Несамостоятельный газовый разряд

Молекулы газов при обычных условиях нейтральны, поэтому газы являются диэлектриками. Газ становится проводником при ионизации части его молекул. Ионизация - потеря молекулой или атомом одного или нескольких электронов - может происходить при нагревании газа, при внесении его в сильное электромагнитное поле, при воздействии рентгеновских, ультрафиолетовых лучей, радиоактивных излучений. Нейтральная молекула, потерявшая один или несколько электронов, превращается в положительно заряженный ион. Часть свободных электронов захватывается нейтральными атомами и молекулами, при этом образуются отрицательные ионы. Следовательно, ионы возникают парами.

Так как нейтральные атомы и молекулы представляют собой устойчивые образования, то для ионизации их необходимо затратить определенную энергию. Минимальная энергия, которую нужно затратить для ионизации атома или молекулы, называется энергией ионизации. Она зависит от химической природы вещества и энергетического состояния электрона, удаляемого из атома или молекулы.

Если молекула получает энергию, меньшую энергии ионизации, она переходит в возбужденное состояние. Спустя время порядка она возвращается в основное состояние, а избыточная энергия излучается в виде кванта света.

Одновременно с ионизацией в газах происходит обратный процесс - рекомбинация ионов с образованием нейтральных молекул. Исчезновение ионов при рекомбинации также происходит парами. Энергия, затраченная на ионизацию молекул, при рекомбинации ионов выделяется обычно в виде квантов излучения.

Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества. Если в ионизированном газе создать электрическое поле, то возникнет упорядоченное движение ионов и электронов - электрический ток. Процесс прохождения электрического тока в газе называется газовым разрядом. Различают два вида газовых разрядов: несамостоятельный и самостоятельный.

Если электрический ток в газе обусловлен действием внешнего ионизатора и исчезает после прекращения действия ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным.

Несамостоятельный газовый разряд протекает при слабой ионизации газа. Для него характерна малая плотность тока и отсутствие световых и звуковых эффектов. Поэтому несамостоятельный разряд называется также тихим разрядом. Используется он в ионизационных камерах и счетчиках элементарных частиц.

Рассмотрим физические процессы, имеющие место при несамостоятельном газовом разряде между параллельными электродами (рис. 60.1). Предположим, что за каждую секунду в единице объ-ема образуется пар ионов. В это же время в единице объема рекомбинируют пар ионов. Кроме того, за единицу времени из единицы объема к электродам уходят пар ионов.

Нарастание концентрации ионов сопровождается усилением рекомбинации. В результате наступает состояние равновесия:

. (60.1)

Рассмотрим предельные случаи.

1. Если напряжение между электродами мало, то электрическое поле слабое ( ) и соответственно будет мала плотность тока ( , ). В этом случае и . Тогда, используя формулы (55.3) и (55.9), находим:

, (60.2)

где - заряд ионов, n - их концентрация, , - подвижности ионов.

Таким образом, при малых значениях напряженности электрического поля несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома: плотность тока прямо пропорциональна напряженности.

С увеличением напряженности поля между электродами ионы уходят к электродам, не успевая рекомбинировать ( ). Поэтому

.

Если площадь электродов S, а расстояние между ними l, то каждую секунду электродов достигает пар ионов. Они создают ток, сила которого равна

. (60.3)

Объединяя формулы (53.4) и (60.3), рассчитаем плотность тока

. (60.4)

Следовательно, при больших значениях напряженности поля между электродами плотность тока не зависит от напряженности. Это означает, что формула (60.4) определяет плотность тока насыщения.

При некотором достаточно большом значении напряженности наблюдается резкое возрастание плотности тока. Это объясняется тем, что свободные электроны, образующиеся при ионизации газа внешним источником, за время свободного пробега успевают приобрести энергию, достаточную для ионизации молекул при столкновении с ними. Такая ионизация называется ударной. В результате ионизации образуются вторичные электроны, которые тоже ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. В газе возникают электронные лавины, его проводимость возрастает. Однако и в этом случае при прекращении действия внешнего ионизатора разряд продолжается лишь до тех пор, пока полученные при ионизации электроны достигнут анода, т. е. и при этих условиях разряд носит характер несамостоятельного.

Выполненный анализ позволяет изобразить график зависимости плотности тока от напряженности поля при несамостоятельном газовом разряде (рис. 60.2). На участке ОА выполняется закон Ома. Участок ВС соответствует току насыщения. Участок СD отражает возрастание тока за счет образования электронных лавин.

Несамостоятельный газовый разряд используется в приборах для регистрации радиоактивного излучения.