Самостоятельный разряд в газах

Электрический разряд в газе представляет прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля.

Причиной возникновения электрического разряда в газе является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов, ускоряемых электрическим полем.

Газы можно разделить на электроположительные и электроотрицательные.

Электроотрицательные газы, атомарные или молекулярные, способны захватывать свободные электроны и превращаться в отрицательные ионы. Устойчивость таких ионов зависит от энергии сродства, Wс, которая равна выделяющейся в виде кванта при захвате электрона атомом или молекулой. Электроотрицательными газами являются галогены, хлор, кислород, водород, пары воды Если Wс газа отрицательна, захват электрона и образование отрицательного иона невозможно. Такой газ называется электроположительным. Электроположительные газы — азот, инертные газы.

Воздух содержит газы обоих типов.

В электроположительных газах интенсивность процесса ударной ионизации характеризуется коэффициентом ударной ионизации, который определяет число актов ионизации, возникающих под действием электрона на пути в 1 см вдоль силовой линии электрического поля.

В электроотрицательных газах помимо увеличения числа электронов при ударной ионизации происходит также потеря электронов за счет их прилипания к нейтральным атомам и молекулам с образованием отрицательных ионов. Этот процесс характеризуется коэффициентом прилипания, который определяет долю прилипших электронов к нейтральным атомам на пути в 1 см вдоль силовой линии электрического поля. Поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации.

Коэффициент зависит от напряженности электрического поля Е и плотности газа:

(1).

В неоднородном поле (Е const) интенсивность ударной ионизации в различных точках промежутка неодинакова.

Для развития разряда в газе необходим начальный свободный электрон (), который в газовом промежутке появляется за счет внешнего ионизатора (Солнечный ультрафиолет, космические лучи, естественная радиация и т. д.), либо при развале отрицательных ионов электроотрицательного газа в промежутке. Ускоряясь в поле, электрон в результате соударения ионизирует встречный атом, при этом образуется два электрона, которые в свою очередь создают по два каждый, т. е. четыре, и т. д. Этот увеличивающийся поток электронов называется лавиной и определяется соотношением:

(2).

xo — координата появления начального электрона.

x — x o — путь роста лавины в направлении электрического поля.

В процессе развития лавины образуются положительные ионы числом и фотоны, возникновение которых связано с тем, что электроны лавины помимо ионизации возбуждают молекулы газа, которые, переходя в нормальное состояние, излучают фотоны.

Положительные ионы в электрическом поле двигаются к отрицательному катоду и бомбардируют его. Положительные ионы и фотоны, бомбардируя катод, выбивают из него новые электроны, которые называются вторичными, поскольку они возникают в результате вторичных процессов, связанных с развитием первичной лавины.

Общее число вторичных электронов пропорционально, т. е.

(3).

где — коэффициент вторичной ионизации.

Рассмотрим подробнее процесс вторичной ионизации.

• 1. Положительные ионы, появляющиеся при лавинной ионизации, в связи с их большой массой и инерционностью медленно разгоняются в электрическом поле и практически не ионизируют молекулы газа при соударениях. Ион при неупругом соударении передает только половину энергии, поэтому для ионизации он должен иметь энергию, вдвое большую энергии ионизации. Частота таких ионизаций на 105 меньше, чем у электронной ионизации.
• 2. При бомбардировке катода положительными ионами из него могут выбиваться, если энергия иона больше работы выхода: которая существенно меньше .
• 3. Часть лавины, не обладающие достаточной энергией, при соударении с молекулами газа их только возбуждают. Такая молекула при переходе в нормальное состояние испускает фотон. Если энергия фотона больше :

(4).

то при поглощении фотона атомом тот испускает, т. е. происходит акт фотоионизации.

Понятно, что в однородном газе, поэтому фотоионизация успешна только в смеси газов, в которых присутствуют молекулы, удовлетворяющие условию (4). В воздухе, являющемся смесью газов, такое явление имеет место.

4. В электрических полях фотоны могут также выбивать вторичные из электродов, если.

.

И так, причинами вторичной ионизации, обеспечивающей самостоятельный разряд, являются:

• — соударения ионов с атомами;
• — бомбардировка катода ионами;
• — фотоионизация в объеме;
• — фотоионизация на электродах.

С увеличением напряженности электрического поля между электродами в газовом промежутке процесс вторичной ионизации становится самоподдерживающимся, условием чего должно быть:

или (5).

где L — длина промежутка между электродами.

В этом случае разряд становится самостоятельным и может существовать без внешнего ионизатора.

Из уравнений (1) — (5), можно найти напряжение между электродами, при котором выполняется условие самостоятельного разряда. Это напряжение есть интеграл электрического поля вдоль любой силовой линии, в том числе и той, по которой развивается лавина электронов. Это напряжение называется начальным.