Види іонізації

Розрізняють об'ємну й поверхневу іонізації. Об'ємна іонізація - утворення заряджених часток в об'ємі газу між електродами. Поверхнева іонізація - випромінювання (емісія) заряджених часток з поверхні електродів.

Об'ємна іонізація підрозділяється:

1) ударна іонізація;

2) східчаста іонізація;

3) фотоіонізація;

4) термоіонізація.

Ударна іонізація - зіткнення електрона з нейтральним атомом або молекулою. Якщо до проміжку між електродами в газі прикладена напруга, то заряджені частки крім теплової швидкості здобувають під дією електричного поля спрямовану швидкість

V=kЕ, (1.8)

де

V — швидкість, см/с;

k — коефіцієнт пропорційності, що одержав назву "рухливість" — швидкість дрейфу зарядженої частки в електричному полі з Е = 1 В/см, [см²/(В·с) — размерность подвижности k ]:

k_ел ≈ 400 див²/(В·с) — подвижность электронов;

k _ион ≈ 2 див²/(В·с) — подвижность ионов;

Е — напруженість зовнішнього електричного поля, В/см.

При цьому кінетична енергія часток може бути істотно більше теплової енергії й достатньої для здійснення ударної іонізації нейтральних часток. Умова іонізації може бути записане у вигляді:

(1.9)

де

m — ефективна маса зарядженої частки, кг (m _эл =9,1×10 ^{- 31} кг – ефективна маса електрона; m _прот = 1,7×10^-27 кг — ефективна маса протона);

V — швидкість руху зарядженої частки, м/с;

W _И — енергія іонізації нейтрального атома або молекули, ев.

Тому що швидкість електронів значно більше швидкості іонів, те ударна іонізація іонами малоефективна й визначальної є ударна іонізація електронами.

На мал. 1.3, а наведена схема ударної іонізації електроном.

Умовою ударної іонізації електроном є:

(1.10)

де

m ₁ — маса електрона;

V ₁ — швидкість електрона;

W _И — енергія іонізації молекули (атома).

Східчаста іонізація відбувається тоді, коли енергія першого, що впливає на нейтральний атом або молекулу електрона приводить атом тільки в збуджений стан, тобто енергія електрона недостатня для іонізації. Вплив другого електрона на збуджений атом або молекулу приводить до іонізації. Час між впливом першого й другого електронів повинне бути не більше часу знаходження нейтрального атома або молекули в збудженому стані. На мал. 1.3, б, наведена схема ступінчатої іонізації. Умовою східчастої іонізації є:

(1.11)

де

m ₁ — маса електрона;

V ₁, V ₃ — швидкості електронів;

W _И — енергія іонізації молекули (атома).

Для здійснення фотоіонізації в об'ємі газу енергія фотонів, випромінювана збудженими атомами або молекулами, повинна бути більше енергії іонізації при поглинанні фотона нейтральним атомом або молекулою. Цей процес успішно здійснюється в суміші газів (повітря). При фотоіонізації можлива й східчаста іонізація. На мал. 1.3, в, показана схема фотоіонізації.

Умовою фотоіонізації є

h ν ≥ W _И, (1.12)

де

h — постійна Планка,

ν - власна частота фотона.

Термоіонізація обумовлена тепловим станом газу й може відбуватися в результаті наступних актів:

1) звільнення електрона при зіткненнях між атомами й молекулами при високих температурах;

2) фотоіонізація нейтральних атомів і молекул, збуджених у результаті теплової взаємодії при високих температурах;

3) іонізація при зіткненні електрона з нейтральним атомом або молекулою при високих температурах.

У газі при тепловому русі відбувається дисоціація молекул раніше, ніж відбудеться іонізація, тому що енергія дисоціації менше, ніж енергія іонізації. У табл. 1.2 як приклад наведені енергія дисоціації й іонізації для деяких газів.

 

Рис. 1.3. Схеми об'ємної іонізації газу: а) ударна іонізація, б)

східчаста іонізація, в) фотоіонізація; е — елементарний заряд електрона (е=1,6×10^–19 Кл), m — маса зарядженої частки

 

Таблиця 1.2

Енергії дисоціації й іонізації

Молекула	Енергія дисоціації, еВ	Атом	Енергія іонізації, еВ
O2	5,17	O	13,6
N2	9,77	N	14,5

Поверхнева іонізація (емісія електронів) здійснюється за рахунок:

1) бомбардування поверхні катода позитивними іонами - вторинна електронна емісія (схема наведена на мал. 1.4 а); умова для виходу електрона з поверхні:

(1.13)

де

m _ион — маса іона;

V _ион — швидкість іона;

W _вых — енергія виходу електрона.

2) променистої енергії, що опромінює катод, - ультрафіолетове світло, рентген, випромінювання збуджених атомів і молекул в об'ємі газу між електродами - фотоемісія (схема наведена на мал. 1.4, б); при цьому, умова для виходу електрона з поверхні:

h ν ≥ W _вых, (1.14)

де

h — постійна Планка;

ν - частота випромінювання фотона;

W _вых — енергія виходу електрона.

3) нагрівання поверхні катода - термоелектронна емісія (схема наведена на мал. 1.4, в);

4) енергії зовнішнього електричного поля — автоелектронна або холодна емісія (схема наведена на мал. 1.4, г) можлива при напруженості електричного поля більше 3·10² кВ/см.

Для реалізації поверхневої іонізації необхідно, щоб енергія впливу була більше енергії виходу електрона з катода W _вых. Енергія W _вых нижче енергії об'ємної іонізації газу приблизно в 2 рази й більше й залежить від матеріалу електрода. Для мідних і сталевих електродів у повітрі робота виходу становить W _вых = 4,5 ев (зрівняй з табл. 1.2).

Рис. 1.4. Схеми поверхневої іонізації: а) іонізація іоном, б) іонізація квантом світла, в) термоіонізація, г) автоелектронна іонізація