1.1.2. Види іонізації

Під час відсутності зовнішнього електричного поля атоми й молекули газу знаходяться у стані хаотичного (теплового) руху, постійно зіштовхуючись з іншими частками. Якщо на одиницю довжини шляху частка зазнала  зіткнень, то середня довжина її вільного пробігу l дорівнює:

 

                                                                              (1.3)

 

Значення параметра l залежить від концентрації часток і, відповідно, від тиску й температури газу. Зі збільшенням тиску й зменшенням температури l зменшується. Частинки газу при тепловому русі переміщаються безладно. Наявність зовнішнього електричного поля призводить до виникнення спрямованого руху заряджених часток, тобто  до появи в газі електричного струму.

При розгляді процесів виникнення і зникнення вільних заряджених часток у газі можна вважати електрони частками і не враховувати їхні хвильові властивості. Коли електрони атомів знаходяться на найближчих до ядра орбітах, потенційна енергія атома мінімальна, і такий стан атома є стійким. Перехід одного або декількох електронів з орбіт, близьких до ядра, на більш віддалені від ядра називається збудження атома. Енергію, необхідну для збудження, атом (молекула) може отримати при зіткненні з електроном або при поглинанні короткохвильового випромінювання (фотозбудження).

Час перебування атома у збудженому стані становить величину порядку ~ с. Повернення атома в стійкий стан відбувається мимоволі і часто супроводжується випромінюванням фотона.

Коли електрон віддаляється від ядра настільки, що взаємодія його з ядром практично зникає, то електрон стає вільним. Відбувається іонізація атома, у результаті якої утвориться дві незалежні частки: електрон і позитивний іон. Енергія, необхідна для здійснення акту іонізації, називається енергією іонізації. Енергія збудження і іонізації виражається в електронвольтах (еВ). Мінімальні енергії збудження і іонізації деяких газів наведені в табл. 1.1.

 

Таблиця 1.1

Значення мінімальної енергії збудження і іонізації деяких газів

 

Одночасно з іонізацією атомів і молекул газу відбувається процес взаємної нейтралізації заряджених часток – рекомбінація. Внаслідок дії двох протилежних факторів – іонізації й рекомбінації – встановлюється рівноважний стан, при якому в одиницю часу виникає і рекомбінує певну кількість заряджених часток. Цей рівноважний стан характеризується певним ступенем іонізації газу ψ, що визначається відношенням концентрації іонізованих часток n до загальної концентрації часток N:

                                    .                            (1.4)

 

Плазма – це частково або повністю іонізований газ, у якому щільності позитивних і негативних зарядів практично однакові.

При зіткненні електрона з нейтральним атомом або молекулою можливе захоплення ними електрона й утворення негативного іона. Гази, у яких можливе утворення негативних іонів, називаються електронегативними (кисень, хлор, пари води й ін.), а гази, в яких негативні іони не утворяться, – електропозитивними (азот, гелій).

Якщо до проміжку між електродами в газі прикладена напруга, то заряджені частки, крім теплової швидкості, набувають під дією електричного поля спрямовану швидкість. Якщо електричне поле велике, то при цьому кінетична енергія часток може перевищити теплову енергію і стати достатньою для ударної іонізації атомів. Енергія електронів та іонів W_E, придбана від поля, визначається як

 

                                                             (1.5)

 

Умова іонізації може бути записана у вигляді

 

                             ,                      (1.6)

 

де e – елементарний заряд; E – напруженість електричного поля;
m – ефективна маса зарядженої частки; V – швидкість руху заряджених часток; W_и – енергія іонізації нейтрального атома або молекули.

Так як швидкість електронів значно більша швидкості іонів, то ударна іонізація іонами, незважаючи на їх велику масу, малоефективна і визначальною є іонізація електронним ударом.

Розрізняють об'ємну іонізацію й емісію заряджених часток з поверхні електродів (поверхневу іонізацію).

Об'ємна іонізація – сукупність різних іонізаційних процесів в міжелектродному просторі.

Емісія – випускання заряджених часток поверхнею електродів.

Об'ємна іонізація, у свою чергу, поділяється на наступні види:

1) ударна іонізація електронами;

2) ступінчаста іонізація електронами;

3) фотоіонізація;

4) термоіонізація.

Ударна іонізація – утворення іона при зіткненні електрона з нейтральними атомом або молекулою (рис. 1.2, а).

Ступінчаста іонізація відбувається тоді, коли енергія першого, що впливає на нейтральний атом або молекулу електрона приводить частку тільки в збуджений стан, тобто  недостатня для іонізації. Вплив наступного електрона (одного або декількох) на збуджений атом або молекулу приводить до іонізації (рис. 1.2, б). Час між впливом першого і наступного електронів повинний бути не більше часу знаходження нейтрального атома або молекули в збудженому стані.

Для здійснення фотоіонізації в об’ємі газу енергія фотонів, утворених у результаті впливу, наприклад, космічного або гальмівного випромінювання, повинна бути більше енергії іонізації при поглинанні фотона нейтральним атомом або молекулою (рис. 1.2, в). Фотоіонізація можлива в ступінчастій формі.

 

Рис. 1.2. Схеми об'ємної іонізації газу

 

Термоіонізація обумовлена тепловим станом газу і може відбуватися в результаті: звільнення електрона при зіткненнях між атомами й молекулами при високих температурах; фотоіонізації нейтральних атомів і молекул, збуджених у результаті теплових взаємодій при високих температурах; іонізації при зіткненні електрона з нейтральним атомом або молекулою при високих температурах. У газах при тепловому русі дисоціація молекул відбувається при меншій енергії, чим іонізація.

У табл. 1.2 як приклад наведені енергії дисоціації і іонізації для деяких газів.

 

Таблиця 1.2

Значення енергії дисоціації й іонізації деяких газів

 

Емісія заряджених часток з поверхні здійснюється за рахунок:

а) бомбардування поверхні катода позитивними іонами (вторинна емісія) (мал. 1.3, а);

б) опромінення катода ультрафіолетовим світлом, рентгенівським або більш короткохвильовим випромінюванням (фотоемісія) (мал. 1.3, б);

в) нагрівання поверхні катода – термоелектронна емісія (мал. 1.3, в);

г) впливу зовнішнього електричного поля – автоелектронна або холодна емісія (мал. 1.3, г).

 

/ 

Рис. 1.3. Схема різних видів емісії: за умови
 а) ; б) ; в) ; г)

Для реалізації емісії необхідно, щоб енергія впливу на поверхню катода була більше енергії виходу електрона з катода W_вых. Енергія W_вых нижче енергії ударної іонізації приблизно в
2–10 разів. Для мідних і сталевих електродів у повітрі W_вых » 4,5 ев.