Таблица 25.2. Потенциалы возбуждения U, метастабильного состояния 11 и ионизации U. для различных газов

прямого возбуадения или ионизации. Например, для паров Hg соответствующая энергии для ступенчатой ионизации составляет ~ 5 эВ, а не ~10эВ.

Другой важной особенностью ступенчатых процессов является то, что их интенсивность пропорциональна квадрату разрядного тока, а не его первой степени, как это имеет место при возбуждении или ионизации прямым электронным ударом. Это связано о тем, что в ступенчатой реакции участвуют и электрон, и метастабильный атом, а число и тех и других пропорционально току.

Перейдем теперь от рассмотрения ударов первого рода, при которых потенциальная энергия частиц после реакции возрастает, к ударам второго рода, приводящим к ее уменьшению.

Как пример неупругих соударений второго рода рассмотрим ионизацию Пеннинга (поз. 5, табл. 25.1) смеси Ne с небольшим количеством Аг, процесс, часто используемый в приборах тлеющего разряда для понижения напряжений возникновения и поддержания разряда. Из табл. 25.2 видно, что потенциал ионизации Аг (15,75 В) несколько меньше, чем потенциал метастабильного уровня Ne (16,62 В), что делает энергетически возможным реакцию Ne" -н Аг Ne + Аг* + е. При этом метастабильный атом Ne" отдает свою энергию нейтральному атому Аг и последний ионизируется.

Поскольку разность значений для Ne и С/, для Аг мана, вероятность этого процесса оказьшается велика. В результате в данной смеси уже при сравнительно низкой напряженности электрического поля, недостаточной для ионизации, электроны соударяются с атомами Ne, которых в данной смеси подавляющее большинство, и переводят их в метастабильное состояние. В свою очередь метастабили, соударяясь с атомами Аг, ионизируют их.

Помимо генерации заряженных частиц в газоразрядном промежутке всегда происходит и обратный процесс - их исчезновение (рекомбинация). В этом случае избыточная потенциальная энергия превращается в кинетическую.

При рекомбинации положительного иона с электроном (поз. 6, табл. 25.1) число актов рекомбинации, происходящих в единице объема газа за время dt, пропорционально и концентрации положительных

ионов и концентрации электронов, т. е.

dn--ayii.ngdt, (25.11)

где п. - концентрация положительных ионов; щ - концентрация электронов; - коэффициент, пропорциональности, называемый

коэффициентом объемной рекомбинации, м с". Вероятность процесса, т. е. коэффициент , зависит от того, как отводится избыточная потенциальная энергия. При рекомбинации в тройном соударении эта энергия передается молекуле газа. Поэтому процесс рекомбинации в тройных соударениях оказьшается вероятным только при высоких давлениях. При рекомбинации с излучением избыточная энергия вьщеляется в виде кванта. Вероятность последнего процесса невелика и слабо зависит от давления.

25.2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЭМИССИИ В УСЛОВИЯХ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

Необходимым условием прохождения тока в ионном приборе является эмиссия заряженных частиц (электронов) из катода. Конкретный вид эмиссии в приборе связан с формой разряда, т. е. с используемым участком ВАХ.

В детекторах ионизирующего излучения и приборах тлеющего разряда применяются холодные катоды, эмиттирующие электроны под действием бомбардировки ионами, метастабильными атомами и фотонами. Процессы вторичной эмиссии электронов в условиях газового разряда объединяются под названием 7-процессов.

На катод попадают практически все ионы, поскольку эти положительно заряженные частицы притягиваются полем, и только определенная часть остальных незаряженных частиц, метастабильных атомов и фотонов, зависящая от телесного угла, под которым виден катод из места зарождения частицы.

Обычно 7-процессы не детализируют, а характеризуют обобщенным коэффициентом у, который определяется как вероятность освобождения из катода вторичного электрона на один попадающий на катод ион, но с учетом того, что одновременно катода достигают сопутствующие метастабильные атомы и фотоны. Такой подход оправдан с точки зрения расчетов основных параметров - напряжений возникновения и поддержания разряда.

Обобщенный коэффициент у можно представить в виде

7= 7; + frNryr + fmNmym , (25.12)

где Yj-, 7 J 7 - коэффициенты вторичной электронной эмиссии для положительных ионов, фотонов и метастабильных атомов соответственно; Nr - отношение числа соударений, приводящих к генерации

7,5 22,5 75 225 f/Pp.B-ri-.nn

772 J36 560

£/Ро,Вп-1.Па-

Рис. 25.3. Экспериментальные зависимости коэффициента 7 от приведенной напряженности электрического поля для разных материалов

Рис. 25.4. Экспериментальные зависимости коэффициента 7 от приведенной напряженности электрического поли при разных видах обработки катода

фотонов, к числу ионизирующих соударений; N„ - отношение числа соударений, приводящих к появлению метастабильных атомов, к числу ионизирующих соударений; и ~ геометрические коэффициенты, определяющие доли фотонов и метастабильных атомов, которые попадают на катод.

Экспериментально полученные зависимости 7 от отношения напряженности электрического поля к давлению Efp в газоразрядном промежутке в аргоне для различных материалов катодов приведены на рис. 25.3. Как отмечалось в § 25.1, параметр i/po характеризует среднюю энергию, приобретаемую электроном в электрическом поле на длине свободного пробега, т. е. перед элементарным процессом соударения, в результате чего от Л/ро зависит распределение энергии, идущей на возбуждение, ионизацию и излучение, а также кинетическая энергия иона перед ударом о катод. Поэтому обобщенный коэффициент 7 зависит от £/ро-

Иэ кривых на рис. 25.3 видно, что 7 сильно зависит от материала катода, причем катоды с маной работой выхода (Na, Ва) имеют большее 7, чем катоды с высокой работой выхода (Pt).

Характер зависимости 7 от £/Ро может быть объяснен следуюидим образом. При высоких значениях Efp > 30 В - м" • Па"* имеет место монотонное возрастание 7, что связано с увеличением коэффициента 7 с ростом кинетической энергии ионов, набираемой в электрическом поле. При снижении отношения Efp резко возрастают коэффициенты Ny uN в (25.12) и 7 снова увеличивается.

В реальных приборах существенное влияние на 7 оказьшают поверхностные пленки, зависящие от обработки электродов прибора. Кривые, иллюстрирующие влияние поверхностньгх пленок на 7 для медного катода и водородного наполнения, даны на рис. 25.4. Кривая 1, относящаяся к слегка окисленной меди, имеет явно выраженный максимум при низких значениях i/po- После обезгаживания катода в вакууме