Лекция № 4

ЯГМА

Медицинская физика

Лечебный факультет

1 курс

2 семестр

Лекция № 4

«Физика газового разряда»

Составил: Бабенко Н.И.

2011 г.

1.Ионизация газов, ее сущность, виды и их характеристика.

Газ — это одно из состояний вещества, при котором его молекулы находятся на значительных расстояниях друг от друга по сравнению с жидкостями. Молекулы газа находятся в хаотическом тепловом движении. Особенностью газа является то, что он не имеет собственного объема и полностью занимает то пространство, в котором находится.

В обычных условиях газ является диэлектриком, и электрический ток не проводит. Чтобы газ стал проводником тока, в нем должны быть носители электрических зарядов. Эти носители образуются в результате ионизации газа

ИОНИЗАЦИЯ – это процесс отрыва или присоединения электронов к нейтральным атомам или молекулам.

Процесс образования в газе носителей электрических зарядов происходит под действием различных энергетических факторов. Если эти факторы действуют извне, они называются внешними ионизирующими факторами, или, просто, внешними ионизаторами.

К внешним ионизирующим факторам относятся:

- нагрев газа до высокой температуры,

- ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение,

- космические лучи,

- радиоактивное излучение земли,

- альфа и бета частицы,

- электрические поля.

В результате ионизации образуются электроны и положительно или положительно заряженные ионы. Положительные ионы образуются при потере электронов, а отрицательные — в результате присоединения свободных электронов к нейтральным атомам и молекулам. Положительный ион – это частица, в которую превращается нейтральный атом или молекула, если у неё вырвать электрон. Отрицательный ион – это частица, в которую превращается нейтральный атом или молекула, если к ней добавить электрон.

Кроме ионизации в газе постоянно происходит обратный процесс, процесс восстановления из свободных электронов и ионов нейтральных атомов и молекул. Этот процесс называется деионизацией или рекомбинацией.

Если между ионизацией и рекомбинацией устанавливается равновесное состояние, то такое состояние называется динамическим равновесием.

Динамическое равновесие - это состояние, при котором в единице объема газа и в единицу времени число образовавшихся ионов равно числу рекомбинированных.

Эффективность действия внешних ионизаторов оценивается числом пар ионов, образующихся в единице объема в единицу времени. Единицей измерения ионообразования является интенсивность ионообразования, которая обозначается J и равна числу пар ионов, образовавшихся в 1 секунду в 1см³ газа [1 пара ионов /см³ c].

В международной системе единиц СИ интенсивность ионообразования измеряется в кулонах в метре кубическом в секунду [ Кл/ м³ с]. Соотношение единиц:

1 пара ионов /см³ с=1,6*10^-19 Кл/м³ с.

В атмосферном воздухе суммарная интенсивность ионообразования от внешних ионизаторов составляет примерно 10-15 пар ионов/см³ с.

Количественной характеристикой рекомбинации является коэффициент рекомендации, который характеризует число рекомбинировавших ионов в единице объема за единицу времени. Обозначается коэффициент рекомбинации символом α. Его числовое значение составляет для разных типов ионов от 1,6 до 7,5*10 ^-6см³ с.

Важной характеристикой ионного состава атмосферы помещений является коэффициент униполярности К_у. Коэффициент униполярности вычисляется по формуле: К_у =п⁺/п^-

п⁺- число положительных ионов, п^- -число отрицательных ионов в 1 см³ воздуха. Коэффициент униполярности в случае динамического равновесия равен 1.

При наличии внешних источников ионизации происходит несамостоятельный газовый разряд. Однако существуют условия при которых несамостоятельный газовый разряд может стать самостоятельным разрядом. Самостоятельный газовый разряд является следствием ударной ионизации. Ударная ионизация - это ионизация, вызванная соударениями с нейтральными атомами и молекулами электронов, движущихся под действием внешнего электрического поля при условии, что кинетическая энергия движущихся электронов больше, чем энергия ионизации.

Если кинетическая энергия движущегося электрона недостаточна для ионизации, то при его столкновении с атомами и молекулами газа наблюдается их возбуждение.

Ударная ионизация предварительно возбужденной молекулы или атома другим электроном называется ступенчатой ионизацией. Энергия второго электрона может быть значительно меньше, чем энергия ионизации молекулы.

Ступенчатая ионизация по другому называется ионизацией последовательнымисоударениями.

Ступенчатая ионизация может наблюдаться при ионизации газа видимым светом (фотонами), энергия которых совершенно недостаточна для простой ударной ионизации.

2. Несамостоятельный газовый разряд, его вольтамперная характеристика и применение на практике.

Газовый разряд - это совокупность явлений и процессов, сопровождающих прохождение электрического тока через газ.

Современная теория и практика газовых разрядов выделяет 15 видов разрядов, из которых в медицинской практике и аппаратуре применяется около семи видов.

Несамостоятельный газовый разряд — это такой разряд, который возникает и существует только при постоянном действии внешнего ионизатора, если это действие прекращается, разряд заканчивается.

Чтобы получить несамостоятельный разряд на практике, нужно на разделенные газом электроды А и В наложить разность потенциалов V и плавно ее увеличить. В электрическую цепь включается измерительный прибор для регистрации значения тока и резистор, позволяющий ограничивать ток в газоразрядной цепи R. Электроды А и В помещены в стеклянный баллон для того, чтобы можно было исследовать процессы внутри колбы для разных газов и для разных давлений (Рис.1).

Рис.1 Схема установки для изучения газового разряда.

Вольтамперная характеристика разряда - это график зависимости тока через газ I от напряжения на электродах U (Рис. 2).

Вольтамперная характеристика строится в прямоугольной системе координат, где по вертикали откладывают значения тока, а по горизонтали— значения напряжения на электродах.

I

несамостоятельный самостоятельный

газовый разряд газовый разряд

В С Д

I_Н

А

внешняя ударная

ионизация ионизация

О U_В U_С U_Д U

Рис. 2 Вольтамперная характеристика несамостоятельного разряда.

Имеет три участка:

1. ОВ — участок закона Ома,

2. ВС — участок тока насыщения,

3. СД – участок начала ударной ионизации.

На участке ОВ с увеличением напряжения между электродами А и В ток возрастает примерно пропорционально приложенному напряжению между А и В, то есть по закону Ома. Практического применения в науке или медицине участок ОВ не имеет.

Это участок рекомбинации ионов и электронов. С увеличением напряжения рекомбинация уменьшается, и все большее количество электронов и ионов достигает электродов. Соответственно этому возрастает ток. Начиная с напряжения U_В рекомбинации нет, все ионы и электроны достигают своих электродам.

На участке ВС увеличение напряжения на электродах не вызывает нарастания тока. На этом участке рекомбинации электронов и ионов нет. Все образовавшиеся под действием внешнего ионизатора носители зарядов достигают электродов не успев рекомбинировать. Ток постоянен. Основной особенностью участка ВС является то, что с увеличением напряжения на электродах возрастает скорость и кинетическая энергия движущихся электронов до таких значений (точка С характеристики), когда становится возможной ударная ионизация. Участок ВС используется в ионизационных камерах регистрации радиоактивного излучения (рентгеновское излучение, гамма-излучение).

Участок начала ударной ионизации СД характеризуется тем, что на нем в результате столкновений первичных (от действия внешнего ионизатора) электронов с нейтральными атомами и молекулами образуются вторичные электроны, которые тоже разгоняются электрическим полем, и тоже ионизируют встречные атомы и молекулы. В результате число движущихся к аноду электронов лавинообразно нарастает, что приводит к нелинейному увеличению тока на участке ВС вольтамперной характеристики. Схема образования электронной лавины показана на Рис. 3.

Рис. 3. Электронная лавина.

На практике участок ВС используется в работе газонаполненных фотоэлементов, пропорциональных счетчиках альфа и бета частиц, медицинских дозиметрических приборов - радиометров и спектрометров.

З.Самостоятельный газовый разряд, его виды и их характеристика. Использование самостоятельного разряда на практике.

Самостоятельный газовый разряд - это такой разряд для существования которого нет необходимости в постоянном действии внешнего ионизатора

Этот разряд поддерживается / и развивается/ за счет электронных лавин ударной ионизации, фотоэлектронной эмиссии, термоэлектронной эмиссии при саморазогреве газоразрядного промежутка, а также вторичной электронной эмиссии при ударе ионов об катод.

Особенности самостоятельного разряда:

1. Самостоятельность, то есть независимость разряда от действия внешнего ионизатора;

2. Большие токи, чем у несамостоятельного разряда;

З.Большинство самостоятельных разрядов сопровождался свечением

газоразрядного промежутка.

Виды самостоятельного разряда классифицируются по разным признакам. Вид разряда определяется давлением газа, напряжением между электродами, формой электродов, напряженностью электрического поля.

(Справка: Напряженность электрического поля /E/ величина, равная отношению напряжения на электродах /V/ к расстоянию между ними/L/. Формула: E = V/L. Размер единицы напряженности "Вольт, деленный на метр", (В/м.)

По зрительному и слуховому восприятию самостоятельный разряд деляг на:

- тихий,

- тлеющий,

- дуговой.

Кроме того существуют:

-искровой разряд,

-коронный разряд (разновидность тлеющего разряда).

Тихий разряд является непосредственным продолжением тихого несамостоятельного разряда. Отличается от тихого несамостоятельного разряда большими токами. Свечение газа при тихом самостоятельном разряде очень слабое и сосредоточено около анода.

На практике тихий самостоятельный разряд применяется внепропорциональных счетчиках альфа и бета частиц (счетчики Гейгера-Мюллера).

Этот вид разряда также применяется в физеотерапевтической процедуре, которая называется «Электростатический душ» или "франклинизация".

Тлеющий разряд - такой, который происходит при низких давлениях газа (0,1 - 100 мм ртутного столба), характеризуется токами порядка 1-100 миллиампер и свечением газа.

Свет свечения определяется видом газа.

Особенности тлеющего разряда:

1. Свечение газа возникает только при определенном напряжении на электродах, которое называется напряжением зажигания разряда.

2. При возникновении свечения проводимость газоразрядного промежутка значительно возрастает. Поэтому напряжение горения разряда ниже, чем напряжение зажигания.

3. При увеличении тока через газоразрядный промежуток, напряжение на электродах остается постоянным.

Эта особенность тлеющего разряда используется на практике для стабилизации напряжения в медицинской аппаратуре.

Практическое использование тлеющего разряда:

1. В ртутно-кварцевых лампах тлеющего разряда.

2. В осветительных люминесцентных лампах тлеющего разряда.

3. В газоразрядных стабилизаторах напряжения (стабилитронах).

4. В элементах индикации (неоновые лампы, цифровые индикаторные лампы).

Дуговой разряд — это самостоятельный разряд, который существует в условиях нормального и высокого до 150 атмосфер давления и характеризуется большими плотностями тока (до 100 А/м²).

Справка: Плотность тока - величина, равная отношению силы тока в проводнике к площади поперечного сечения. Единица измерения в СИ- ампер на метр квадратный" [ А/м² ]. На практике удобнее внесистемная единица "ампер на сантиметр квадратный" [ А/см²]. Особенности дугового разряда:

1. Интенсивный саморазогрев электродов и газоразрядного промежутка.

2. Интенсивная эмиссия электронов из катода вследствие их нагрева (термоэлектронная эмиссия).

З.Высокая проводимость газоразрядного промежутка вследствие почти 100% ионизации газа.

Справка: Сильно ионизированный газ назывыается газоразрядной плазмой.

4. Дуговой разряд характеризуется падающей вольтамперной характеристикой, которая означает, что при увеличении тока в дуге, напряжение на электродах дуги уменьшается.

Рис. 4. Падающая вольтамперная характеристика дугового разряда.

Практическое применение дугового разряда:

1. В физиотерапевтических облучателях с ртутно-кварцевыми лампами дугового разряда.

2. В высокоинтенсивных источниках света для специализированных медицинских приборов (люминесцентных и ультрафиолетовых микроскопах, эндоскопах, приборах с волоконной оптикой).

Искровой разряд - это самостоятельный разряд импульсного характера, происходящий в условиях нормального и высокого давления.

Для возникновения этого разряда необходима значительная разность потенциалов между электродами (несколько тысяч и десятков тысяч вольт) и большая напряженность электрического поля между электродами

Для искрового разряда характерен узкий разрядный канал с высокой плотностью тока (до миллионов ампер на сантиметр квадратный сечения канала). Температура в искровом канале мгновенно достигает 100000 градусов и выше. Этот приводит к резкому повышению давления газа в канале и как следствие, к разным звуковым эффектам (треск, звуковые удары).

Теория искрового разряда сложна и в одном из вариантов (стриммерная теория) сводится к тому, что возникновению разряда предшествует появление скоплений ионизированных частиц (стриммеров). Лавины стриммеров образуются в результате ударной ионизации и фотоионизации от излучения самого искрового разряда. Стриммеры образуют по ходу разряда проводящие мостики-каналы, по которым и устремляются потоки электронов. Степень ионизации газа в канале искры достигает 100%.

На практике искровой высокочастотный разряд применяется в физиотерапевтической процедуре, которая называется дарсонвализация. Аппараты дарсонвализации представляют собой искровые генераторы затухающих колебаний частотой 100 000 - 500 000 Гц. Напряжение на выходе аппарата дает искры длиной не менее 25 мм.

Коронный разряд наблюдается при острых тонких электродах, около которых появляется неоднородное электрическое поле высокой напряженности (30 000 вольт на сантиметр и выше). При такой напряженности около отрицательного острого электрода появляется свечение, которое называется короной. Коронный разряд характеризуется: небольшими токами и свечением в приэлектродной области.

Практическое применение коронного разряда

1. В стабилизаторах напряжения (стабилитронах) коронного разряда.

2. В генераторах аэроионов коронного разряда.

4.Устройство, принцип действия и трафик работы генератора на неоновой лампе.

Генератор на неоновой лампе - это простейший генератор несинусоидальных (релаксационных) колебаний.

Рис. 5. Схема генератора на неоновой лампе.

Генератор на неоновой лампе состоит из:

1. неоновой лампы,

2. токоограничивающего резистора Rо,

3. времязадающей цепочки, состоящей из резистора R и конденсатора С.

Принцип работы генератора

Основным элементом генератора является неоновая лампа. Неоновая лампа - это простейший прибор тлеющего разряда. Состоит из стеклянного баллона в котором помещены катод К и анод А в виде пластинок, стержней или цилиндров. Баллон заполнен неоном при низком давлении. То напряжение, при котором возникает тлеющий разряд в лампе, называется напряжением зажигания Vэ. То напряжение при котором тлеющий разряд в лампе прекращается, называется напряжением гашения V_Г.

Напряжение гашения всегда меньше напряжения зажигания.

Рис. 6. Устройство и обозначение на схемах неоновой лампы

При подключении генератора к источнику питания конденсатор С заряжается через резистор R в течении времени, зависящего от емкости конденсатора и сопротивления резистора. Как только напряжение на конденсаторе достигнет напряжения зажигания лампы, в ней возникает тлеющий разряд и конденсатор быстро разрядится через лампу до напряжения ее гашения. После этого конденсатор снова заряжается и циклы заряд - разряд повторяются.

Частота повторения циклов заряд - разряд зависит от значений емкости С и сопротивления R резистора времязадающей цепочки.

График работы генератора представляет зависимость напряжения на лампе от времени. Кривая графика имеет пилообразную форму. Амплитуда колебаний определяется напряжениями зажигания лампы (максимумы) и напряжениями ее гашения (минимумы). Периодколебаний генератора равен сумме времен заряда конденсатора t₁ и времени его разряда t₂.

Рис. 7. График работы генератора Vэ, - напряжение зажигания, V_r - напряжение гашения, t₁ и 1₂ - время заряда и разряда конденсатора Т-период колебаний /T=t₁ +t₂/.

Дата добавления: 2015-07-11