Неупругое рассеяние электронов на атомах инертных элементов

 

При увеличении скорости электрона воздействие его на атом становится отличным от простой картины поляризации и его уже нельзя описывать без квантового рассмотрения атомных электронов. При достижении энергии электрона порогового значения, равного разности энергий основного  и первого возбужденного  состояний

,                   (8.13)

становится возможным (с некоторой вероятностью) возбуждение атома. Минимальная ускоряющая разность потенциалов , необходимая для сообщения электрону энергии , называется потенциалом возбуждения атома или резонансным потенциалом. С ростом энергии электрона становятся возможными переходы атома и в другие возбужденные состояния. Такие неупругие столкновения электронов с атомами впервые наблюдались в опыте Франка-Герца (см. работу 7). Вероятность  возбуждения атома в состояние с энергией  электроном с энергией  при неупругих столкновения сначала быстро возрастает с ростом энергии, а затем, достигнув максимума, убывает. Аналогично происходит возбуждение молекул. Атом или молекула после возбуждения электроном могут (при выполнении правил отбора) перейти в основное или нижележащие возбужденные состояния с испусканием света.

    При дальнейшем увеличении энергии электронов выше порогового значения  становится возможной ионизация атома – отрыв электрона от атома, который в результате этого превращается в однозарядный положительный ион. Ускоряющая разность потенциалов , необходимая для сообщения электрону энергии  и отрыва от атома одного электрона называется потенциалом ионизации атома, точнее первым ионизационным потенциалом. Приведем примеры потенциалов возбуждения для некоторых элементов: ртуть – 4.9 В, неон – 16.6 В, аргон – 11.6 В, ксенон – 8.7 В. Примеры потенциалов ионизации атомов: гелия – 24.5 В, ксенона – 12 В.

 

 

Изучение устройства газонаполненных электронных приборов на примере тиратрона.

 

Устройство газонаполненных электронных приборов, например, триодов (см. рис. 8.6), аналогично устройству электровакуумных приборов. При нагревании катода 1 прямого (рис.8.6а) или косвенного (рис. 8.6б) накала возникает термоэлектронная эмиссия. Вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него пространственный отрицательный заряд, а сам катод заряжается положительно. С увеличением этих зарядов все большая часть вылетевших электронов будет возвращаться обратно на катод. В конце концов, установится некоторое равновесное распределение плотности электронного облака, а некоторая часть электронов может достигнуть сетки 2 и анода 3.

Рис. 8.6. Условно-графическое изображение на электрических схемах триодов прямого (а) и косвенного (б) накала

 

При подаче на сетку или анод ускоряющего потенциала U электроны начинают отсасываться от катода и ускоряться, в результате анодный ток возрастает. В вакуумных приборах, согласно закону Богуславского – Ленгмюра, ток сначала растет пропорционально ускоряющей разности потенциалов в степени 3/2 (рис. 8.7):

,                                  (8.14)

а затем достигает насыщения  при больших значениях . Значение  определяется числом электронов, испускаемых катодом в единицу времени.

 

Рис. 8.7. Схематичный график вольтамперной характеристики электровакуумного прибора

 

В газонаполненных приборах из за столкновений электронов с атомами инертных элементов (обычно аргона или ксенона) зависимость  − вольтамперная характеристика (ВАХ), изменяется по сравнению с изображенной на рис. 8.7. В электронном пучке, движущемся под действием ускоряющей разности потенциалов , в результате большого числа столкновений с атомами формируется определенное распределение по энергиям, скоростям, а также по значениям проекции скорости на направление вектора напряженности электрического поля. Электроны с малыми энергиями рассеиваются при столкновениях на большие углы (см. рис. 8.5), и их движение носит хаотический характер, напоминающий броуновское движение. Электрическое поле, действующее на электроны в промежутках между столкновениями, вызывает медленное перемещение (дрейф) электронов в направлении, противоположном напряжении электрического поля. Из-за большого сечения рассеяния (см. рис. 8.4б) длина свободного пробега мала и электрическое поле увеличивает их энергию незначительно. Поэтому эта группа электронов сохраняет свою малую энергию. Движение более быстрых электронов (с энергиями выше 10 эВ) более упорядоченно, поскольку при упругом рассеянии на атомах направление их движения меняется незначительно.

В данной работе используется тиратрон - газонаполненная электронная лампа с двумя сетками (тетрод) [17-19]. Тиратроном (от греческого thyra – дверь) называется газоразрядный прибор с сеточным управлением моментом зажигания дугового или тлеющего разряда. Для зажигания разряда между анодом и катодом на управляющую сетку подаётся электрический сигнал. В отличие от вакуумных триодов, при снятии управляющего сигнала ток между анодом и катодом продолжается до тех пор, пока напряжение на аноде не уменьшится ниже напряжения поддержания разряда (то есть тиратрон «защёлкивается» в проводящем состоянии при однократной подаче управляющего импульса). В современной маломощной электронике тиратроны практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Тиратроны продолжают использоваться главным образом в мощных импульсных электрических цепях (в качестве коммутатора). В данной работе используется предназначенный для работы в преобразовательных и релейных устройствах тиратрон ТГ3-0,1/1,3*, наполненный ксеноном с давлением 0,1-10Па (10^–3–10^–1 мм.рт.ст.) (см. рис. 8.8).

 

а

б

в

Рис. 8.8. Внешний вид (а) и схема устройства (б) тиратрона ТГ1-0,02/0,5: 1 – подогреваемый катод, 2 – сетка, состоящая из двух параллельных стержней, 3 – анод (пластина), 4 – экран (вторая сетка), 5 – слюдяные пластины, 6 – геттер;

(в) обозначение и назначение выводов тиратрона ТГ3-0,1/1,3: 1 – первая сетка, 2 – катод, 3 и 4 – подогреватель (нить накала), 5 и 7 – вторая сетка, 6 – анод.

 

Тиратрон имеет оксидный катод косвенного накала, управляющую сетку, экранирующую сетку и анод. Экран (вторая сетка) полностью экранирует анод от катода и сетки и имеет только щелевую прорезь на пути разряда (экранировка с торцов достигается слюдяными пластинами). Конструктивная схема маломощных тиратронов показана на рис. 8.9.

 

Рис. 8.9. Конструктивная схема маломощных тиратронов: К – катод, П – подогрев катода, С – сетка, Э – экранирующая сетка, А – анод.

 

Расположение и форма электродов тиратрона (рис.8.10,): катода 1, управляющей сетки 2, экранирующей сетки с двумя щелями 3 и 3 и анода 4, позволяет получить в области между щелями узкий пучок равномерно движущихся электронов с энергией  и исследовать его изменение вследствие столкновений электронов с атомами.

 

Рис. 8.10. Расположение и форма электродов тиратрона ТГ3-0,1/1,3, (б) - вид сверху: 1 – катод, 2 – сетка, 3, 3' – экранирующая сетка, 4 – анод. Стрелками (а) и линиями (б) схематично показаны траектории электронов и их рассеяние на атомах (кружки, точки) при малых энергиях, не более 6 эВ, (А) и при энергиях больших 10 эВ (В), см. рис. 8.5.

Число электронов, проходящих за секунду через входную щель 3 - поток электронов  и соответствующий ток  пропорциональны ускоряющему напряжению в степени 3/2

; .              (8.15)

Электроны, столкнувшиеся с атомами газа и отклонившиеся при столкновении на большие углы (см. рис. 8.10а) выбывают из пучка и попадают на сетки. Через выходную щель 3 проходят электроны, не испытавшие столкновений, электроны, рассеянные при столкновении на малые углы (см. рис. 8.10б), и электроны, отклонившиеся на большие углы в плоскости щелей 3, 3^/, последние составляют малую часть выходящих электронов. В газе с концентрацией атомов  вероятность столкновения электрона с атомом на отрезке пути  составляет

.               (8.16)

Аналогично полному сечению рассеяния на любые углы  можно определить сечение  рассеяния на большие углы, приводящие к выбыванию электронов из пучка,  – среднюю длину пробега до столкновения с рассеянием на большие углы и вероятность выбывания электрона из пучка, попадающего в выходную щель, на отрезке пути :

.                     (8.17)

Сечение  близко к так называемому транспортному сечению столкновений: .                      (8.18)

где  – угол рассеяния, а скобки  означают усреднение по угловому распределению рассеянных электронов. Ослабление потока электронов в пучке, попадающем в выходную щель, на отрезке пути  составляет

.                  (8.19)

Решение этого дифференциального уравнения дает зависимость потока от расстояния  от выходной щели:

, (8.20)

и выражение для потока электронов , достигающих анода и анодного тока  в отсутствие задерживающего потенциала :

,     (8.21)

где  – расстояние между щелями,  мм. Отсюда следует выражение для сечения

,                  (8.22)

; .                  (8.23)

Таким образом, измерение вольтамперной характеристики  позволяет получить представление о характере зависимости сечений рассеяния  от энергии электронов . Сечение в произвольных единицах  с точностью до постоянной  находится по формуле

; ,          (8.24)

где  – минимальное значение выражения

 при 1 В.        (8.25)