Электрофизические процессы в газах

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1. Электрофизические процессы в газах

газовый напряженность дрейф ударный ионизация

1.1 Характеристики газовой среды

Любая равновесная газовая среда, включая воздух, описывается рядом параметров, используемых при расчетах характеристик электрического разряда в газе. Такими параметрами являются: концентрация молекул или атомов газа n, равная числу частиц в единице объема, давление газа р, температура газа Т. Эти величины связаны уравнением состояния

, (1.1)

где k постоянная Больцмана, k = 1,3801023 Дж/град.

При давлении р0 = 1 атм = 760 мм рт.ст. и температуре Т0 = 0С = 273 К плотность любого газа имеет вполне определенное значение, называемое числом Лошмидта, n0 = 2,6871019 1/см3. Тогда при любом другом давлении и температуре

или (1.2)

если температура Т1 в (1.2) имеет размерность градусов Цельсия.

Под воздействием электрического поля в газе начинаются электрофизические процессы, которые могут привести к развитию электрического разряда. В общем случае электрический разряд это процесс образования под действием приложенного поля такого состояния в ограниченной области газа, при котором в этой области в результате многих процессов, включая ионизацию молекул, резко возрастает количество заряженных частиц (электронов и ионов) и возникает хорошо проводящий канал.

Характер процессов, ведущих к разряду, их интенсивность, форма разряда зависят не только от напряжения U, приложенного к газовому промежутку, но в первую очередь от конфигурации электрического поля и распределения в нем напряженности поля

(1.3)

Различают однородные, слабо-неоднородные поля и резко-неоднородные поля. В первых двух случаях отношение максимальной напряженности поля в промежутке к ее среднему значению, называемое коэффициентом неоднородности поля kн, составляет 1 (однородное поле) или не превышает 1,31,5 (слабо-неоднородное поле). В однородном поле . В случае большого коэффициента неоднородности (kн 4) поле в промежутке является резко-неоднородным.

В зависимости от напряженности электрического поля и степени его неоднородности в газовом промежутке может установиться разная форма электрического разряда. При этом основные электрофизические процессы, приводящие к развитию разряда, во всех газах примерно одинаковы, меняется только их интенсивность. Поэтому, прежде чем рассматривать разные формы разряда, рассмотрим различные электрофизические процессы, которые могут происходить в газе, и их зависимость от напряженности электрического поля.

1.2 Характеристики ионизованного газа

Даже в отсутствие внешнего электрического поля в газе, кроме нейтральных молекул или атомов, может быть какое-то число свободных электронов и ионов разного знака. Заряженные частицы возникают либо под действием внешнего источника ионизации (в воздухе это космическое излучение), либо создаются искусственно в лаборатории облучением промежутка светом ультрафиолетовой лампы. Считается, что в воздухе так называемая фоновая концентрация заряженных частиц составляет примерно 10З 1/смЗ.

В электрическом поле с напряженностьюЕ на заряженную частицу, имеющую заряд q (для электрона это заряд е), действует сила

(1.4)

Под действием этой силы происходит движение заряженных частиц в направлении поля, причем в процессе такого движения заряженные частицы приобретают энергию от поля, равную

W = qxE,

где x путь, пройденный частицей в направлении поля. Для электрона эта приобретенная энергия равна

W = exE.

Скорость движения электронов вдоль поля почти на три порядка больше скорости движения ионов за счет их разных масс, поэтому энергия, набираемая электронами, быстро возрастает.

При движении электронов в газе происходят их столкновения с нейтральными молекулами. Путь между двумя последовательными столкновениями называется длиной свободного пробега электрона. В общем случае эти длины имеют вероятностный характер и определяются функцией распределения энергий электронов. В расчетах часто используется средняя длина свободного пробега е, являющаяся функцией средней энергии электронов. В свою очередь, длина свободного пробега должна определяться плотностью газа, то есть его давлением. Приводимые в литературе значения е1 обычно даются для давления 1 мм рт.ст. и температуры 0С. Тогда для другого давления р е = е1/р.

Одновременно с приобретением энергии электроны теряют ее при столкновениях с молекулами или атомами газа, причем в зависимости от доли теряемой энергии различают упругие и неупругие столкновения.

При упругих столкновениях доля теряемой электроном и приобретаемой молекулой энергии

f mе/M,

где mе и M массы электрона и молекулы, что дает f 10З. Энергия, переданная в результате большого числа упругих столкновений между многими электронами и молекулами газа, приводит к увеличению кинетической энергии нейтральных молекул, что выражается в повышении температуры газа.

При большой энергии сталкивающегося электрона возможно неупругое столкновение. При неупругих столкновениях электрон передает молекуле большую часть своей энергии, что приводит к переходу молекулы в новое состояние, определяемое значением полученной энергии. Неупругие столкновения могут сопровождаться ионизацией, при которой из нейтральной молекулы образуется положительный ион и свободный электрон, электронным возбуждением молекулы, при котором один из электронов на ее оболочке переходит на более высокий энергетический уровень, или диссоциацией молекулы, при которой молекула распадается на две нейтральные, заряженные или возбужденные частицы.

Особенностью перечисленных видов неупругих столкновений для большинства газов является наличие четко выраженных пороговых энергий: энергии электронного возбуждения Wв, энергии диссоциации Wд, энергии ионизации Wи, ниже которых соответствующие реакции происходить не могут. Это связано со структурой атомов или молекул, с которыми взаимодействует свободный электрон. Их переход в новое состояние при столкновении с электроном возможен только при передаче им энергии, равной или большей пороговой.

Каждый процесс неупругого столкновения характеризуют соответствующим обобщенным коэффициентом, равным числу столкновений данного вида, осуществляемых одним электроном на пути в 1 см вдоль поля.

1.3 Дрейф заряженных частиц в электрическом поле. Подвижность

Полная скорость движения заряженной частицы в электрическом поле имеет две составляющие: скорость теплового хаотического движения w и направленную скорость под действием поля u.

. (1.5)

Для совокупности заряженных частиц рассматривается средняя скорость всех частиц. Средняя скорость направленного движения w носит название скорости дрейфа. Как показывают экспериментальные данные, эта скорость зависит от отношения Е/n, где n плотность молекул газа, и от сорта газа. При этом скорость дрейфа электронов существенно выше скорости дрейфа ионов.

На рис. 1. приведена зависимость скорости дрейфа электронов в воздухе от значений Е/n.

Рис. 1. Скорость дрейфа электронов в воздухе в зависимости от приведенной напряженности электрического поля

В общем случае скорость дрейфа

, (1.6)

где k носит название подвижности. Особенностью этой величины является то, что и для ионов, и для электронов существует широкая область значений напряженности, при которых в воздухе значения подвижности почти постоянны.

Для ионов в области значений поля, соответствующих развитию разряда, и при нормальных условиях газа значения подвижности в воздухе составляют Ки = 2,0 см2/Вс и Ки = 2,2 см2/Вс.

Для электронов Кэ = (45)102 см2/Вс, что, как видно, на два порядка выше, чем у ионов.

1.4 Коэффициент ударной ионизации

Этот коэффициент является самой важной характеристикой, используемой в теории газового разряда и определяющей основную реакцию, приводящую к развитию разряда. Ударная ионизация может быть представлена реакцией вида

e + M M+ + 2e,

где M атом или молекула газа.

Коэффициент ударной ионизации равен числу актов ионизации, осуществляемых одним электроном на пути в 1 см вдоль поля. Энергия ионизации Wи, для большинства газов составляет 1220 эВ:

Коэффициент ударной ионизации, обозначаемый обычно и называемый еще первым коэффициентом ударной ионизации Таунсенда, определяется по увеличению тока в промежутке между электродами в результате ионизации молекул газа при столкновениях с электронами. Процесс ионизации ведет к образованию новых свободных электронов. Эти свободные электроны, в свою очередь, приобретают энергию поля, достаточную для ионизации, то есть для образования новых электронов. Ток, протекающий в промежутке с однородным полем, возрастает и дается выражением

, (1.7)

где d длина промежутка (в сантиметрах), а i0 начальное значение тока.

Так как ионизация происходит при энергии электрона W Wи, а энергия, приобретаемая электроном, зависит от поля и от длины пути свободного пробега, определяемой плотностью газа, то и вероятность ионизации, а следовательно и коэффициент должны зависеть от поля и от концентрации молекул газа n или его давления р. Эксперименты подтверждают, что действительно имеется зависимость /n = f(Е/n) или /р = f(Е/р), причем при давлениях газа порядка атмосферного эта зависимость хорошо описывается уравнением вида

, (1.8)

где А и В константы, зависящие от газа.

На рис. 2. приведена экспериментальная зависимость /n = f(Е/n) для воздуха. Отношение E/n часто называют приведенной напряженностью поля.

Рис. 2. Зависимости коэффициентов ионизации и прилипания и эффективного коэффициента ионизации в воздухе от E/n

Как видно по рисунку, возрастание /n с ростом приведенной напряженности E/n становится менее интенсивным, что связано с двумя факторами: если увеличение E/n происходит за счет роста напряженности поля Е при неизменной плотности газа n, то с возрастанием энергии свободных электронов при их движении, уменьшается время взаимодействия при их столкновениях с молекулами, что приводит к уменьшению скорости роста вероятности ионизации; если рост E/n связан с уменьшением n, то уменьшается число молекул, с которыми сталкивается электрон, а, следовательно, уменьшается и число столкновений, что означает изменение .

1.5 Коэффициент прилипания. Эффективный коэффициент ионизации

Уравнение (1.8) соответствует процессам ионизации, происходящим в электроположительных газах, таких как He, Ar, Ne, H2, N2. В газах, в состав молекулы которых входят атомы кислорода, фтора и ряда других, при столкновении электрона с молекулой или атомом может происходить процесс захвата электрона с образованием отрицательного иона.

e + M M + W.

Устойчивость образовавшихся отрицательных ионов зависит от энергии сродства атома или молекулы к электрону Wп, то есть от энергии, выделяющейся при захвате электрона. Эта энергия должна быть положительной, то есть должна выделяться. Такие газы называются электроотрицательными, а процесс образования отрицательного иона при столкновении электрона с молекулой, процессом прилипания, характеризуемым коэффициентом , равным числу прилипаний, происходящих на пути в 1 см вдоль поля. Как и для , для коэффициента прилипания существует зависимость /р = f(Е/р) или /n = f(Е/n) (рис. 2).

Если часть свободных электронов прилипает к молекулам газа, то число электронов, способных продолжать ударную ионизацию, сокращается, что учитывается введением так называемого эффективного коэффициента ионизации эфф = . На рис. 2 приведена зависимость эфф /n = f(E/n) для воздуха. Значения эфф /n становятся положительными после некоторого порога при котором число ионизаций равно числу прилипаний. Для воздуха это пороговой значение приведенной напряженности равно примерно E/n = 1,21015 Всм2, что для атмосферного давления составляет Е = 24,5 кВсм.

Особенностью отрицательных ионов является их нестабильность в сильных электрических полях, когда при столкновениях с электронами, ионами и даже нейтральными молекулами происходит отрыв электрона от отрицательного иона с образованием нейтральной молекулы и свободного электрона, так как в этом случае сообщаемая отрицательному иону энергия превышает энергию сродства. Для воздуха порогом распада отрицательных ионов можно считать напряженность поля, превышающую 30 кВ/см.

1.6 Процессы возбуждения

Среди процессов неупругого столкновения электронов с молекулами газа имеется большое число видов столкновения, при которых не образуются новые электроны, но которые имеют очень важное значение для развития разряда, так как при этих столкновениях электроны теряют энергию и уменьшается вероятность ионизации. Такими процессами является возбуждение атомов или молекул.

При неупругих столкновениях с электронами атомы или молекулы могут переходить из основного состояния в более высокое энергетическое состояние, что и соответствует процессу возбуждения. Основное состояние характеризуется наименьшей полной энергией атома или молекулы и является единственным стабильным состоянием. Атом, возбужденный в результате получения энергии, стремится вернуться в исходное состояние, при этом излучается фотон с энергией, зависящей от уровня возбуждения.

Если в атоме при получении им энергии возбуждения осуществляются только электронные переходы, что соответствует электронному возбуждению, то молекулы имеют еще и другие возможности восприятия передаваемой им энергии. Возникает либо вращение молекулы в целом вокруг некоторой оси, либо составляющие ее атомы начинают колебаться по отношению друг к другу; таким процессам соответствуют вращательное и колебательное возбуждения. Пороговые энергии возбуждения колебательных и вращательных уровней молекул очень малы: например для азота Wk = 0,29 эВ, а для кислорода Wk = 0,19 эВ.

При возвращении колебательно возбужденных молекул в основное состояние большая часть энергии излучения поглощается газом и переходит в тепловую энергию нейтральных молекул.

Для электронного возбуждения атомов и молекул в газах типа воздуха характерная пороговая энергия электронов, ниже которой возбуждение не происходит, составляет 612 эВ.

1.7 Различные виды ионизации в газах

Ударная ионизация в газе, характеризуемая коэффициентом ионизации , является в электрическом поле основным поставщиком свободных электронов. Вместе с тем на условия развития разряда могут оказывать влияние и даже стать определяющими и другие механизмы ионизации молекул и атомов. К их числу относятся фотоионизация и термоионизация.

Источником ионизирующего излучения может быть внешнее излучение, но таким источником может быть и сам газовый разряд, в котором фотоны образуются при возвращении в исходное состояние возбужденных атомов и молекул. Возникающие фотоны поглощаются газом, причем механизм фотопоглощения чрезвычайно разнообразен и зависит от энергии фотона и структуры молекулы.

Наибольшее практическое значение для развития разряда имеет поглощение фотона с последующей ионизацией молекулы фотоионизация. Для осуществления фотоионизации нужно, чтобы энергия фотона h Wи. Молекулярные газы для фотоионизации требуют ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения. При ультрафиолетовом излучении атом ионизуется путем выбивания одного из самых внешних электронов. Рентгеновское излучение взаимодействует преимущественно с более сильно связанными внутренними электронами.

Если в газе имеются молекулы разных сортов, отличающиеся разными значениями энергий ионизации и возбуждения, и если энергия электронного возбуждения одних молекул больше энергии ионизации других, то при девозбуждении молекул одного сорта может происходить фотоионизация молекул другого сорта, что имеет место, например, в воздухе при развитии разряда.

При повышении температуры газа до нескольких тысяч градусов возможно осуществление целого ряда реакций, в результате которых образуются положительные ионы и электроны. При высокой температуре за счет большой кинетической энергии частиц возможны неупругие столкновения между собой нейтральных молекул, которые приводят к возбуждению и диссоциации сталкивающихся частиц. В последнем случае молекула распадается на составляющие ее атомы или группы атомов, причем продукты диссоциации, обладающие чаще всего более низкими энергиями ионизации, чем сложная молекула, претерпевают ионизацию при последующих столкновениях.

В смесях газов, таких как воздух, при возвращении термически возбужденных молекул одного сорта (азота) в основное состояние происходит излучение с последующим поглощением фотонов молекулами другого сорта (кислорода), в результате чего также может быть ионизация. Таким образом, под термической ионизацией понимается целая совокупность процессов, приводящих к ионизации при высокой температуре газа. Интенсивность термической ионизации характеризуют степенью ионизации m, равной отношению числа (концентрации) ионизованных частиц в единице объема газа nи к числу (концентрации) всех частиц в единице объема n, так что m = nи/n.

Если газ находится в условиях теплового равновесия, когда средняя тепловая энергия частиц разного сорта (нейтральных молекул, электронов, ионов) одинакова, то для определения степени ионизации m по известной температуре Т можно пользоваться уравнением Саха:

, (1.9)

где р давление газа, мм рт.ст.; Wи энергия ионизации газа, эВ; k постоянная Больцмана, эВ/К; постоянная А = 2,410-4. Обычно даже при температурах порядка 10000 К степень ионизации газа еще очень мала и не превышает 0,1.

1.8 Диссоциация молекул

Еще одним видом неупругого столкновения электронов с молекулами газа является столкновение, приводящее к диссоциации молекулы, при котором молекула распадается на отдельные атомы или группы атомов. В общем виде эта реакция записывается как

e + M2 M + M + e.

Этот процесс имеет большое значение как для развития разряда, так и при технологическом использовании электрических разрядов, когда в разряде получают частицы определенного сорта.

Энергии диссоциации молекул обычно выше энергии электронного возбуждения и ниже энергии ионизации молекулы. При столкновении электронов с молекулой с ее диссоциацией электрон теряет энергию, что препятствует его участию в ионизации и затрудняет развитие разряда, но продукты диссоциации могут принимать участие в цепочке последующих реакций, включая химические превращения, на которых и основывается электротехнология.

Вероятность прямого разбиения молекулы при столкновении с электроном очень мала, так как мало время передачи энергии от электрона молекуле и его недостаточно для ее разбиения на атомы и их ухода друг от друга. Обычно диссоциация идет двухступенчатым путем: сначала происходит возбуждение электронных состояний молекулы, а затем распад возбужденной молекулы на атомы.

1.9 Рекомбинация

Помимо ионизации, при которой возникают новые электроны и ионы, в ионизованном газе идет обратный процесс воссоединение заряженных частиц при их столкновениях с образованием нейтральных молекул.

e + M M

или

M + M M2.

Этот процесс, называемый рекомбинацией, включает в себя большое число разных взаимодействий, приводящих к взаимной нейтрализации заряженных частиц.

Если взаимодействующие частицы ионы, процесс называют ион-ионной рекомбинацией, если одна частица электрон, а другая положительный ион, то это электрон-ионная рекомбинация. В общем случае процесс взаимной нейтрализации характеризуют коэффициентом рекомбинации р, определяемым как число R актов рекомбинации в единице объема газа за единицу времени, при единичной концентрации частиц положительных и отрицательных, то есть

. (1.10)

При рекомбинации противоположно заряженных частиц образующаяся нейтральная частица обладает энергией, меньшей полной внутренней энергии рекомбинирующих частиц, при этом избыток энергии W освобождается разным способом. Так при ион-ионной рекомбинации может быть:

а) трехчастичная рекомбинация

А + B + C A + B + (C +W),

при которой в процессе взаимодействия участвует третья частица (заряженная или нейтральная), и избыток энергии передается ей. Этот вид рекомбинации наиболее существенен при давлениях порядка атмосферного, поскольку требуется достаточная плотность третьих частиц;

б) радиационная рекомбинация

А + B AB + h,

сопровождающаяся излучением и преобладающая при низких давлениях, когда имеет место недостаток третьих частиц;

в) диссоциативная рекомбинация

(АB) + C A + B + C,

имеющая место, если один или оба иона являются молекулярными, а избыток энергии идет на диссоциацию образующейся нейтральной молекулы.

При атмосферном давлении в воздухе коэффициент ион-ионной рекомбинации составляет р = 2,410-6 см3/с.

Электрон-ионная рекомбинация имеет значительно меньшую вероятность из-за высокой скорости передвижения электронов, что ограничивает время взаимодействия частиц и время захвата электрона для образования нейтральной частицы.

1.10 Процессы вторичной ионизации

Для многих видов разряда пробой всего промежутка возможен только в том случае, если кроме ионизации в объеме газа, имеет место и так называемая вторичная ионизация на катоде, обеспечивающая воспроизводство заряженных частиц в связи с их уходом из промежутка. Процессы на катоде в промежутке при развитии разряда могут быть следующие:

а) освобождение вторичных электронов с катода под действием фотоизлучения;

б) освобождение электронов под действием прихода на катод положительных ионов;

в) освобождение электронов при взаимодействии с поверхностью катода возбужденных атомов и молекул.

Кроме того, может происходить освобождение электронов с поверхности электрода и в результате других процессов. Такими процессами являются:

а) автоэлектронная эмиссия, если напряженность электрического поля у поверхности электрода очень велика и происходит вырыв электрона из металла;

б) термоэлектронная эмиссия, происходящая при специальном нагреве электрода, например, в газоразрядных приборах.

Процессы освобождения электронов с катода под действием других частиц (ионов, возбужденных атомов, фотонов) называют процессами вторичной ионизации на катоде, интенсивность которых характеризуют коэффициентом , равным отношению числа электронов, освобожденных с катода, к числу взаимодействующих с катодом частиц. В зависимости от рода взаимодействующих частиц различают и, в, ф . При воздействии на катод разных частиц суммарный коэффициент вторичной ионизации на катода

= и + в + ф . (1.11)

Помимо процессов на катоде, вторичная ионизация может происходить и в объеме газа. В определенном смысле такой вторичной ионизацией является рассмотренная ранее фотоионизация в объеме газа, так как в отличие от ударной ионизации при столкновении молекул с электронами, ионизация при поглощении фотона является вторичным процессом, следующим за образованием при столкновении возбужденной частицы и последующим испусканием фотона при девозбуждении.

Вторичная ионизация на аноде при взаимодействии с ним электронов или отрицательных ионов не имеет значения при рассмотрении процессов разряда, так как освободившиеся с поверхности анода электроны тут же вновь уходят на него.

Размещено на Allbest.ru