла. Дополннтсльныс лаилыс по аргону можно найти э работа !4!. 0 1 3 3 4 5 б 7 В 9 10 Е~Р, пт'см жми спа Ф и г. !1.3.3. Энергетический коэф$77ннент Таунсенда для влентронов в водо роде [б4[ и дейтерни [бо!. данкмс получсны методом таунсслда. заннснмссть я!ус ст Вду прнаслсна ка фнг.
11лз 9 в 77 б "5 И 4 'ч зз Ф и г. 11.3А. Средняя энергия электронов в водороде. Кривая 1 — лакныс намсрсннй на псрсмсннсм тока !231, крннаа у-ланныс нлмсрсний по мстолу Таунсанла 1аб!. Крсстнкамн отмсчслы данныс тсорстнчсскпк расчстоа !л!. главк н ьа !О,О 5 )о )5 е/р, бусы.дяы/)гп. сп)- 01 !О ' ао ьо ао !О-г 0 001 0„0! 01 Е/р, 9с)н л(л) рн).ен). где и — масса электрона и сн — среднеквадратичная скорость. Эффективную температуру электронов Т, можно определить из соотношения (11.3.2) Среднеквадратичная скорость электронов выражается через энергетический коэффицие!Гг Таунсенда по формуле Фя — — 1,13 ргт) 1О' см,)еем. (11.3.3) На фиг.
11.3.10 — 11.3.18 представлены графики зависимости скоростей дрейфа в ряде газов от Е/р. Значения Е/р выражены Ф н г. 11.3.5. Характеристическая энергия ~/Я' для электронов в Ие, Р)я н О, как функцня Е/у). График взят нз работы !61!. Крнвыс дла Оя и Н, пастрссвм па усрсднсаыям данным Хвлн н Кнркпатрнка, Брсуаа, Кромнтона н Саттона н Крамптона. Кривая для Нс рассчнтмм тсарс тннсскн Фрастсм н Фслпыы (нс апублвнавано). ) — дымна Хили н Кпркпжрпны 2 — лавнмс Б)жтяа, Л (ясрныс яружяп)-ланныс Крам таня !нс опублнксвзно), 4 — данные 1(ромптонз а Саттона.
в единицах э/сл( ° л(л) рг. ет. для эквивалентной плотности прн 300' К, при которой Е/р=Е/Ж ° 3,22 ° 10'б, где й/ — плотность газа. Большая часть приведенных нами данных получена Пеком, Бошеллом и Фелпсом (11, 12], которые пользовались методом, описанным в Э 2, п. «6», настояшей главы. Данные Боува (27), приводимые на некоторых фигурах для сравнения, получены методом Ф н г. ! ! 32 . энзргетнческни кояффлцнент тау нее.мз для электроноа в кислороде 1(21, азоте 1541 н воздуке (в31, измеренный методом Таунсенда О Ш се ЗО 40 50 Г)р, еусл) .жы рм ст.
Ф н г. !1.3.7. Энергетический козфф. ппент Таунсенда длн электроноп в ООь МО, ХяО н СО. ГРафнн азат нз Яннтн Кф Дополннтслзпыс данныс по СО н СОя нмснпса в Работе )4). б0 20 0 1О 20 50 40 Е/р, в/сзг мм рт ст. 10 Я 00 з Е/р 1,0 РО 107 10' 10ча 10 ' Е/р, э/см ммрт ст. б 10 ' 10 " 1,О Фиг 11.3.10. Экспериментальные данине Пека, Вожелла и Фелпса [11, 12[ о скоростях дрейфа электроноп а гиге[зазгых газах и даюпяс других исследоиателсй.
20 30 40 50 б0 70 30 Е/р, э/см. ям рт ст ЗО гг зззя дм гзяь Ф и г. 11.3.8. Энергетический коэффициент Таунсенда для электронов в ИНэ СзНо НзО и НС1. Грзфггк взят яз книги [а1. Фиг. 11.3.9. Энергетический коэффициент Таунсенда для электронон н Вгв С[з и йе Гэзфяк взят яз якзгн 131. 10'— - 10з~/ , 10з 'б 07 77 ~2 зо 7 '1;,. 1/з г Ес 10:2 10- г ;;~оз~ ммрт сгг знеучттичсское рлспу'сууелеуулуи и скорости прес рл электронов б11 с уоа Е 104 ел 10 10-4 10 л уа' 10 ' Е/р, а/см мм рт.слк 1,0 1О и !аа ы уа' ь В.
10' сг 10 е. 'ж ~ыуа4 10 У 1 о у у а уа ' е/~, охом лгм рок слг а уаз 10-4 уо-3 1и-г ю- г у уа Е/р, е/сгн мм рлг сгл о Фиг. П.3.11. Экспериментальные данные Пека, Вошеяла и Фелпса [11, 121 о скоросткх дрейфа электронов в молекулнрных газах и данные других исследователей. иа графнке г откладываемые аначсвн» лла и,о умггожены на о,г, чтобы крнвая яля н,о не наклахывыясь на крнвутс ляя Нгул. Расчетсые жжныс ял» Нг, Оя в вся»уха нменггсн в работе !ба! Ф и г. 11.3.
10. (Продолжение.) Хорнбека (см. лу 2, и. «е», настоящей главы). Бортнер, Херст и Стоун [34) провели измерения в аргоне, азоте, метане, угле- кислом газе, этилепе, циклопропапе и некоторых смесях этих газов методом ионизацнонной камеры. Лоук [35) провел дополнительные намерения на водороде и азоте методом электрического затвора, аналогигщо тому, как это делали Бредберн и Нильсен. Лоук провел измерения в интервале Е/р от 0,001 до 20 и/см.мм рт. ст.
И!утересно, что, несмотря на большу!о тщательность экспериментов, Пеку, Вщпелл н Фелпсу [11, 12) не удалось наблюдать образования отрицательных ионов в водяном паре во всей области экспериментальных параметров. Поэтому названные авторы считают, что все полученные ранее данные о захвате электронов в водяном паре прн Е/р ниже 10 и/см мм рт. ст. относятся к примесям в водяном паре. Эксперименты Херста, Стокдейла и О*Келли, по-видимому, подтверждают этот вывод 136) '). Как будет покааапо в следующем параграфе, слабые следы примесей, особенно многоатомного типа, могут оказывать очень ') Относительно новейших измерений скорости дрейфа в парах воды слг. работу [З71.
10 10' 10-г Ю0 10 10 ~~ 10 В ю ие. с~ ю о, 10 ф10 О Е й 10 Юти Ю ' 10-' 10 В Е/р,е/си тм рт ст, б 10' и ' Ю-' Е/р, е/см лои рт ст В Ф и г. 1И.1!. 111рололкение.) ю' 10 ю и'р и/см Рью рт ~ т л и' 10'и 10 с/р, е1сп.ти рт ст д Ф и г. 11.3,11. (Продолгиеинею ГЛАВА И 'О н % со ОИ От ~О От М т Е ч 6 СО ст иоодво Р7 'офппвт7р сбооот7оиэ нт Ю7/тио Я Оотпот7р стоооттонз 5 О О а тя ст ~ ст ст О В О кт са иоотткосо7 ОЬ!7ООР аитобттоиз 3. со '.О ~ тО Г со - са ИОО/ИО Рт 'Оотрот7р сттООоиэ сильное влияние на скорость дрейфа злектро~ов в газе, относительно которого предполагается, что он чистый.
Поэтому при таких измерениях необходимы хорошан вакуумная техника и чистые газы. Дз~Вые многих старых экспериментов и даже некоторых из экспериментов последних лет содержат ошибки„ обусловленные наличием примесей. Вообще к данным, полученным до 1950 г., следует относиться с осторожностью, хотя измерения Бредбери и Нильсена, проведенные в 30-х годах, по всеобщему признанию относятся к наилучшим из известных нам. ГР7 О.7Р' О 7Р Р,Р7 Р,7 7 Ю и/р, Оусх-мит рт От Ф и г. П.3.12.
Скорость дрейфа электронов в кислороде ивк функция Е/р. График вант на рабств [б1Ь в ксторса укааивакисн аитсратррвхс источники. Чтобы выяснить, каковы те ошибки, которые могут вносить примеси, обратимся к формуле (9,2.2). Она лает приближенное выражение для скорости дрейфа частицы заряда г и массы ш, движущейся в газе со средней скоростью р прн средней длине свободного пробега Х. Как уже отмечалось в $ 1 данной главы, эта формула лишь качественно правильна для электронов, но ею можно пользоваться для целей наглядной иллюстрации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
