Файл: Техника высоких напряжений учеб. пособие.pdf

■отличаться от средних значений как в меньшую, так и в большую сто­ рону. На рис. 1.3 приведены плотности распределения энергии элек­ тронов.

Согласно рис. 1.3 значительная часть электронов имеет энергию, в

несколько раз превышающую среднюю энергию электронов \Ѵе; при

данном Е/р доля электронов, имеющих энергию, большую Wе, равна СО

E(We) = I f(W e) dWe. Это обстоятельство и определяет, например,

возможность ионизации молекул кислорода при Е/р> 20 в/см-мм рт.

зависит от напряженности поля и плотности газа или, при постоян­ ной температуре, от давления газа. При увеличении давления газа уменьшается длина свободного пробега электронов, что приводит к уменьшению их энергии, и наоборот. Измерения показывают, что при постоянной температуре средняя энергия электронов зависит только -от отношения Ejp или в общем случае от отношения Е/8, где б — отно­ сительная плотность воздуха, равная

здесь ро и То— давление и температура газа при условиях, принятых за нормальные (р0=.760 мм pm. cm., Т0= 293 °К).

Ha рис. 1.4 приведена зависимость a/p=f (Е/р) для воздуха по опытным данным. Величина а/p при увеличении Е/р непрерывно воз­ растает, причем сначала скорость нарастания увеличивается, а затем-

13

убывает. Это замедление роста ~ объясняется тем, что при больших

отношениях Е/р средняя энергия электронов значительно превосходит энергию ионизации молекул газа и практически все электроны спо­ собны производить ионизацию.

т у - т р 1 /с м - м м р т .с т .

§ 1.5. ОБРАЗОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ

Если электроны обладают небольшой энергией, то наиболее вероя­ тен процесс образования отрицательных ионов путем захвата электро­ на многоатомной (например, двухатомной) молекулой без излучения. При этом энергия, освобождающаяся при образовании иона (для мо­ лекул кислорода около 1 эв), поглощается колебательной системой молекулы. Эта возросшая энергия колебания при очередном столкно­ вении передается другой молекуле, и электрон остается присоединен­ ным к молекуле, образуя отрицательный ион. Описанный процесс воз­ можен при средней энергии электронов в пределах 0—2 эв, имеющих место при 0^ E / p ^ 16 в/см-мм pm. cm. Напротив, если при столкно­ вении нон М~ получает энергию от возбужденной колебательной сис­ темы молекулы N w, равную энергии, освобождающейся при присоеди­ нении электрона, то существует определенная вероятность потери, этим ионом электрона (разрушение иона М~):

M - + N w-+M+N+e~.

В более сильных электрических полях (если Е/р> 20 в/см ■лис pm. cm) возможен также другой механизм образования отрицатель­ ных ионов — в результате распада молекулы газа от удара электрона, который обладает энергией большей, чем энергия диссоциации моле­ кулы. Например, для кислорода этот процесс будет протекать сле­ дующим образом:

0 2+ е~+ 5,17 эв—>-0-)-0 •

14

Измерения коэффициента присоединения электронов ц (величина, обратная пути, см, проходимому электронами до присоединения) вы­ полнены Гаррисоном и Гебеллом при больших энергиях (Е/р> 2) s/см-мм pm. cm.) в сухом воздухе одновременно с измерениями коэффициента ионизации а. Учет потери электронов при столкнове­ ниях с молекулами газа позволил уточнить результаты более ранних измерений а/p при Е/р <2.40 в/см-мм. pm. cm., т. е. в той области изме­

зационные процессы, тогда как в воздухе (из-за присутствия кислорода) при таких Е/р ионизационные процессы затухают (а<2т|). Напротив, для элегаза вследствие чрезвычайно большой величины т) отношение

Еі/р=\\7,5 в/см-мм pm. cm., что при р0—760 мм pm. cm. соответствует

£ і= 89 кв/см, т. е. примерно в четыре раза превосхолит-ледичинѵ F.f

я

для воздуха. Это обстоятельство и определяет чрезвычайно высокую электрическую прочность элегаза (см. § 15.10).

Вероятность захвата электрона нейтральной молекулой может быть сравнительно большой, особенно при малой его энергии. Наобо­ рот, вероятность распада отрицательного иона в слабоионпзованных газах оказывается малой, так как определяется вероятностью столк­ новения иона с возбужденной до необходимого колебательного уров­ ня молекулой газа. При увеличении концентрации заряженных ча­ стиц концентрация возбужденных молекул в газе увеличивается, а это приводит к увеличению вероятности распада отрицательных ионов, что подтверждается экспериментальными данными. По данным Крэгса, при изменении Е/р в пределах 40—50 в/см-мм pm. cm. коэффициент распада отрицательных ионов ß (величина, обратная пути нона до раз­ рушения), отнесенный к давлению газа р, увеличивается от 10~3 д»

ІО"-.

§ 1.6. РЕКОМБИНАЦИЯ ИОНОВ

При наличии в воздухе заряженных частиц противоположных зна­ ков возможна их взаимная нейтрализация — рекомбинация. Вероят­ ность рекомбинации положительного иона и электрона весьма мала вследствие значительной скорости перемещения электрона, ограничи­ вающей время воздействия поля положительного иона на электрон. Намного вероятнее рекомбинация ионов противоположных знаков, об­ ладающих относительно небольшими скоростями движения. При дав­ лениях, близких к атмосферному, основным является процесс реком­ бинации ионов при тройном соударении: M + + N~-\-L-*MN+L (или L w). При этом процессе освобождающаяся энергия, равная разности энергии ионизации молекулы М и энергии отрыва электрона от иона N, переходит к третьей молекуле L в форме кинетической энергии или энергии возбуждения.

Изменение концентрации рекомбинирующих ионов во времени

где я+ и п~— концентрации положительных и отрицательных ионов соответственно; ри — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом рекомбинации ионов.

В общем случае концентрации ионов не равны. Полагая, напри­ мер, я+ < п~ и обозначая я+ = яг, n~ — nt -\-a, получим после инте­ грирования дифференциального уравнения при начальных условиях t = 0, я = я0

16

В частном случае, когда концентрации положительных и отрица­ тельных ионов равны, полагая в (1.11) а-+0 и переходя к пределам, получим

возраста. Укрупнение ионов с возрастом приводит к уменьшению ко­ эффициента рекомбинации. В воздухе при атмосферном давлении ко­

духа по сравнению с плотностью при нормальных атмосферных ус­ ловиях коэффициент рекомбинации пропорционально уменьшается вплоть до давлений рта300 мм pm. cm.

1.7. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗЕ

Для того чтобы облучение газа светом с длиной волны Х=с/ѵ' (ѵ— частота; с— скорость света) привело к ионизации молекул газа, необходимо выполнение условия

где Wф — энергия фотона, дж\ h = 6,54-ІО-34 дж-сек— постоянная Планка; qe = 1,6-10-10 к — заряд электрона; Uг-— потенциал иониза­ ции, в.

Например, предельная длина волны излучения, ионизирующего молекулы кислорода (Д,-= 12,5 ß), А.= 985 А (іА = 1 0 -10 м).

Следует заметить, что вероятность ионизации молекул газа при поглощении фотона с достаточной энергией очень мала и имеет по­ рядок 10-3. Ионизировать молекулы газа может радиоактивное излу­ чение земной коры и атмосферы, космическое излучение. Если энер­ гия фотона значительно превышает необходимую (Ц7ф qeUt), то избыточная энергия либо выделяется в виде фотона с большей длиной волны, либо переходит в форму кинетической энергии образовавшего­ ся электрона (обычно называемого фотоэлектроном). Последние могут произвести ионизацию молекул газа при столкновениях.

При движении электронов в сильных электрических полях их столкновения с молекулами приводят к возбуждению последних. Мень­ шая энергия возбуждения по сравнению с энергией отрыва и большое число уровней возбуждения приводят к тому, что электрон в сильном поле производит значительно больше возбуждений молекул, чем иони­ заций. Переход возбужденных молекул в нормальное состояние со­ провождается излучением энергии. Если последняя превосходит энергию ионизации других молекул газа (см. табл. 1.1), то возможна ионизация газа собственным излучением. Излучение возбужденных

17