1 Лекция 6. Введение в физику газового разряда Что изучает физика газового разряда. Элементарные процессы в газах. Пробой газов: область слабых полей, - презентация

1 1 Лекция 6. Введение в физику газового разряда Что изучает физика газового разряда. Элементарные процессы в газах. Пробой газов: область слабых полей, область ударной ионизации, область разряда. Электронная лавина. Теория пробоя Таунсенда. Первый коэффициент Таунсенда. Второй коэффициент Таунсенда. Изменение концентрации электронов при развитии лавины. Пространственное распределение заряженных частиц в электронной лавине.

2 2 Современная физика газового разряда изучает: процессы, связанные с возникновением под действием поля самой способности проводить электричество и поглощать электромагнитные излучения (ионизация, рекомбинация, катодные процессы и др.) процессы, связанные с протеканием электрического тока в газах (диффузия, дрейф заряженных частиц, формирование электронных лавин, стримеров и т.д.) вопросы поведения ионизированных газов в электрических и электромагнитных полях и взаимодействия их с этими полями, в свою очередь ответственными за поддержание состояния ионизации в газе.

3 3 В газовых разрядах реализуется 1.Слабоионизованная плазма α < Низкотемпературная плазма Т < К 3. Идеальная плазма 4. Классическая плазма

4 4 Элементарные процессы в газовом разряде (возбуждение) (релаксация)

5 5 Упругое рассеяние электронов meme M частицамасса электрон кг протон кг

6 6 Скорость образования заряженных частиц в результате процесса ионизации в плазме определяется полным (эффективным) сечением процесса.

7 7 Зависимость сечения ионизации атомов от энергии налетающего электрона. Расчет процесса ионизации ведут с учетом функции распределения энергии электронов, кинетической энергии которых достаточна для ионизации (mv 2 /2 > E i ).

8 8 Элементарные процессы в плазме Зависимость сечения ионизации H 2 от энергии налетающего электрона: эксперимент (1) и расчет по формуле Томсона (2). 1 2

9 9 Литература ионизация электронным ударом Изменение числа электронов:

10 10 Изменение числа электронов: фотоионизация

11 11 Молекула или атомЭнергия ионизации в эВ O2O2 12,1 ХeХe Н2OН2O13,6 О CO 2 13,8 Н2Н2 15,44 N2N2 15,6 NeNe 21,6 He24,6 Ионизация

12 12 Ступенчатая ионизация происход ит в два этапа: первый возбуждение атома, второй ионизация атома, находящегося в возбужденном состоянии. Схема этого процесса: 1. е + А А* + е, 2. е + A* А + + е + е. Здесь А* обозначает возбужденный атом. Первый этап может включать несколько последовательных элементарных актов возбуждения с постепенным ростом внутренней энергии атома. Эффективность ступенчатой ионизации определяется сечениями обеих реакций и временем жизни возбужденных атомов: Величину k is определяющую эту скорость, называют константой ступенчатой ионизации.

13 13 НЕУПРУГИЕ СТОЛКНОВЕНИЯ ВТОРОГО РОДА В газовых разрядах основным элементарным процессом второго рода является рекомбинация (заряженных частиц) Рекомбинация Процесс рекомбинации можно записать в виде реакции е + А + А. Нетрудно убедиться, что при отсутствии третьих тел он не происходит. 1) e + А + + e А + e, 2) e + А + + А А + А 3) e + А + А + hv, 4) e + А + + А + А + А +

14 14 Литература рекомбинация тройная Изменение числа электронов: 1. Ударная рекомбинация. Рекомбинация, в которой участвуют два электрона и ион называют ударной. Она играет определяющую роль при высоких концентрациях заряженных частиц.

15 15 Изменение числа электронов: фоторекомбинация 2. Радиационная рекомбинация сопровождается излучением фотона. e + А А + hv, Спектр излучения водорода.

16 16 3. Диссоциативная рекомбинация. При наличии в плазме молекулярных ионов может оказаться наиболее эффективной рекомбинация, сопровождаемая диссоциацией иона е + (ML) + М + L

17 17 Дрейфовое и диффузионное движение заряженных частиц Электрическое поле, действуя на электроны, придает им ускоренное движение Ускоренное движение уравновешивается силой торможения среды. В результате средняя скорость направленного движения электронов оказывается постоянной. Эта постоянная скорость движения в направлении поля называется скоростью дрейфа v dr. Скорость хаотического движения электронов 10 8 см/с, скорость дрейфа v dr 10 7 см/с и менее. V dr ·E - подвижность (электронов, либо ионов) уравнение подвижности

18 18 Диффузионное движение электронов и ионов 1. Диффузия заряженных частиц одного знака Диффузионное движение возникает при наличии перепада концентраций частиц в какой-либо области пространства. уравнение диффузионного движения: где n концентрация частиц, v d скорость диффузионного движения частиц, D коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом диффузии

19 19 2. Двухполярная (амбиполярная) диффузия

20 20 Пробой газов Зависимость плотности тока от напряженности электрического поля I. Область слабых полей. II. Область ударной ионизации. III. Область разряда.

21 21 Поток электронов, порожденный в газовом промежутке одним электроном, получил название электронной лавины Схема электронной лавины Электронная лавина

22 22 Теория пробоя Таунсенда 1. Первый коэффициент Таунсенда Таунсенд ввел коэффициент α, показывающий, сколько актов ионизации производит электрон на пути в 1 см. Впоследствии α был назван первым коэффициентом Таунсенда. Таунсенд сделал три небезупречных предположения: 1. Электрон ионизует только тогда, когда его энергия равна или больше энергии ионизации молекулы. W e > W u. 2. После ионизации электрон полностью теряет свою кинетическую энергию. 3. Электрон набирает энергию для ионизации на пути х и.

23 23 Энергия, приобретаемая электроном в электрическом поле на пути х и равна энергии ионизации молекулы: W и = q·E·х и. Тогда где U и - потенциал ионизации. Вероятность ионизации на длине свободного пробега электрона можно представить в виде: Коэффициент ударной ионизации α можно найти как произведение числа соударений Z = 1/λ на пути в 1 см на вероятность ударной ионизации на длине свободного пробега:

24 24 При постоянной температуре длина свободного пробега молекулы обратно пропорциональна давлению газа, то есть: Зависимость от давления газа числа соударений электронов с молекулами (1), вероятности ионизации молекулы (2) и коэффициента ударной ионизации (3).

25 25 Зависимость отношения эффективного коэффициента ударной ионизации к давлению от отношения напряженности электрического поля к давлению воздуха при парциальных давлениях паров Р: 1- мм. рт. ст.; 2-5 мм. рт. ст.; мм. рт. ст. воздуха

26 26 Поправки к первому коэффициенту Таунсенда: Развитие электронной лавины сдерживается: 1.Из-за потери энергии электронов. Потери энергии замедляют приобретение в поле энергии, достаточной для ионизации. Электроны теряют энергию на возбуждение электронных состояний атомов и молекул, на возбуждение молекулярных колебаний и вращений, при упругих столкновениях. 2. Из-за потери самих электронов. Потери электронов приводят к обрыву цепей в цепной реакции размножения. Потери электронов: в результате диффузионного ухода электронов из области действия поля (в частности, на стенки), прилипания в электроотрицательных газах. α* = α – η, где η – коэффициент прилипания

27 27 2. Второй коэффициент Таунсенда Процессы, которые могут обеспечить воспроизведение вторичных электронов: освобождение электронов из катода при бомбардировке его поверхности положительными ионами начальной лавины -кинетическое вырывание, когда кинетическая энергия ионов достигает порядка сотен эВ и более. -потенциальное вырывание электронов медленными ионами за счет образования сильного электрического поля вблизи катода. фотоэффект с поверхности катода, осуществляемый излучением лавины прямым путем или за счет ступенчатой ионизации. появление новых электронов в объеме газа за счет ассоциативной ионизации Механизм потенциального вырывания электронов положительными ионами.

28 28 Изменение концентрации электронов при развитии лавины. Предположим, что под действием ионизирующего излучения с 1 см 2 поверхности катода вырывается n 0 электронов за 1 с. В слое газа толщиной dx n электронов создадут вследствие ударной ионизации дополнительное число электронов, равное dn = α·n·dx Произведя интегрирование, получим:

29 29

30 30 Полный ток в разрядном промежутке при развитии лавины равен: I(t) = q·n(t)·S·v ср. где S- площадь электродов, v ср – средняя скорость направленного движения электронов (дрейфовая скорость). Дрейфовая скорость устанавливается в результате приобретения импульса под действием электрической силы qЕ в период между столкновениями и его потери в результате рассеяния при столкновениях с молекулами. Скорость дрейфа электронов определяется из формулы: