Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

Практическое значение этого соотношения заключается в том, что, зная μ , которое сравнительно легко измерить, можно определить D ,

которое определить непосредственно довольно трудно.

Амбиполярная диффузия

В плазме газового разряда диффундируют как электроны, так и ионы. Процесс диффузии представляется следующим. Электроны, обладающие большей подвижностью, быстрее диффундируют, чем ионы. За счет этого создается электрическое поле между электронами и отставшими положительными ионами. Это поле тормозит дальнейшую диффузию электронов, и наоборот – ускоряет диффузию ионов. Когда ионы подтянутся к электронам, указанное электрическое поле ослабевает, и электроны вновь отрываются от ионов. Этот процесс протекает непрерывно. Такая диффузия получила название амбиполярной диффузии, коэффициент которой

Dамб =		De μи + Dиμe	,	(1.30)
		μe + μи
где De ,Dи	– коэффициенты диффузии электронов и ионов; μе,μи –
подвижность электронов и ионов.
Так как De >> Dи и μе>> μи , то оказывается, что				Dиμе≈ De μи ,

поэтому Dамб ≈ 2Dи . Такая диффузия имеет место, например, в положительном столбе тлеющего разряда.

1.6. Возбуждение и ионизация атомов и молекул

Известно, что атом состоит из положительного иона и электронов, число которых определяется номером элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева. Электроны в атоме находятся на определенных энергетических уровнях. Если электрон получает извне некоторую энергию, он переходит на более высокий уровень, который называется уровнем возбуждения [5,6].

Обычно электрон находится на уровне возбуждения непродолжительное время, порядка 10-8с. При получении электроном значительной энергии он удаляется от ядра на столь большое расстояние, что может потерять с ним связь и становится свободным. Наименее связанными с ядром являются валентные электроны, которые находятся на более высоких энергетических уровнях и поэтому легче отрываются от атома. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией.

На рис. 1.3 показана энергетическая картина валентного электрона в атоме. Здесь Wo – основной уровень электрона, Wмст – метастабиль-

ный уровень, W1 ,W2 – уровни возбуждения (первый, второй и т.д.).

17

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

Рис. 1.3. Энергетическая картина электрона в атоме

W ′ = 0 – это состояние, когда электрон теряет связь с атомом. Величина Wи =W ′ −Wo являет-

ся энергией ионизации. Значения указанных уровней для некоторых газов приведены в табл. 1.3 [17].

Метастабильный уровень характеризуется тем, что на него и с него переходы электрона запрещены. Этот уровень заполняется так называемым обменным взаимодействием, когда электрон извне садится на уровень Wмст , а избыточный

электрон покидает атом. Метастабильные уровни играют важную роль в процессах, протекающих в газоразрядной плазме, т.к. на нормальном уровне возбуждения электрон находится в течение 10-8 с, а на метастабильном уровне – 10-2÷10-3 с.

Таблица 1.3

Энергия, эВ	H2	He	N2	O2	Ne	H2O	Ar	Cl2	CО2
Wмст	–	19.7	–	–	–	–	11.49	–	–
W1	16.8	19.8	0	79	16.6	7.6	11.56	–	10
Wи	15.42	24.5	15.58	12.08	21.56	12.61	15.76	11.48	13.79

Процесс возбуждения атомных частиц определяет и ионизацию посредством так называемого явления диффузии резонансного излучения. Это явление заключается в том, что возбужденный атом, переходя в нормальное состояние, испускает квант света, который возбуждает следующий атом, и так далее. Область диффузии резонансного излучения определяется длиной свободного пробега фотона λν , которая зави-

сит от плотности атомных частиц n. Так, при n=1016 см-3 λν =10-2 ÷1

см. Явление диффузии резонансного излучения также определяется наличием метастабильных уровней.

Ступенчатая ионизация может происходить по разным схемам: а) первый электрон или фотон производит возбуждение нейтраль-

ной частицы, а второй электрон или фотон сообщает валентному электрону добавочную энергию, вызывая ионизацию этой нейтральной частицы;

18

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

		mυ2
	б) электрон с энергией	e	< W	и	оказывается вблизи возбуж-
		2

денного атома, и в этот момент возбужденный атом переходит в нормальное состояние и излучает квант света, который увеличивает энер-

	mυ2
гию этого электрона, так что его энергия становится	e	≥ W	;
	2	и

в) наконец, два возбужденных атома оказываются вблизи друг друга. При этом один из них переходит в нормальное состояние и испускает квант света, который ионизирует второй атом.

Следует отметить, что ступенчатая ионизация становится эффективной, когда концентрация быстрых электронов (с энергией, близкой

кWи ), фотонов и возбужденных атомов достаточно велика. Это име-

ет место, когда ионизация становится достаточно интенсивной. В свою очередь, падающие на атомы и молекулы фотоны также могут производить возбуждение и ионизацию (прямую или ступенчатую). Источником фотонов в газовом разряде является излучение электронной лавины.

1.6.1. Возбуждение и ионизация молекул

Для молекулярных газов необходимо учитывать возможность возбуждения самих молекул, которые в отличие от атомов совершают вращательные и колебательные движения [2,3,6]. Эти движения также квантуются. Энергия скачка при вращательном движении составляет 10-3÷10-1 эВ, а при колебательном движении – 10-2 ÷1 эВ.

При упругом соударении электрона с атомом электрон теряет не-

значительную часть своей энергии	W = 2	me	W	e	≈10	−4W . При соуда-
		m				e

рении электрона с молекулой электрон возбуждает вращательное и колебательное движение молекул. В последнем случае электрон теряет особенно значительную энергию до 10-1÷1 эВ. Поэтому возбуждение колебательных движений молекул является эффективным механизмом отбора энергии от электрона. При наличии такого механизма ускорение электрона затрудняется, и требуется более сильное поле для того, чтобы электрон мог набрать энергию, достаточную для ионизации. Поэтому для пробоя молекулярного газа требуется более высокое напряжение, чем для пробоя атомарного (инертного) газа при равном межэлектродном расстоянии и равном давлении. Это демонстрируют данные табл. 1.4, где проведено сравнение величин λt ,St и Uпр атом-

ных и молекулярных газов при атмосферном давлении и d = 1.3 см.

19

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

									Таблица 1.4
	Характеристика				Наименование газа
			Аr			H2		N2
St 10−16 , см2			6.46			3.7		7.8
λ	t	, см		-5			-5		-5
			8 10			1.45 10		7.8 10
U пр, кВ			10			20		40

Из табл. 1.4 видно, что хотя транспортные сечения St для молеку-

лярных газов и аргона соизмеримы, однако пробивное напряжение аргона существенно ниже.

1.7. Термическая ионизация

При высоких температурах может происходить ионизация газа за счет повышения кинетической энергии атомных частиц, называемая термической ионизацией. Так, для паров Na, K, Cs термическая ионизация значительна при температуре в несколько тысяч градусов, а для воздуха при температуре порядка 104 град [4,6]. Вероятность термической ионизации растет с повышением температуры и уменьшением потенциала ионизации атомов (молекул). При обычных температурах термическая ионизация незначительна и практически может оказать влияние только при развитии дугового разряда.

Однако следует отметить, что еще в 1951 г. Хорнбеком и Молнаром было обнаружено, что при пропускании моноэнергетических электронов через холодные инертные газы происходит образование ионов при энергии электронов, достаточных только для возбуждения, но не для ионизации атомов. Этот процесс был назван ассоциативной ионизацией.

Ассоциативная ионизация иногда играет важную роль при распространении волн ионизации и искровых разрядов в местах, где электронов еще очень мало. Возбужденные атомы образуются там в результате поглощения квантов света, выходящих из уже ионизированных областей. В умеренно нагретом воздухе, при температурах 4000÷8000 К, молекулы в достаточной степени диссоциированы, но электронов еще слишком мало для развития лавины. Основным механизмом ионизации при этом является реакция, в которой участвуют невозбужденные атомы N и О.

Ассоциативная ионизация протекает по следующей схеме N +O + 2.8 эВ ↔ NO+ + q . Недостающая энергия 2.8 эВ черпается за счет кинетической энергии относительного движения атомов.

20