Сыртқы электр өрісінде орналасқан газдардағы электрондар мен иондардың қозғалысы.

Сыртқы электр өрісі болмаған жағдайда, ионизация нәтижесінде түзілген электрондар мен иондар диффузияланады. Олардың өмір сүру уақыты (шексіз көлемде) рекомбинация процесімен анықталады. Егер газды камераны сыртқы электр өрісіне орналастыратын болсақ бұл процесс басқаша түрде болады. Өріс кернеулігі жеткілікті деңгейде үлкен болса,зарядтар электрод бағыты мен қозғалады. Зарядтардың бұл қозғалысы камерада және сыртқы электр тізбегінде ток тудырады. Ток тығыздығының шамасы

j=j++j-, ( 1.5)

Мұнда j+ және j- - оң және теріс иондардың қозғалуымен байланысты ток компоненттері . Иондардың рекомбинациясы мен олардың диффузиясы j+ және j- шамаларын төмендетеді. Егерде диффузия мен рекомбинацияны ескермесек, ток тығыздығын өрістің күштік сызықтарының өн бойындағы зарядтар қозғалысының орташа жылдамдықтары W+ және W- арқылы өрнектеуге болады. Бұл орташа жылдамдықтар дрейф жылдамдықтары деп аталады.

j+=n+eW+ , j-=n-eW-, (1.6)

Мұндағы n+ және n- -көлем бірлігіндегі иондар мен электрондардың cаны.

Өрістегі зарядтар дрейфін барынша нақты қарастырып өту қажет. Газ көлемі арқылы зарядталған бөлшектер өтіп, еркін электрондар мен иондар түзсін делік. Егер сыртқы өріс болмаса, онда соқтығысулар арасында иондар мен электрондар түзу сызықты қозғалыста болады. Олардың қозғалыстарын уақыт бірлігіндегі соқтығысулардың орташа саны ν, орташа жүру жолы λ және жылулық қозғалыстардың орташа жылдамдығы υ арқылы сипаттауға болады. Шынында да λ=υ⁄ν электр өрісі болған жағдайда, соқтығысулар арасында иондардың қозғалысына өріс әсер ететін болады. Сондықтан олардың траекториясы парабола түрінде болады [7].

Егер әрбір соқтығысу кезінде fE шамасына тең энергия мөлшерін жоғалтатын болса ( Е-ионның кинетикалық энергиясы), онда ∆t уақыт ішінде шығындар νfE∆t шамасын құрайды. Энергия шығындары өрістің әсерінен алынған энергиядан төмен болса, иондардың энергиясы өсе береді. Энергияның шығындалуы ионның кинетикалық энергиясына тура пропорционал болғандықтан энергияның өсуімен шығындалуы теңеліп, тепе-теңдік күй туындауы мүмкін. Тепе-теңдіктің қаншалықты тез орнығуы бір соқтығысуы кезінде жоғалатын энергия үлесіне f-ке тәуелді. Ауыр иондар үшін әрбір соқтығысу кезінде энергияның жартысы жоғалады деп есептеуге болады. Сол себепті ауыр иондар үлкен кинетикалық энергияға ие бола алмайды және электр өрісі, олардың қозғалысын сипаттайтын υ және λ орташа шамаларын өте аз өзгертеді. Электрондар болса керісінше, бір соқтығысу кезінде өз энергиясының аз үлесін жоғалтады.

Күйдің тепе-теңдігін және ион энергиясының өріс кернеулігіне тәуелділігі әлсіз байланыста екендігін ескеріп, дрейф жылдамдығы өріс кернеулігіне тура, газ қысымына кері пропорционал екендігін анықтаймыз. W+=μ+E/p, мұндағы μ+- иондардың қозғалғыштығы. Иондардың қозғалғыштығы өрістің бірлік кернеулігі және бірлік қысымдағы дрейф жылдамдығына тең шама. Орташа жылдамдық ионға әсер етуші eE/M күшпен және оның әсер ету орташа уақытымен анықталады( мұндағы-М ион массасы). Екі соқтығысулар арасындағы орташа уақыт орташа еркін жүру жолына тура, ал жылулық қозғалыстың орташа жылдамдығына кері пропорционал, яғни

W= (1.7)

Жоғарыда аталып өткендей, ауыр иондардың энергиясы электр өрісінің әсерінен өте аз өзгеретеді, Демек υ және λ шамаларды өрістің кернеулігіне тәуелсіз деп есептеуге болады. μ=eλ0/Mυ деп белгілесек

W=μ (1.8)

(1.6) және (1.7)- қатынастарын және иондардың кинетикалық энергиясы мен температурасының арасындағы байланыстың E= екендігін ескеріп, иондардың қозғалғыштығымен диффузия коэффициенті байланыс өрнегін жазамыз:

Μ= (1.9)

Оң және теріс иондардың қозғалғыштығының шамалары бір-біріне жуық 1.3 – кестеде бірлік қысым мен өрістің бірлік кернеулігіне сәйкес оң иондардың қозғалғыштығының шамалары берілген.

1.3- кесте.p=1атм және Е=1в/см кезіндегі оң иондардың қозғалғыштығы.

Ион Ауа H2 Ar He CO2
μ+, см2атм/(сек в) 1.37 6.7 1.37 5.1 0.79

 

Осы кестеде көрініп тұрғандай, молекулалар ауыр болған сайын олардың қозғалғыштығы төмен болады. Электрондар бір соқтығысу кезінде энергияны аз шығындайтын болғандықтан, электр өрісінде жылулық қозғалыс энергиясынан едәуір жоғарғы энергияға ие болады. Сол себепті орташа жүріс шамалары мен электрондар үшін соқтығысулар арасындағы қозғалу жылдамдығы электр өрісінің кернеулік шамаларына тәуелді болып келеді. Осы себептерге байланысты электрондар үшін дрейф жылдамдығы өріс кернеулігінің күрделі функциясы болып табылады. Бұл функцияның түрін екі шекті жағдайлар үшін алуға болады. Ең алдымен электронның электр өрісі есебінен ие болатын энергиясы оның жылулық қозғалыс энергияcының аз үлесін құрайтындай болып, Е/р шама өте кіші болсын. Мұндай жағдайда электрондар дрейфінің қозғалысы иондар дрейфінің қозғалысы секілді бейнеленіп, Е/р шамасына тура пропорционал болады. Ендігі кезекте электр өрісіндегі электронның орташа энергиясы жылулық қозғалыс энергиясынан едәуір жоғары деп қарастырайық. Өріс есебінен электрон ие болатын энергия газ молекулаларымен соқтығысулар кезінде толық жұмсалатын тепе-теңдік күйде болсын. Электрон 1 секунд ішінде өріс бойымен W жол жүріп өтіп, WeE энергиясына ие болады. Бұл уақыт ішінде ν соқтығысу болады, олардың әрбіреуінде газ молекулаларына берілген энергия fmυ2 шамасына тура пропорционал болады. Тепе-теңдік әсерінен

WeE=νfmυ2/2 (1.9)

Өріс әсерінен алынған электронның энергиясы mυ2/2 болуы салдарынан mυ2/2eE қатынасы әрдайым тұрақты болуы шарт. Сонда дрейф жылдамдығы ν ═υ ⁄ λ немесе тура пропорционал болады.

Кейбір газдар үшін электрондар дрейфінің жылдамдығының E/p-ға тәуелділігі 1.4-кестеде келтірілген.

Кесте.

Е/р х 10-6 см/сек үшін, дрейф жылдамдығы
H2 He N Ar CO2 CH4
0.125 0.25 0.50 1.0 2.0 5.0 - 0.65 0.9 1.2 1.6 2.6   0.3 0.4 0.57 0.82 1.3 3.0 - 0.51 0.62 0.87 1.31 2.7 0.31 - 0.40 0.73 - 4.0 - - - - 1.2 3.3 7.4 10.0 10.0 -

 

Кестеден көрініп тұрғандай , Е/p онша жоғары емес мәндері кезіндегі ең «жылдам» газдар СН4 және СО2 болып табылады. Берілген E/p мәндері кезінде көмірқышқыл газының аз маңызды қосындысы бар қоспадағы дрейф жылдамдығы таза аргон мен таза көмірқышқыл газына қарағанда жоғары болады.

Тәжірибелік жолмен орнатылған бұл құбылыс электронды жинақтаушы камераларды даярлау кезінде үлкен мәнге ие. Мұндай құбылыстың физикалық мағынасын электрондардың орташа еркін жүру жолының ұзындығы олардың энергиясына тәуелділігін ескерсек түсіну қиын емес. Инертті газдар үшін электрондардың атомдармен өзара әсерлесу қимасы, олардың энергиясы 3 эв (гелий үшін) және 13 эв (аргон үшін) болған кезде максимумға ие. Бұл энергиядан төменде қиманың шамасы өте тез кемиді және соның салдарынан соқтығысулар арасындағы электрoндардың орташа жүрісі өседі. Таза аргонда бірінші қозу дейгейдегі энергия жоғары болып келеді 11,5 эв, сол себепті тіпті үлкен емес сыртқы өрісте электрондар шамамен 10 эв-тан жоғарғы кинетикалық энергияға ие болады.

Көмірқышқыл газында, керісінше, төменгі энергиялы қозу деңгейлерінің үлкен саны көп болады, соның салдарынан көмірқышқыл газын аргонға шамалы қосудың өзі электрондар қозғалысының орташа энергиясын едәуір өзгертеді. Осылайша көмірқышқыл газын аргонға қосу соқтығысулар арасындағы электрондардың орташа еркін жүрісін ұлғайтады, соқтығысулар арасындағы қозғалыс жылдамдығын төмендетеді және соның салдарынан дрейф жылдамдығы артады.