Столкновительная (ударная) ионизация
Важнейшим механизмом И. в газах и плазме является И. при столкновении (ударе) свободного электрона с невозбуждёнными или возбуждёнными атомами или молекулами. Для отрыва электрона из атома, находящегося в осн. состоянии, требуется затратить энергию ионизации, равную энергии связи. Энергия связи осн. уровня колеблется от миним. энергии 3,89 эВ для цезия до максимальной 24,59 эВ для гелия. Свободный электрон, обладающий энергией большей (или равной) энергии связи, при столкновении с атомом (молекулой) выбивает из него (неё) один электрон и образуется однозарядный положительный ион. Миним. значение кинетич. энергии ионизующего электрона называется порогом И. Элементарный акт И. частицей (или фотоном) характеризуется эффективным сечением И. Величина сечения растёт от нуля при пороговой энергии до определённого макс. значения и затем плавно уменьшается с увеличением энергии. В случае ударной И. сечение максимально при отрыве внешних валентных электронов и малó для внутр. электронов. Если свободный электрон обладает кинетич. энергией, достаточной, чтобы оторвать от атома два электрона или более, то происходит двухэлектронная или многоэлектронная И. Сечение И. таких процессов значительно меньше, чем сечение одноэлектронной ионизации.
Если энергия налетающего электрона меньше порога И., то атом может перейти в возбуждённое состояние, а ионизоваться при следующем столкновении с др. электроном. Такая И. называется ступенчатой. И. газа обычно осуществляется в нескольких последовательных столкновениях (многоступенчатая И.). Она возможна, если столкновения происходят так часто, что частица в промежутке между двумя соударениями не успевает потерять энергию, полученную в предыдущем столкновении (достаточно плотные газы, высокоинтенсивные потоки бомбардирующих частиц и излучения). Многоступенчатая И. существенна, когда частицы ионизуемого вещества обладают метастабильным состоянием, т. е. способны относительно долгое время сохранять энергию возбуждения. При быстром росте числа носителей зарядов, когда возникает достаточно высокая степень И. среды, происходит электрич. пробой, среда становится проводящей, происходит резкое уменьшение сопротивления среды. (Отношение числа ионов к числу нейтральных частиц в единице объёма называется степенью ионизации.)
При столкновениях атомов и ионов с атомами может происходить И. не только бомбардируемых, но и бомбардирующих частиц. Налетающие нейтральные атомы, теряя электроны, превращаются в ионы, а у налетающих ионов увеличивается заряд. Такой процесс называется «обдиркой» пучка частиц.
Понятие о плазме
Степень ионизации плазмы α определяется отношением числа ионизированных атомов к их общему числу\. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизированную (α — доли процента), частично ионизированную (α — несколько процентов) и полностью ионизированную (α = 100%). Слабо ионизированной плазмой является ионосфера — верхний слой земной атмосферы. В состоянии полностью ионизированной плазмы находится Солнце, горячие звезды. Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы, где температура очень высокая, порядка 106 — 107 К. Искусственно созданной плазмой различной степени ионизации является плазма в газовых разрядах, газоразрядных лампах.
Существование плазмы связано либо с нагреванием газа, либо с излучением различного рода, либо с бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами.
Ряд свойств плазмы позволяет рассматривать ее как особое состояние вещества. Плазма — самое распространенное состояние вещества. Плазма существует не только в качестве вещества звезд и Солнца, она заполняет и космическое пространство между звездами и галактиками. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму.
Управление движением плазмы в электрических и магнитных полях является основой ее использования как рабочего тела в различных двигателях для непосредственного превращения внутренней энергии в электрическую — плазменные источники электроэнергии, магнитогидродинамические генераторы. Для космических кораблей перспективно использование маломощных плазменных двигателей. Мощная струя плотной плазмы, получаемая в плазмотроне, широко используется для резки и сварки металлов, бурения скважин, ускорения многих химических реакций. Проводятся широкомасштабные исследования по применению высокотемпературной плазмы для создания управляемых термоядерных реакций.
Теория — ударная ионизация
Теория ударной ионизации ( теория Таунсенда), объясняющая развитие разряда как результат объемной ударной ионизации электронами и поверхностной ионизации на катоде, применима только при начальных стадиях разряда при малых значениях pS, когда влияние объемных зарядов на развитие пробоя незначительно.
Теория ударной ионизации рассматривает условия, приводящие к существенному увеличению концентрации электронов в зоне проводимости диэлектрика. Сам акт ударной ионизации обычно представляют следующим образом. Если обеспечены условия, при которых А В, то электрон, разгоняясь в электрическом поле, непрерывно увеличивает свою энергию А.
Теория ударной ионизации рассматривает условия, приводящи & к существенному увеличению концентрации электронов в зоне проводимости диэлектрика. Сам акт ударной ионизации обычно представляют себе следующим образом. Если обеспечены условия, при которых А — В, то электрон, разгоняясь в электрическом поле, непрерывна увеличивает свою энергию А. Как только АЕ становится больше энергии ионизации /, равной ширине запрещенной зоны, то этот электрон с некоторой вероятностью может передать энергию / другому электрону, относящемуся к валентной ( заполненной) зоне, переводя его при этом в зону проводимости. Таким образом происходит увеличение концентрации электронов в зоне проводимости.
Теория ударной ионизации рассматривает условия, приводящие к существенному увеличению концентрации электронов в зоне проводимости диэлектрика. Сам акт ударной ионизации обычно представляют следующим образом.
В теории ударной ионизации вводят коэффициент размножения т, показывающий, во сколько раз число ионизированных пар электрон — дырка больше числа ионизирующих электронов.
С точки зрения теории ударной ионизации материал электродов должен в минимальной степени ( влиять на пробивную напряженность жидкости. В случае упомянутых металлов теория не дает связи пробивной напряженности и величины работы выхода катода в жидкость, хотя в общем случае пробивная напряженнбсть чистой жидкости должна изменяться линейно в зависимости от логарифма величины концентрации свободных электронов ( ионов) на катоде. Весьма интересно отметить, что при наличии катода из электролита, который можно рассматривать как ионный эмиттер для жидкого диэлектрика, при увеличении концентрации электролита ( водный раствор LiCI) наблюдается падение пробивной напряженности диэлектрика.
В газообразных диэлектриках пробой носит чисто электрический характер и может быть объяснен теорией ударной ионизации. При этом происходит быстрое нарастание количества свободных ионов в газе ( образуется ионная лавина) и проводимость газа возрастает до больших значений.
В жидких диэлектриках ( чистых и тщательно обезгаженных) пробой также можно объяснить, исходя из теории ударной ионизации. Благодаря малому значению средней длины свободного пути в жидкости ( по сравнению с газами) пробивные напряженности могут достигать высоких значений: так, для очень ( истой жидкости при малых зазорах Сцр100 кВ / мм и выше.
Изображенная графически на рис. 4 — 6 зависимость электрической прочности газа от давления может быть объяснена согласно теории ударной ионизации как причины пробоя газа.
В дальнейшем оказалось, что ширина зоны проводимости кристалла ( см. Зонная теория) недостаточна для того, чтобы электрон смог приобрести энергию, необходимую для ударной ионизации в диэлектриках, обладающих широкой запрещенной зоной. Кроме того, теория ударной ионизации не дает представления о самом процессе развития Э.п., а лишь определяет критерий пробоя и оценивает величину электрич.
|
Плотность распределения — энергии электронов / ( We. |
Чем больше отношение Е / р, тем большая часть электронов при столкновениях способна ионизовать молекулы газа. Эту способность принято характеризовать числом актов ионизации, производимых электроном на пути в 1 см в направлении действия сил поля ( но не по действительному зигзагообразному пути, который проходит электрон); ее обозначают буквой а и называют коэффициентом ударной ионизации, или первым коэффициентом ионизации Туансенда по имени создателя теории ударной ионизации газов.
Ударная ионизация
Ударная ионизация в полупроводнике напоминает процесс, происходящий в газах. Этот механизм вступает в действие при сильных полях. Электрон, ускоряющийся полем на длине свободного пробега, может накопить энергию, достаточную для возбуждения электронов сначала из примесных центров, а при дальнейшем увеличении напряженности электрического поля и из узлов основной решетки полупроводника. Ударная ионизация может увеличивать концентрацию свободных носителей, если ионизирующий свободный электрон, возбудив связанный электрон, останется сам в возбужденном состоянии. Это будет выполняться, если кинетическая энергия ионизирующего электрона настолько велика, что после акта возбуждения второго электрона первый сохранит энергию, не меньшую энергии нижнего уровня зоны проводимости. Аналогичные условия имеют место и для дырочной ударной ионизации в валентной зоне полупроводника. Уравновешивание процессов возбуждения и рекомбинации приводит к установлению некоторой стационарной повышенной концентрации носителей, возрастающей с увеличением напряженности электрического поля.
Ударная ионизация вызывается соударениями электронов, двигающихся под воздействием электрического поля вдоль столба дуги, с нейтральными молекулами и атомами газа в дуговом промежутке.
Ударная ионизация возможна также через запрещенную зону обычного р-д-полупроводника при приложении к нему высокого напряжения.
Ударная ионизация электронами составляет основу пробоя газа. Однако электронная лавина сама по себе еще не достаточна для образования пробоя, так как не создает проводящего пути между электродами. Следовательно, кроме ударной ионизации электронами должны иметь место и другие явления, значительно влияющие на процесс формирования разряда. Характер этих явлений, сопровождающих ударную ионизацию электронами, определяет механизм пробоя газов.
Ударная ионизация или ионизация при столкновении частиц происходит при столкновении электронов с нейтральными атомами.
Ударная ионизация з резко неоднородных полях локализуется в областях наибольшей напряженности. При напряжении более низком, чем пробивное, возникает корона, а затем стриммер. Ударная ионизация связана с накоплением объемного заряда еще задолго до пробоя. Она определяет ход процесса даже при сравнительно низких напряжениях.
Ударная ионизация происходит в основном за счет соударений электронов с частицами газа.
Простая ударная ионизация для аргона подробно рассматривалась в § 13.3. Однако для воздуха процесс такого типа играет сравнительно малую роль. Ионизация в воздухе протекает в основном при химических или обменных процессах. Могут также образовываться более сложные молекулы, такие, как N02, но они играют сравнительно небольшую роль. Следовательно, в данном случае рассмотрение будет ограничено одноатомными и двухатомными частицами.
Ударная ионизация газа достигается пропусканием последнего через неоднородное электрическое поле На рис. 22 изображено распределение силовых линий в однородном и неоднородном электрическом поле.
|
Схема фотоэлектронной эмиссии. |
Поверхностная ударная ионизация ( рис. 6) вызывается ударами положительных ионов по поверхности катода, причем движение электронов ускоряется электрическим полем. Для однократной поверхностной ионизации ( освобождение из катода одного электрона) ион должен свободно пройти в поле напряженностью Е расстояние Хпи.
Обычно ударная ионизация играет заметную роль при сравнительно высоких градиентах напряжения, что имеет место при тех видах разряда, которые ( рис. 2 — 1) предшествовали дуговому. В дуговом разряде ударная ионизация незначительна.
Обычно ударная ионизация играет заметную роль при сравнительно высоких градиентах напряжения, что имеет место при та-унсендовском и тлеющем разрядах. В дуговом разряде ударная ионизация незначительна.
Ударную ионизацию начинают электроны как более подвижные. При достаточной напряженности ударную ионизацию могут производить и ионы. Для завершения пробоя воздуха, проявляющегося внешне в виде искры, проскакивающей между электродами, необходимо, чтобы лавинообразный процесс увеличения количества свободных зарядов в данном искровом промежутке привел к достаточной плотности свободных зарядов.
Ударную ионизацию начинают электроны более подвижные. При достаточной напряженности ударную ионизацию могут производить и ионы.
Ионизация и рекомбинация
Газы становятся проводниками лишь тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием каких-либо причин от атома отрывается один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электрон.
Распад молекул на ионы и электроны называется ионизацией газа.
Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появляются отрицательно заряженные ионы.
Таким образом, в ионизованном газе имеются носители зарядов трех сортов: электроны, положительные ионы и отрицательные.
Отрыв электрона от атома требует затрат определенной энергии — энергии ионизации Wi. Энергия ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме. Так, для отрыва первого электрона от атома азота затрачивается энергия 14,5 эВ, а для отрыва второго электрона — 29,5 эВ, для отрыва третьего — 47,4 эВ.
Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами.
Различают три вида ионизации: термоионизацию, фотоионизацию и ударную ионизацию.
Термоионизация происходит в результате столкновения атомов или молекул газа при высокой температуре, если кинетическая энергия относительного движения сталкивающихся частиц превышает энергию связи электрона в атоме.
Фотоионизация происходит под действием электромагнитного излучения (ультрафиолетового, рентгеновского или γ-излучения), когда энергия, необходимая для отрыва электрона от атома, передается ему квантом излучения.
Ионизация электронным ударом (или ударная ионизация) — это образование положительно заряженных ионов в результате столкновений атомов или молекул с быстрыми, обладающими большой кинетической энергией, электронами.
Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов вследствие их электрического притяжения. Это явление называется рекомбинацией. При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, например, свечение газа.
Если действие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени восстанавливается столько же молекул, сколько их распадается на ионы. При этом концентрация заряженных частиц в ионизованном газе остается неизменной. Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшится почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных частиц в газе — явление временное (пока действует ионизатор).
При отсутствии внешнего поля заряженные частицы движутся хаотически.