Электрический разряд в газах

05.03.2023

Для изучения устройства и работы газоразрядных электронных приборов нам необходимо сначала немного вспомнить физику. Точнее, раздел электрический ток в газах. Ведь приборы не зря называют газоразрядными, в основе их работы лежат физические процессы протекания электрического тока через газовую среду. Но погружение в физику не будет слишком глубоким.

Протекание электрического тока через газы называется газовым разрядом. В нормальном состоянии газы являются изоляторами, так как в них отсутствуют носители тока. Но при создании особых условий в газах могут появиться носители тока (ионы и электроны), что делает возможным возникновение электрического разряда.

Носители тока в газах могут возникать в результате внешних воздействий, не связанных с наличием электрического поля. Возникающая таким образом проводимость является несамостоятельной. Несамостоятельный газовый разряд может быть вызван нагреванием газа, воздействием ультрафиолетовых лучей, воздействием ионизирующего излучения, и т.д. Без ионизирующего фактора несамостоятельный разряд прекращается.

Если носители тока возникают в результате процессов, обусловленных созданным в газе электрическим полем, то проводимость называется самостоятельной, как и возникающий при этом газовый разряд.

Характер газового разряда зависит от многих условий. От химической природы газа (состава газовой смеси) и электродов. От формы и размеров электродов, их взаимного расположения. От приложенного к электродам напряжения и плотности тока. Некоторые, но не все, виды разряда сопровождаются видимым свечением и даже звуковыми эффектами.

Звучание газового разряда использовалось, например, в ионофоне - высокочастотном громкоговорителе. В журнале Радио № 12 за 1959 можно найти схему Звуковоспроизводящего агрегата с ионофоном разработанную радиолюбителями.

Несамостоятельный газовый разряд

Давайте возьмем два плоских электрода и поместим их в газовую среду. Напряжение на электроды подавать пока не будем. Находящийся между электродами газ будет подвергаться непрерывному воздействию какого-либо ионизатора. Нам не важна природа ионизатора. Это может быть, например, ионизирующее излучение. В результате действия ионизатора от некоторых молекул газа может отрываться один или несколько электронов. В результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. Если давление газа не слишком мало, электроны будут захватываться нейтральными молекулами газа, которые превращаются в отрицательно заряженные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Давайте обозначим количество пар ионов, возникающих в единице объема за секунду, как ∆n_i.

Одновременно с ионизацией протекает и процесс рекомбинации ионов. То есть, взаимная нейтрализация разноименных ионов при их встрече. Рекомбинацией является и возврат электрона на положительно заряженный ион. В результате рекомбинации ионы снова становятся нейтральными молекулами. Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных ионов, так и числу отрицательных. Обозначим количество рекомбинирующих в единице объема за секунду пар ионов как ∆n_r.

здесь r это коэффициент пропорциональности. В состоянии равновесия число возникающих ионов равно числу рекомбинирующих

Таким образом, для равновесной концентрации ионов можно записать

Давайте теперь подадим на электроды напряжение и включим в цепь гальванометр

Теперь убыль ионов будет определяться не только процессом рекомбинации, но и перемещением ионов электрическим полем к электродам. Количество пар ионов, которые из единицы объема газа перемещаются к электродам, за секунду обозначим ∆n_j. Заряд иона обозначим e'. Нейтрализация на электродах одной пары ионов сопровождается переносом по внешней цепи заряда e'. Если площадь электродов равна S, а расстояние между ними l, то каждую секунду электродов будет достигать ∆n_jSl пар ионов (Sl это объем пространства между электродами). А ток в цепи, измеряемый гальванометром, будет равен

Количество нейтрализуемых между электродами пар ионов удобно выразить через плотность тока

При наличии тока условие равновесия изменяется

Мы можем рассматривать отдельно положительные и отрицательные ионы, так как их подвижность u₀^- и u₀⁺ может быть различной. И плотность тока можно выразить через подвижность ионов и напряженность электрического поля E

Давайте рассмотрим два крайних случая - слабые и сильные электрические поля. В случае слабых полей плотность тока будет мала и мы можем пренебречь слагаемым j/e'l. Другими словами, в слабых полях убыль ионов в основном происходит за счет рекомбинации. И выражение для плотности тока становится таким

Обратите внимание, что в этой формуле множитель перед E не зависит от напряженности поля. Другими словами, в слабых полях несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома. Это важный вывод.

В случае сильных полей мы можем пренебречь слагаемым rn². То есть, практически все ионы достигают электродов не успев рекомбинировать. И выражение для плотности тока станет совсем другим

Эта плотность тока создается всеми ионами возникшими в процессе ионизации в столбе газа с единичным поперечным сечением. Другими словами, эта плотность тока является максимально возможной при данной интенсивности ионизатора и данном расстоянии между электродами. Это плотность тока насыщения.

При промежуточных значениях напряженности электрического поля происходит плавный переход от линейной зависимости j от E (слабые поля) к насыщению (сильные поля), при котором j перестает зависеть от E. Мы можем изобразить это графически

За областью насыщения лежит область резкого увеличения плотности тока. Она показана штриховой линией. Начиная с некоторых значений напряженности электрического поля порождаемые внешним ионизирующим фактором электроны (вы ведь помните, что ионизатор порождает именно электроны, которые, в свою очередь, позволяют появляться ионам) приобретают за время свободного пробега энергию, которой достаточно для того, что бы при столкновении с нейтральной молекулой вызвать ее ионизацию. Возникшие при такой ударной ионизации электроны разгоняются полем и вызывают новую ионизацию. Происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных действием внешнего ионизатора. Это явление называется газовым усилением разрядного тока. Важно отметить, что газовый разряд при этом остается несамостоятельным. Если убрать ионизатор, то разряд будет продолжаться только до тех пор, пока все электроны не достигнут анода. После этого разряд погаснет.

Что бы разряд стал самостоятельным необходимо наличие двух встречных лавин ионов. А это возможно только в случае, если ионизацию ударов способны вызывать носители обоих знаков. В следствии большей длины свободного пробега электроны раньше приобретают способность вызывать ударную ионизацию, чем более медленные ионы газа.

Важно отметить, что токи разряда, усиленные за счет размножения носителей (газовое усиление), пропорциональны числу первичных ионов, которые создает внешний ионизатор. Это позволяет создавать пропорциональные счетчики частиц.

Счетчики частиц и ионизационные камеры, которые используются для обнаружения элементарных частиц и измерения интенсивности ионизирующего излучения (рентгеновское, гамма-излучение, и т.д.) будут рассматриваться в отдельных статьях. Если конечно до из написание дело дойдет.

Самостоятельный газовый разряд

Чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо, чтобы носители тока (электроны и ионы) создавались в результате процессов обусловленных электрическим полем.

Столкновение электронов и ионов с молекулами

Столкновения электронов и ионов с молекулами могут быть упругими и неупругими. Энергия молекулы, как и энергия атома, квантуется. Она может принимать лишь дискретные значения, которые называются уровнями энергии. Состояние с наименьшей энергией называется основным состоянием. Что бы перевести молекулу из основного в возбужденные состояния требуются определенные значения энергии. Сообщив молекуле достаточно большую энергию можно вызвать ее ионизацию.

В возбужденном состоянии молекула пребывает порядка 10^-8 секунд. После чего возвращается в основное состояние излучив избыток энергии в виде фотона. Существуют и метастабильные возбужденные состояния в которых молекулы могут находиться дольше.

При соударении частиц должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. То есть, на передачу энергии при ударе накладываются ограничения. Не вся энергия, которой обладает ударяющая частица, может быть передана другой частице. Если при столкновении молекуле не может быть передана энергия, достаточная для ее возбуждения, то суммарная кинетическая энергия частиц не изменяется, а удар будет упругим. Мы можем найти энергию, сообщаемую ударяемой частице при упругом ударе.

Возьмем частицу массой m₁ и имеющую скорость v₁₀, которая ударяется о неподвижную частицу (v₂₀=0) массой m₂. Пусть удар будет центральным. Тогда должны выполняться условия

Здесь v₁ и v₂ скорости частиц после соударения. Из этих уравнений можно найти скорость второй частицы после удара. Передаваемая при упругом ударе второй частице энергия

если ударяющая частица много легче ударяемой (электрон ударяет по молекуле), то выражение для передаваемой энергии можно упростить

Здесь W₁₀ это начальная энергия ударяющей частицы. Поскольку m₂ много больше m₁, при упругом соударении электрон (легкая частица) передаст молекуле (тяжелая частица) только малую часть своей энергии. Электрон просто отскочит от молекулы, как мячик отскакивает от стены.

Все меняется, если ударяющая частица обладает достаточно большой энергией. При этом молекула может быть ионизирована. В таком случае суммарная кинетическая энергия частиц не сохраняется, так как часть энергии затрачивается на возбуждение или ионизацию. Другими словами, на увеличение внутренней энергии соударяющихся частиц или на разделение одной из частиц на две.

Соударения, при которых происходит возбуждение частиц, называются неупругими столкновениями первого рода.

Если в соударении участвует уже возбужденная молекула, то она может перейти в основное состояние без излучения фотона, так как она передаст избыток энергии другой частице. При этом суммарная кинетическая энергия частиц после удара оказывается большей, чем до удара. Такие соударения называются неупругими столкновениями второго рода. Переход молекул из метастабильных состояний в основное происходит за счет столкновений второго рода.

При неупругом столкновении первого рода уравнения сохранения энергии и импульса будут выглядеть так

Здесь ∆W_вн - приращение внутренней энергии молекулы, которое соответствует ее переходу в возбужденное состояние. Можно преобразовать эти уравнения, одновременно исключив из них скорость ударяющей частицы

Видно, что при заданной скорости ударяющей частицы приращение внутренней энергии зависит от скорости, с которой молекула движется после удара. Можно найти наибольшее возможное приращение внутренней энергии (я опущу математические преобразования)

Если ударяющая частица много легче ударяемой, то первый множитель будет близок близок к единице. То есть, при ударе электрона о молекулу почти вся его энергия может быть потрачена на возбуждение или ионизацию молекулы. Стоит отметить, что в случае ионизации наши уравнения будут сложнее, так как после соударения будет не две, а три частицы. Тем не менее, возможность затраты почти всей энергии электрона на ионизацию остается справедливой.

Однако, даже если энергия ударяющей частицы достаточно велика, соударение не обязательно приведет к возбуждению или ионизации. Процесс носит вероятностный характер. Вероятность зависит от скорости, то есть, энергии ударяющей частицы. Чем выше ее скорость, тем меньшее время взаимодействия с ударяемой частицей. Поэтому вероятности выглядят примерно так

Хорошо видно, что с ростом энергии ударяющей частицы сначала резко возрастает вероятность возбуждения, которая быстро, но плавно, снижается. Зато резко возрастает вероятность ионизации. Которая тоже постепенно снижается.

Фотоионизация

Фотон электромагнитного излучения (видимый свет это тоже электромагнитное излучение) обладает энергией равной ℏω. Фотом может быть поглощен молекулой газа. При этом его энергия идет на возбуждение или ионизацию молекулы. Такая ионизация называется фотоионизацияей. Для фотоионизации фотон должен обладать достаточной энергией. Непосредственно фотоионизацию может вызвать ультрафиолетовое или еще более коротковолновое излучение. Фотон видимого света обладает недостаточной для отрыва электрона энергией.

Однако, видимый свет может вызвать ступенчатую фотоионизацию. Этот процесс проходит в два этапа. На первом этапе фотон переводит молекулу в возбужденное состояние. На втором этапе происходит ионизация возбужденной молекулы за счет ее соударения с другой частицей (электроном, ионом).

Кроме того, в газовом разряде возможно и возникновение коротковолнового излучения, которое способно вызвать фотоионизацию. Достаточно быстрый электрон, обладающий большой энергией, способен не только ионизировать молекулу, но и перевести ион в возбужденное состояние. Переход иона в основное состояние сопровождается испусканием фотона большей энергии (частоты), чем у нейтральной молекулы. Энергия такого фотона может оказаться достаточной для непосредственной фотоионизации.

Испускание электронов поверхностью электродов

Электроны могут поступать в пространство газового разряда не только за счет ионизации, но и за счет эмиссии из поверхности электродов. Причем эмиссия играет основную роль в некоторых видах газового разряда. Мы кратко коснемся трех видов эмиссии электронов.

Термоэлектронная эмиссия

Испускание электронов нагретыми телами называется термоэлектронной эмиссией. Наиболее известно применение термоэлектронной эмиссии и нагретых катодов в вакуумных электронных лампах. Но и в газоразрядных электронных приборах такие катоды используются. В металлах всегда имеется некоторое количество свободных электронов. Однако, для из выхода из поверхности за пределы тела электроны должны обладать энергией превышающей работу выхода. При комнатной температуре таких электронов очень мало. И даже покинувшие поверхность тела электроны возвращаются обратно, так как оставшаяся у них энергия (и скорость) очень мала. Повышение температуры повышает энергию электронов и все большее количество электронов покидают поверхность тела. Где они могут подхвачены и ускорены электрическим полем. Повысить термоэлектронную эмиссию позволяет активация катодов.

Вторичная электронная эмиссия

Тоже хорошо известна по вакуумным электронным лампам. Когда обладающий высокой энергией электрон или ион достигают поверхности электрода, они могут выбить из нее вторичные электроны. Энергия таких электронов невелика, но они могут быть ускорены электрическим полем. Отношение количества вторичных электронов к числу частиц, вызвавших вторичную эмиссию, называется коэффициентом вторичной эмиссии. Причем для некоторых металлов, например, платины этот коэффициент выше 1.

Холодная (автоэлектронная) эмиссия

Электроны могут вырваны из поверхности тела очень сильным электрическим полем созданным вблизи этой поверхности. Газоразрядные приборы с холодным катодом используют именно такой вид эмиссии.

Заключение

Наше небольшое повторение физики, раздела посвященного электрическому разряду в газах, было, надеюсь, не слишком сложным. Но оно еще не закончено. В следующий раз мы займемся газоразрядной плазмой. Все это нам необходимо для понимания принципов работы различных газоразрядных приборов. И, в конечном итоге, для успешного их применения. Без упования на счастливую случайность.

Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме