Корпускулярне випромінювання.

Формується за рахунок швидких частинок, що вилітають із нерівноважної плазми у результаті розвитку різних нестійкостей.

Електричним розрядом в газі називають сукупність явищ, що обумовлені проходженням електричного струму скрізь газовий проміжок.

Рис. Фізичні процеси в газовому розряді

При тиску газу у внутрішньому об'ємі приладу 10^-3 Па (1 мм рт. ст. = 133 Па) і нижче носіями заряду, що визначають значення струму в приладі, практично є електрони. Вони рухаються майже без зіткнень, і середня довжина їх вільного пробігу l_Ae помітно перевищує відстань між електродами.

При підвищенні тиску електрони, що рухаються, починають взаємодіяти (стикатися) з атомами газу і їх довжина вільного пробігу стає менше відстані між електродами. Характер зіткнень між електронами і атомами багато в чому визначає особливості газового розряду.

Складні явища, що протікають в газовому проміжку, можна звести до невеликої кількості елементарних процесів, що призводять до зміни енергії заряджених часток: іонізація, збудження, перезарядка і рекомбінація. Перераховані процеси можуть бути описані на основі класичних законів збереження енергії й імпульсу при зіткненнях.

Зіткнення атомних часток носять пружний і непружний характер.

При пружному зіткненні між частками відбувається обмін імпульсом і кінетичною енергією, але їх внутрішні енергії і стани залишаються незмінними.

Якщо при зіткненні відбувається зміна внутрішньої (потенційної) енергії, то це призводить до іонізації і збудження. Цей тип зіткнень відноситься до непружних.

Валентні електрони мають найбільший запас енергії і беруть участь в створенні хімічного зв'язку між атомами, визначаючи активність речовини. Електрони, що покинули свою орбіту і переміщаються між атомами, називаються вільними. Нейтральний в електричному відношенні атом, втрачаючи або придбаваючи електрони, стає позитивно або негативно зарядженим іоном.

Під енергією іонізації розуміють енергію, яка потрібна для руйнування зв'язку між електроном і незбудженим атомом W_i=e U_i, де U_i - потенціал іонізації -- та різниця потенціалів, яку повинен пройти електрон в електричному полі, щоб придбати енергію, достатню для відриву валентного електрона і утворення позитивно зарядженого атома.

Рис. Залежність потенціалу іонізації від порядкового номеру атома та схематичний процес утворення негативних та позитивних іонів

Вірогідність пружних і непружних зіткнень визначається через ефективні поперечні перерізи. Якщо умовно уявити собі частинки у вигляді дисків, то сумарна площа дисків, що відповідає кількості атомів (молекул і т. д.) в одиниці об'єму, і визначає повний ефективний поперечний переріз Q _і [м² / м³].

Повний ефективний поперечний переріз Q_і пов'язаний з ефективним поперечним перерізом атома q [м²] :

Q_і=q_in,

де d - ефективний діаметр атома. Під ним розуміється умовний діаметр мішені (диска), в межах якого можлива взаємодія електрона з атомом.

Якщо додати ефективні діаметри атомів на одиницю об'єму, отримаємо повний ефективний переріз для процесу іонізації :

, ,

де n - концентрація атомів.

Часто значення Q_i відносять до одиничного тиску (1 мм рт. ст.) і температури 0 ºС, тому

де Q_i0 – ефективний перетин іонізації при одиничному тиску.

Також ефективний перетин визначається через довжину вільного пробігу електрона l_А при тепловому русі (середню відстань, яку проходить електрон між зіткненнями, або кількість зіткнень при проходженні електроном 1 см):

Для визначення Q_i використовують наступні апроксимацій для монохроматичного пучка електронів:

1. Лінійна апроксимація, що відповідає невеликим перевищенням енергії електронів над пороговим значенням іонізації :

,

де С_i - коефіцієнт пропорціональності, що характеризує нахил кривих перерізу іонізації у порогових значень; U - енергія іонізуючих електронів; U_i - потенціал іонізації атома або молекули.

2. Апроксимація Лотца-Дрєвина :

де S₀ = pа₀² = 0.88·10^─20 м² (а₀ - радіус першої борівскої орбіти атома водню); Rd = 13.6 В - потенціал іонізації атома водню по Рідбергу; b₁ і b₂ – коефіцієнти налаштування; n - число еквівалентних електронів на зовнішній оболонці атома (електронів з однаковими головним і орбітальним квантовими числами), що іонізується.

У газовому розряді має місце деякий розподіл енергії (f_e), що найчастіше задається законом Максвелла :

.

Таким чином, для оцінки середньої швидкості іоноутворення в позитивному стовпі газового розряду потрібно користуватися поняттям перерізу іонізації, усередненим по функції розподілу електронів :

За характером іонізованого стану плазми розрізняють:

- пробій газу;

- підтримка електричним полем нерівноважної плазми;

- підтримка рівноважної плазми.

Електричні поля, що приводять до іонізації газу поділяються на:

- постійні (низькочастотні включно);

- високочастотні: f» 10⁵ – 10⁸ Гц;

- надвисокочастотні : f» 10⁹ – 10¹¹ Гц;

- оптичні (від ІЧ до УФ).

Електричні розряди в газі підрозділяють на несамостійні і самостійні.

До несамостійних відносяться розряди, для підтримки яких потрібно емісія електронів з катода або утворення заряджених часток в розрядному проміжку під дією зовнішніх чинників, наприклад, таких як нагрів катода, опромінення катода або газу в розрядному проміжку.

При самостійних розрядах фізичні процеси газового розряду забезпечують вихід електронів з катоду без допомоги зовнішніх чинників.

При русі під дією електричного поля в газовому середовищі електрони призводять до іонізації газу. Мірою іонізації є ступінь іонізації a, що визначається як

a = Ар × ехр [- В / (Е/р)],

де А=1/ l_Ae0 і В= U_і / l_Ae0 [В/м× мм рт. ст.]; Е/р [кВ× м^-1× мм рт. ст.];l_Ae0 – середня довжина вільного пробігу електрона при тиску в 1 Па і Т=0^оС. l_Ae = l_Ae0 / р₀.

Вторинні електрони, що утворилися під час іонізації також будуть іонізувати газ. Лавинне розмноження електронів та вплив їх на іонізацію газу відображається за допомогою коефіцієнта газового посилення k.

k= exp (al),

де l - відстань між електродами.

Позитивні іони рухаються в напрямку катоду і, при зіткненні з ним, вибивають додаткову кількість електронів. Внесок вторинної іонно-електронної емісії збільшує значення коефіцієнту газового посилення k:

де g -- коефіцієнт вторинної іонно-електронної емісії матеріалу катоду.

Самостійний газовий розряд виникає, коли напруга на електродах приладу і кількість первинних електронів, що помножуються за рахунок іонізації та вторинної емісії зростають настільки, що виконується умова: .

-- визначає кількість електронів у лавині, що ініційовані одним електроном;

-- різниця -- кількість іонів в лавині (-1 означає, що один з електронів лавини вийшов з катода, а не з'явився в результаті іонізації);

- число електронів, вибитих із катода іонами. Рівність цього числа одиниці означає, що електрон, який ініціював лавину і пішов до аноду, заміщається електроном, що виходять з катода під дією іонів лавини та забезпечується самопідтримка процесу.

Часто інтенсивність об'ємної іонізації вимірюють коефіцієнтом η = α / E, який показує кількість актів іонізації, скоєних одним електроном при проходженні різниці потенціалів в 1 В. Замінюючи α на η та враховуючи, що в момент виникнення розряду розподіл електричного поля в проміжку лінійний, тобто Е = U_в / l, можна отримати: .

Вирішивши рівняння щодо U, можна отримати вираз для визначення напруги виникнення самостійного розряду: ,

де U₀ - поправка на початкову енергію електронів, що чисельно дорівнює потенціалу іонізації газу U_i.

Залежність коефіцієнта об'ємної іонізації газу від наведеної напруженості електричного поля Е / р₀ може бути виражена, наприклад, апроксимацією Таунсенда:

де А=1/ l_Ae0 і В= U_і / l_Ae0 ; l_Ae0 – середня довжина вільного пробігу електрона при тиску в 1 Па і Т=0^оС. l_Ae = l_Ae0 / р₀.

Враховуючи, що в момент виникнення розряду розподіл електричного поля в проміжку лінійний, тобто Е = U_в / l, можна отримати залежність U_в = f (pl). Ця залежність була експериментально перевірена в різних газах німецьким фізиком Пашеном в 1889 р. тому і носить назву кривої Пашена.

З ростом pl число зіткнень збільшується за рахунок збільшення кількості молекул або відстані, що проходять електрони, а ймовірність знижується внаслідок зменшення енергії, що набувають електрони на довжині вільного пробігу.

Іншими словами, при дуже малих pl в проміжку мало молекул через низький тиск або електрони пролітають на анод переважно без зіткнень із-за малої відстані. При великих pl через малу напруженість поля або малу довжину вільного пробігу електрони не можуть набрати енергію, достатню для ефективної іонізації.

АВ При малих напругах на електродах (до 40-50В), газ є майже ідеальним діелектриком, а невеликий струм в 10^-12—10-¹⁰А визванний зовнішніми факторами (радіаційний фон, космічне випромінювання, температура катоду і т.д.).

ВС Струм між електродами незначною мірою збільшується з причини збільшення кількості заряджених частинок, що доходять до електродів без рекомбінації.

CD Ділянка газового посилення, при якій електрони вже мають достатню енергію для іонізації газу. Виникають вторинні електрони та іони, але процеси рекомбінації або деіонізації поки переважають.

AD Область несамостійного газового розряду, бо при ослабленні впливу зовнішніх факторів відбудеться зменшення струму розряду.

DL Область самостійного розряду, яка характеризується несуттєвим впливом зовнішніх факторів.

DE Ділянка тихого (таунсівського) розряду, потенціалом достатнім для виникнення самостійного розряду. Розвивається лавинний розряд.

EF Збільшення струму викривляє поле між електродами, основне падіння потенціалу приходиться на катодну область біля катоду за рахунок концентрації в ній позитивних іонів. Виникає самостійний розряд, який підтримується за рахунок вибивання іонами вторинних електронів з поверхні катоду.

FG Ділянка нормального тліючого або, при високих тисках, іскрового та коронного розрядів. Незначне збільшення потенціалу, за рахунок збільшення площі вторинно-електронної емісії при постійній щільності вторинного струму, приводить до значного збільшення струму розряду.

GH Ділянка аномального тліючого розряду, початок якої характеризується охопленням всієї поверхні катоду процесами вторинно-іонно-електронної емісії. Опір зростає, для збільшення кількості вторинних електронів необхідно збільшити енергію іонів. Кінцева ділянка характеризується розігрівом та збільшенням потенціалу біля катоду, що приводить до розвитку та виникнення дугового розряду HK.

KL Ділянка дугового розряду, що характеризується збільшенням потужності, яка виділяється на катоді, струмами більшими ніж 1А, локалізацією струму на малій поверхні катоду (катодна пляма). Катодна пляма рухається по поверхні катода і є причиною виникнення термоелектронної емісії , автоелектронної емісії та термоіонізації.