Материал: лекция 1_1

Наиболее важные ионизационные процессы иллюстрируются на данном слайде. К ним относятся:

1)ионизация нейтрального атома электроном, получившим необходимую для этого энергию в процессе ускорения в сильном электрическом поле

2)Ступенчатая ионизация электронным ударом, происходящая в два этапа – возбуждение (перемещение связанного в атоме электрона на более высокую орбиту) и ионизация

3)Фотоинизация – освобождение электрона из электронной оболочки атома путем поглощения энергии фотона.

Слайд 8.

Очевидно, что для осуществления ионизации – перевода электрона из связанного состояния в свободное необходимо затратить энергию, называемую энергией ионизации. В таблице приведены значения энергии ионизации для основных атомов составляющих молекулы воздуха азота и кислорода.

Приведенные на слайде неравенства математически выражают условия ионизации из нормального состояния атома, когда необходимо затратить энергию ионизации Wi, и из возбужденного состояния. В последнем случае для ионизации будет достаточна энергия численно равная разноси энергии ионизации и энергии возбуждения Wi-Wa.

Слайд 9.

Рассмотренные выше ионизационные процессы происходят в объеме газа. Вместе с тем существуют механизмы, играющую одну из определяющих ролей в электроразрядных явлениях, - освобождение электронов с поверхности отрицательно заряженного электрода (катода), называемое электронной эмиссией. Нетрудно заметить, что при знакопеременном напряжении, например напряжении промышленной частоты, оба электрода поочередно выступают в качестве катода.

Энергетический порог процесса эмиссии в 2-3 раза ниже энергии ионизации, а качестве поставщика этой энергии могут служить: положительные ионы, ускоренные в поле электродов до достаточной

величины энергии, световые кванты подходящей по энергетическому условию частоты.

Слайд 10.

Наконец, если электрическое поле в промежутке достаточное сильное, то под его непосредственным воздействием электроны извлекаются с поверхности металла (автоэлектронная эмиссия). При этом в сильных электрических полях начиная с 10 кВ/см плотность тока автоэлектронной эмиссии может достигать весьма больших значений, приведенных на данном слайде. Процессы автоэлектронной эмиссии в сильной степени зависят от качества обработки поверхности электродов. Для шероховатых электродов характерны микровыступы, являющиеся концентратами электрического поля и соответственно автоэлектронного тока. Если мощность, установки питающей такую систему электродов, достаточна, то плотность тока эмиссии в местах выступах может оказаться достаточной для плавления и испарения микровыступов. В этом случае говорят о взрывной эмиссии.

Слайд 11.

Электронная эмиссия из катода может происходить при нагреве последнего до температуры порядка 1000К. С точки зрения разрядных процессов в газовой изоляции высоковольтных устройств этот процесс, называемый теромоэлектронной эмиссией, интереса не представляет.

Отдельного рассмотрения заслуживает процесс образования отрицательных ионов при захвате свободных электронов нейтральными молекулами. Существуют газы, например SF6, молекулы которых имеют высокую вероятность захвата электрона («прилипания»). В этом случае вместо электрона в разрядном промежутке возникает тяжелый отрицательный ион, с ограниченными возможностями набора энергии в электрическом поле. При таком сценарии интенсивное развитие ионизационных процессов становится более ограниченным по сравнению с обычными газами. Газ, обладающий описанными свойствами, называется электроотрицательным. Отмеченный выше гексофторид серы имеет также техническое название – элегаз и применяется в различных элементах современной высоковольтной аппаратуры.

Слайд 12.

Электроразрядные явления в газе происходят в результате, образования и движения заряженных частиц. Основные процессы, приводящие к появлению заряженных частиц, рассмотрены выше.

Здесь рассматриваются особенности движения заряженных частиц в газе. При отсутствии электрического поля нет принципиального различия в движении заряженных частиц, например ионов, и электрически нейтральных атомов и молекул. Движение это носит хаотический характер и носит название теплового. В этом случае среднее смещение частицы из некоторой начальной точки равно нулю. В газах большую часть времни частица движется прямолинейно, периодически испытывая столкновения с другими частицами. На левом рисунке мы видим, что частица испытав лостаточное количество столкновений в итоге не получат заметного смещения вдоль оси x.

Ситуация изменяется если в газовом промежутке создано электрическое поле. В этом случае на заряженную частицу действует электрическая сила, равная произведению напряженности поля E на величину заряда частицы и направленная вдоль поля при положительном заряде частицы и против поля при отрицательном. Наличие наряду с хаотическим движением и столкновениями направленной силы, действующей на заряженную частицу, приводит к тому, что среднее смещение частицы за конечный отрезок времени отлично от нуля и направлено в сторону действия силы. Такое направленное движение, происходящее на фоне хаотического, называется дрейфовым движением или дрейфом. Скорость дрейфа vD оценивается как отношение описанного смещения к длительности отрезка времени наблюдения частицы. На скорость дрейфа влияют различные факторы, такие как величина поля, концентрация частиц, масса дрейфующей частицы и т.д. Названные характеристики определяют величину коэффициента подвижности K, связывающего напряженность электрического поля E и дрейфовую скорость частицы.

vD K E

Сделаем оценку коэффицента подвижности исходя из модели, в рамках которой будем считать, что частица массой m и зарядом q полностью теряет направленную скорость после каждого столкновения с другой частицой. В

Заряженные частицы, в особенности легкие электроны, в сильных электрических полях обладая высокой подвижностью, могут получить в электрическом поле энергию достаточную для ионизации атомов и молекул. Ранее мы рассмотрели схемы этих процессов. Важно, что в результате ионизации электронным ударом в месте реакции образуются уже два свободных электрона, которые под действием электрического поля начинают ускоряться и набирать энергию. При этом каждый из них способен на новую ионизацию. В результате, как показано на рисунке, происходит лавинообразное увеличение числа свободных электронов - образуется электронная лавина. Разумеется, не каждое столкновение электрона с нейтральной частицей приводит к ионизации. Для оценки ее интенсивности вводится коэффициент ударной ионизации α, численно равный количеству ионизаций, совершаемых электроном на единицы длины своего пути вдоль поля. Тогда увеличение полного числа электронов в лавине Ne при ее смещении вдоль оси x , будет описываться уравнением (1), решение которого

(2) показывает экспоненциальную зависимость числа электронов в лавине от пройденного ею расстояния. Важнейшим параметром здесь является коэффициент ударной ионизации α, величина которого зависит от вида газа, давления P, напряженности электрического поля E. Экспериментальные данные о коэффициенте ударной ионизации обобщаются с помощью формулы Таунсенда (2), где постоянные A и B зависят от конкретного газа. Численные значения этих постоянных для воздуха при различных значениях отношение E/P приведены на слайде. Приведенный там же график зависимости α(E) для воздуха при нормальных условиях показывает существенное возрастание коэффициента ударной ионизации при достижении в электрическим поле предпробивных значений. Характерным значением является α=10 см-1 , имеющее место при пробивной напряженности воздуха 30 кВ/см