Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
P = I- (1—0,01 с/г)0Рг/Ч (5.5)
Считая с = 1%, время движения электронов 2 • Ю-6 сек, X0 = = 0,05 см, получаем P г» 0,15. Эффект оказывается весьма заметным, хотя концентрация атомов кислорода всего 1%.
Необходимо отметить, что электроотрицательные ионы могут образовываться не только при столкновениях электронов с атомами, но и при столкновении нейтрального атома с поверхностью металла.
5.2.2. Движение электронов и ионов в газе при наличии внешнего электрического поля
Образовавшиеся в результате ионизации электроны и ионы без внешнего электрического поля диффундируют, и время их жизни (в бесконечном объеме) определяется рекомбинацией. Картина су-
117 щественно изменяется, если объем, в котором происходит ионизация, поместить во внешнее электрическое поле. При достаточной напряженности электрического поля заряды движутся в направлении электродов. Это движение зарядов создает ток в камере и во внешней измерительной цепи. Плотность тока
/ = /+ + /", (5-6)
где /+ и — компоненты тока, обусловленные движением положительных и отрицательных ионов соответственно. Рекомбинация ионов и их диффузия уменьшают /+ и Если диффузией и рекомбинацией пренебречь, то плотность тока можно выразить через средние скорости движения зарядов вдоль силовых линий ПОЛЯ W+ и w~. Эти средние скорости называются скоростями дрейфа. Очевидно, что
j+ = n+ew+, j~ = n~ew~, (5.7)
где п+ и п~ — количество ионов и электронов в единице объема (плотность ионов, электронов).
Имеет смысл более подробно рассмотреть дрейф зарядов в электрическом поле. Пусть в некоторый момент в объеме газа прошли заряженные частицы и образовали свободные электроны и ионы. Если внешнего электрического поля нет, то ионы и электроны между соударениями движутся прямолинейно. Их движение можно характеризовать средним числом соударений в единицу времени v, средним свободным пробегом между соударениями Я и средней скоростью теплового движения v. Очевидно, что X = v/v. Когда имеется внешнее электрическое поле, то ионы и электроны движутся уже под его действием, их пути становятся параболическими и за время между двумя соударениями ионы и электроны смещаются в направлении соответствующих электродов. Оказывается, что сравнительно быстро устанавливается средняя скорость движения ионов и электронов к электродам при постоянном электрическом поле.
Основное различие в дрейфе электронов и ионов заключается в том, что для ионов можно считать, что внешнее электрическое поле практически не изменяет их средней энергии и, следовательно, V и X. Для электронов, напротив, внешнее электрическое поле заметным образом изменяет энергию электронов и, следовательно, величины V иХ. Это можно пояснить следующими рассуждениями. Электрическое поле сообщает энергию зарядам (ионам и электронам). Эта энергия пропорциональна смещению зарядов вдоль поля в единицу времени, т. е. weE. За это же время произойдет v соударений зарядов с нейтральными атомами и молекулами, в результате чего будет потеряна энергия, равная vfE (Е— кинетическая энергия заряда). Пока потери энергии меньше, чем ее рост в результате движения электронов в электрическом поле, энергия зарядов увеличивается. Равновесие между приростом и потерями энергии наступает в основном потому, что потери энергии при одном столкновении пропорциональны кинетической энергии иона. Насколько быстро наступает равновесие, зависит от доли / энергии, теряемой в одном
118 столкновении. Для тяжелых ионов можно считать, что в каждом соударении теряется в среднем половина энергии. Поэтому тяжелые ионы не могут приобрести большой кинетической энергии и электрическое поле очень мало меняет средние значения v и X, характеризующие их движение. Электроны, напротив, при одном столкновении теряют малую долю своей энергии. Так, в благородных газах / 5? IO""3, в CO2 — / « 5 • IO-2. Следовательно, электроны в электрическом поле могут приобрести большую энергию, верхняя граница которой определяется нижними энергетическими уровнями атомов, возбуждаемыми при неупругих соударениях.
После того, как установилась средняя скорость движения зарядов к соответствующим электродам, можно считать, что ее величина пропорциональна средней скорости в направлении электродов, приобретаемой зарядом между двумя соударениями. Скорость дрейфа, приобретаемая между двумя соударениями, пропорциональна силе еЕ, действующей на заряд, среднему времени ее действия <7> и обратно пропорциональна массе заряда М. Среднее время между двумя соударениями пропорционально среднему пробегу (в условиях равновесия) и обратно пропорционально средней скорости движения заряда (в условиях, когда его средняя энергия установилась), т. е.
W да еЕ(0/М да eEXop/(Mpvp). (5.8)
Полагая, что ионы не изменяют своей энергии в результате воздействия электрического поля, можно считать, что X0 и V не зависят от напряженности электрического поля Е. Это значит, что Aop и ор равны соответственно X0 и V, которые имеют место для случая теплового движения ионов без внешнего электрического поля. Обозначая ja = eXJ (Mv), получаем
