§ 81. Несамостоятельный газовый разряд

Пусть газ, находящийся между электродами (рис 81.1), подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизирующего агента (например, рентгеновских лучей). Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы.

При не очень низких давлениях отщепившиеся электроны обычно захватываются нейтральными молекулами, которые таким образом становятся отрицательно заряженными ионами. Число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за секунду в единице объема, обозначим через .

Наряду с процессом ионизации в газе происходит рекомбинация ионов, т. е. нейтрализация разноименных ионов при их встрече или воссоединение положительного иона и электрона в нейтральную молекулу. Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов. Поэтому количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар ионов пропорционально квадрату числа имеющихся в единице объема пар ионов :

( — коэффициент пропорциональности).

Всостояниц равновесия число возникающих ионов равно числу рекомбинирующих, следовательно,

Отсюда для равновесной концентрации ионов (числа пар ионов в единице объема) пблучается следующее выражение:

Под действием космического излучения и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре, в 1 см3 атмосферного воздуха возникает в среднем несколько пар ионов в секунду. Коэффициент для Еоздуха равен Подстановка этих чисел в формулу (81.3) дает для равновесной концентрации ионов в воздухе значение порядка . Эта концентрация недостаточна для того, чтобы обусловить заметную проводимость. Чистый сухой воздух является очень хорошим изолятором.

Если подать напряжение на электроды, то убыль ионов будет происходить не только вследствие рекомбинации, но и за счет отсасывания ионов полем к электродам. Пусть из единицы объема отсасывается ежесекундно пар ионов. Если заряд каждого иона , то нейтрализация на электродах одной пары ионов сопровождается переносом по цепи заряда е. Каждую секунду электродов достигает пар ионов (S — площадь электродов, l — расстояние между ними; произведение равно объему меж электродного пространства). Следовательно, сила тока в цепи равна

Рис. 81.1.

Отсюда

где — плотность тока.

При наличии тока условие равновесия выглядит следующим образом:

Подставив сюда выражения (81.1) и (81.4) для , придем к соотношению

Плотность тока определяется выражением

где — подвижности положительных и отрицательных ионов (см. формулу (79.5)).

Рассмотрим два предельных случая — случай слабых и случай сильных полей.

В случае слабых полей плотность тока будет очень мала, и слагаемым в соотношении (81.5) можно пренебречь по сравнению с (это означает, что убыль ионов из межэлектродного пространства происходит в основном за счет рекомбинации). Тогда (81.5) переходит в (81.2), и для равновесной концентрации ионов получается выражение (81.3). Подстановка этого значения в формулу (81.6) дает

Множитель при Е в полученной формуле не зависит от напряженности поля. Следовательно, в случае слабых полей несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома.

Подвижность ионов в газах имеет значение Следовательно, при равновесной концентрации и напряженности поля плотность тока составит

(см. формулу (81.6); ионы предполагаются однозарядными).

В случае сильных полей слагаемым в формуле (81.5) можно пренебречь по сравнению с Это означает, что практически все возникающие ионы достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом условии соотношение (81.5) имеет вид

Отсюда

Эта плотность тока создается всеми ионами, порождаемыми ионизатором в заключенном между электродами столбе газа с единичным поперечным сечением. Следовательно, эта плотность тока является наибольшей при данной интенсивности ионизатора и заданном расстоянии между электродами. Ее называют плотностью тока насыщения

Вычислим при следующих условиях: (примерно такова скорость образования ионов в атмосферном воздухе при обычных условиях), Подстановка этих данных в формулу (81.8) дает

Этот расчет показывает, что проводимость воздуха в обычных условиях ничтожно мала.

При промежуточных значениях Е происходит плавный переход от линейной зависимости от Е к насыщению, по достижении которого перестает зависеть от Е (см. сплошную кривую на рис. 81.2). За областью насыщения лежит область резкого возрастания тока (см. показанный штриховой линией участок кривой). Это возрастание объясняется тем, что, начиная с некоторого значения Е, порождаемые внешним, ионизатором электроны успевают за время свободного пробега приобрести энергию, достаточную для того, чтобы, столкнувшись с молекулой, вызвать ее ионизацию. Возникшие при ионизации свободные электроны, разогнавшись, в свою очередь вызывают ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока. Однако процесс не утрачивает характера несамостоятельного разряда, так как после прекращения действия внешнего ионизатора разряд продолжается только до тех пор, пока все электроны (первичные и вторичные) НЕ достигнут анода (задняя граница пространства, в котором имеются ионизирующие частицы — электроны, перемещается к аноду). Для того чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо наличие двух встречных лавин ионов, что возможно только в том случае, если ионизацию ударом способны вызывать носители обоих знаков.

Рис. 81.2.

Весьма важно, что несамостоятельные разрядные токи, усиленные за счет размножения носителей, пропорциональны числу первичных ионов, создаваемых внешним ионизатором. Это свойство разряда используется в пропорциональных счетчиках (см. следующий параграф).