Электрические явления в вакууме
Электрические явления в вакууме
Прохождение электрического тока через газы при приложении разности потенциалов связано с перемещением электронов и положительных ионов. При отсутствии электрического поля энергетическое распределение электронов, ионов и нейтральных молекул одинаково.
Среднюю длину свободного пути электронов в вакууме можно вычислить, так же как и для молекул, по Формуле (1.44).
Учитывая, что масса и диаметр электрона значительно меньше, чем у молекулы газа, формулу (1.44) можно упростить: здесь /12 — концентрация молекул газа; dr2— эффективный диаметр молекулы газа; L3 — средняя длина свободного пути электронов.
Сравнивая (3.28) с формулой для определения средней длины свободного пути молекул газа (1.38), можно заметить, что длина свободного пути электронов не зависит от их концентрации, а при одной и той же концентрации молекул газа длина свободного пути
число пар ионов, образованных одним электроном на пути в 1 м при давлении 1 Па. Зависимость s от ускоряющего напряжения (рис. 3.4) имеет характерный максимум, соответствующий энергиям электронов 100…150 эВ. Молекулы с большим атомным числом имеют более высокие значения эффективности ионизации.
электронов в 5,6 раза больше, чем у молекул газа или положительных ионов.
Ионизация молекул остаточных газов с образованием свободных электронов и положительных ионов возможна при воздействии на молекулу а-, ₽- или у-излуче-ния с энергией, превышающей энергию ионизации соответствующих газов (табл. 3.4).
Наиболее часто для ионизации остаточных газов используется электронная бомбардировка. Процесс ионизации остаточных газов характеризует эффективность ионизации молекул е, т. е.
Таблица 3.4
Энергия ионизации
|
n2 |
Не |
Ne |
Аг |
СО |
О2 |
Н2 |
|
|
Энергия ионизации, эВ |
14,5 |
24,6 |
21,6 |
15,8 |
14,1 |
12,6 |
13,6 |
Под действием разности потенциалов U3 ионы и электроны дополнительно к тепловой энергии 2>kT/2 получают энергию qU3, где q— элементарный заряд. Температура среды, сообщающая частицам энергию, равную энергии движения заряженных частиц, под воздействием электрического поля Т—2qUэ/ (3k).
Можно подсчитать, что электроны, ускоренные разностью потенциалов 1 В, имеют такую же энергию, как при температуре 7800 К без электрического поля.
Электропроводность газового промежутка при самостоятельном разряде (без дополнительных ионизирующих излучений) зависит от давления. Газ всегда содержит свободные электроны, появляющиеся, например, при взаимодействии с космическим излучением. При низком вакууме в связи с малой длиной свободного пути эти электроны под воздействием электрического поля не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул газа. Электропроводность газа в таких условиях мала.
При высоком вакууме в связи с малым количеством заряженных частиц электропроводность газового промежутка еще меньше.
В области среднего вакуума наблюдаются наибольшие значения электропроводности газа. В этих условиях свободные электроны осуществляют ионизацию молекул остаточных газов, а образующиеся при этом вторичные электроны поддерживают самостоятельный разряд.
Электросопротивление газового промежутка может характеризоваться пробивным напряжением t/пр, которое зависит от природы газа, расстояния между электродами и давления. Пробивное напряжение зависит от произведения давления газа на расстояние между электродами, а не от каждого из этих параметров в отдельности. Зависимость пробивного напряжения от произведения pd, где d — расстояние между электродами, показано на рис. 3.5 и имеет характерный минимум в области среднего вакуума. Эта зависимость известна под названием кривой П а ш е н а.
Прохождение электрического тока через разреженные газы в области среднего вакуума сопровождается свечением газа, зависящим от рода газа и давления. Это явление используется для качественного определения давления и состава газа. При давлениях порядка 103 Па разряд появляется между электродами в виде тонкого шнура, который при давлениях около 102 Па заполняет всю разрядную трубку. При этом в разряде от катода к аноду можно выделить несколько характерных областей: катодное темное пространство (Астона); светящийся слой, создающий катодное свечение; темное пространство (Крукса); зона отрицательного свечения; темная зона (Фарадея); положительный столб; анодное темное пространство.
Положительный столб имеет интенсивное свечение, по цвету которого можно судить о роде газа, заполняющего разрядный промежуток; воздух светится голубым цветом, кислород — желтым, азот — оранжевым, гелий — розовым, пары воды — голубовато-белым, аргон — фиолетовым, неон — красным.