ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ГАЗЕ

ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цели работы: ознакомление с характерными особенностями направленного переноса заряженных частиц в газе под действием электрического поля, с основными закономерностями токопрохождения в плоском двухэлектродном газонаполненном промежутке; определение подвижности ионов воздуха.

Основные сведения

Развитие некоторых технических направлений стимулировало интенсивное расширение области применения потоков заряженных частиц в атмосферных или близких к ним условиях. Такие потоки используются в ряде технологических процессов, таких как нанесение на металлы различных порошковых покрытий, нанесение жидкостей в аэрозольном состоянии («электроокраска»), электросепарация материалов, снятие статического электричества в текстильной и бумажной промышленности. Потоки заряженных частиц в атмосферных условиях необходимы в электрографии (лазерный принтер) для очувствления полупроводниковых носителей информации (процессом очувствления называется нанесение на поверхность носителя информации равномерного потенциального рельефа) и в ряде других случаев.

При движении в вакууме заряженные частицы под действием электрического поля приобретают скорость направленного движения , которая определяется пройденной разностью потенциалов U:

,

где q и m – заряд и масса заряженной частицы.

Качественно иным образом определяется скорость направленного движения заряженных частиц в газах, когда длина свободного пути мала и частицы при своем движении испытывают много столкновений в объеме между электродами. В этом случае скорость направленного движения будет зависеть не от пройденной разности потенциалов, а от локального значения напряженности электрического поля E. В простейшем случае скорость направленного движения и напряженность электрического поля связаны между собой зависимостью

, (6.1)

где b – коэффициент подвижности, или просто «подвижность», заряженных частиц.

Подвижность заряженных частиц обратно пропорциональна давлению газа p и определяется как

, (6.2)

где b ₀ – подвижность при единичном давлении (приводится в справочной литературе для различных газов). Величина b ₀ зависит от рода газа.

С учетом выражения (6.2) формулу (6.1) можно записать в виде

, (6.3)

откуда видно, что скорость направленного движения заряженных частиц в газе определяется помимо рода газа отношением E / p – характерным аргументом, также определяющим многие другие зависимости процессов в газовом разряде и плазме.

Выражение (6.3) справедливо для описания скорости направленного движения заряженных частиц в газе в режиме «слабого поля». Этот режим реализуется в тех случаях, когда скорость направленного движения существенно меньше скорости теплового хаотического движения

, (6.4)

где – определяется соотношением . Здесь k – постоянная Больцмана; T – температура частиц.

Если условие (6.4) не выполняется, зависимость скорости направленного движения от E / p может оказаться значительно более сложной, чем зависимость вида (6.3).

Рассмотрим двухэлектродный газонаполненный промежуток с плоскими электродами, функционирующий в режиме подвижности. Пусть один из электродов эмитирует заряженные частицы в газовую среду. Если же на другой электрод задать потенциал, собирающий эти заряженные частицы, то через промежуток потечет ток. Допустим, что заряженные частицы имеют отрицательный заряд. В этом случае уравнение Пуассона будет иметь вид

, (6.5)

где U – потенциал; х – координата, отсчитываемая от поверхности эмиттера; j – плотность тока, переносимого заряженными частицами; – диэлектрическая проницаемость газовой среды между электродами, которая практически равна диэлектрической проницаемости вакуума. При составлении уравнения (6.5) учтено, что E = – dU / dx.

Анализировать уравнение (6.5) будем при следующих граничных условиях:

; , (6.6)

где L – расстояние между электродами.

Равенство нулю производной от потенциала по координате на поверхности эмиттера предполагает его неограниченную эмиссионную способность. Это, конечно, идеализация реального эмиттера, но она оправдывается, если эмиссия заряженных частиц из катода многократно превышает ток, реально протекающий между электродами.

Граничные условия (6.6) как по форме, так и по существу аналогичны тем, которые принимаются при выводе закона степени 3/2 для вакуума. Ввиду этого вольт-амперная характеристика, полученная из решения уравнения Пуассона (6.5) с граничными условиями для газонаполненного промежутка, функционирующего в режиме подвижности (6.6), должна быть аналогом закона степени 3/2. Указанную вольт-амперную характеристику можно представить в виде

, (6.7)

где j ₀ – плотность тока, ограниченного пространственным зарядом носителей тока.

Анализ уравнения Пуассона позволяет найти выражение для напряженности электрического поля в зависимости от координаты в виде

. (6.8)

Используя формулы (6.1) и (6.8), выражение для вольт-амперной характеристики (6.7) можно представить в виде

, (6.9)

где – скорость направленного движения заряженных частиц в плоскости коллектора при х = L.

Представление вольт-амперной характеристики в виде (6.9) обладает одной интересной особенностью, которая заключается в том, что если в таком же виде представить вольт-амперную характеристику для вакуума или промежуточных давлений, при которых режим подвижности, строго говоря, не выполняется, то все равно получаются формулы, аналогичные формуле (6.9) и отличающиеся от нее лишь числовым коэффициентом. Кстати, и различие в значениях числовых коэффициентов, как правило, меньше, чем точность величин, найденная в экспериментах. Это обстоятельство делает формулу вида (6.9) удобной для экспериментального определения скорости направленного движения заряженных частиц в электрическом поле.

Описание экспериментальной установки. Установка состоит из макета плоского двухэлектродного промежутка, обеспечивающего питание электродов и измерение токов и напряжений. Схема установки представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Электрическая схема установки
Рис. 6.2. Вольт-амперные характеристики плоского промежутка при различных значениях тока источника ионов	Рис. 6.3. Зависимости тока в ускоряющем промежутке от тока источника ионов

Макет имеет три электрода. Электрод 1 представляет собой многоострийный коронатор. Совместно с сетчатым электродом 2 он образует источник ионов, работающий в режиме коронного разряда. Для повышения однородности плотности потока ионов по поперечному сечению последовательно с каждым из 16 острий включается резистор сопротивлением 5,1 МОм каждый. Образованные в ионном источнике заряженные частицы диффундируют в плоский двухэлектродный промежуток, образованный электродами 2 и 3. Электрод 3 выполняет роль коллектора. Коллектор установлен на подвижной платформе, что позволяет изменять ширину зазора между электродами 2 и 3.

Типичный вид снимаемых характеристик показан на рис. 6.2 и 6.3.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством экспериментальной установки.

2. Снять вольт-амперную характеристику источника ионов (промежутка между электродами 1 и 2).

3. При фиксированном значении расстояния L между электродами 2 и 3 снять зависимость I ₂ от U ₂ при постоянном значении ионного тока I ₁, генерируемого в источнике ионов.

4. Повторить измерения по п. 3, изменив значение тока I ₁.

5. Снять зависимость тока I ₂ от производительности ионного источника, оцениваемой током I ₁ при фиксированных значениях U ₂ и L. Типичный вид зависимости I ₂ от I ₁ показан на рис. 6.3.

6. Повторить измерения по п. 5 при новых значениях U ₂ и L.

Количество измерений по пп. 3 и 5 согласовывается с преподавателем.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Теоретическая часть.

3. Схема и описание работы экспериментальной установки.

4. Результаты экспериментальных исследований.

5. Результаты обработки экспериментальных данных.

По зависимости I ₂ от I ₁ (рис. 6.3) определяется значение тока I ₂₀ и по известной площади поперечного сечения потока ионов S _п (2 см²) вычисляется значение j ₂₀ – плотность тока насыщения. Скорость направленного движения заряженных частиц вычисляется по формуле (6.9) при известных значениях j ₂₀, U ₂ и L. При построении графика зависимости от напряженности электрического поля в плоскости коллектора Е (L) значения последней вычислять для различных режимов по формуле (6.8). По вычисленным значениям и Е (L) определяется значение коэффициента подвижности b в условиях эксперимента. Используя полученное значение b, с помощью формулы (6.7) рассчитывают значение тока в промежутке для условий, при которых выполнялись измерения.

6. Выводы о проделанной работе.

Лабораторная работа № 8

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: