第一章、放电气体中粒子碰撞

第一章 放电气体中粒子碰撞在气体放电中，粒子间的能量交换，电子、离子的产生，都与放电气体的粒子碰撞密不可分，下面就首先介绍放电气体中的粒子碰撞过程。1.1 气体碰撞的物理概念及放电气体中粒子的碰撞特性一、 弹性碰撞与非弹性碰撞的能量转移在普通物理中就介绍过碰撞的概念，碰撞可以分为弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞：参与碰撞的粒子在碰撞前后动能的总和不变，即参与碰撞的粒子没有内能变化。非弹性碰撞：参与碰撞的粒子碰撞前后总动能发生了变化，即碰撞前后粒子有内能变化。1、 弹性碰撞的能量转移实际的碰撞过程非常复杂，不易处理，而对心碰撞情况比较简单，所得能量转移结果也适合于处理复杂的碰撞过程。下面就以最简单的对心碰撞（弹性）来考察弹性碰撞的能量转移情况。所谓对心碰撞，就是碰撞前后粒子的运动速度方向不变或正好方向相反，这就变成了一维情况。而弹性碰撞满足能量守恒和动量守恒。由能量守恒得； （1-1-1）m1、m2为参与碰撞的二粒子的质量，-粒子碰撞前的速度，-碰撞后速度。 若第二个粒子碰撞前处于静止状态（例如，电子与中性粒子碰撞，加速离子与中性气体粒子的碰撞，电子或离子的运动速度很大，中性粒子相对于电子就相当于静止），上式变成： （1-1-2）由动量守恒得； （1-1-3）两式联立可得：， （1-1-4）第二个粒子由原来的静止状态通过碰撞获得的动能为： （1-1-5）从而也就得到了第一个粒子经历了弹性碰撞后，所损失的能量分数： （1-1-6） 在气体放电中，碰撞是一种统计效应，在对心弹性碰撞中，粒子1能量损失最大为，而非对心碰撞，粒子1的能量损失最小为0。则在弹性碰撞中，粒子1的平均能量损失分数应为： （1-1-7） 可见，在弹性碰撞中，第二个粒子从第一个粒子所获得的能量只是第一个粒子能量的一部分，其大小与参与碰撞的两个粒子的质量有关。 当（同种气体的离子与中性粒子碰撞）时，若为对心碰撞，第2个粒子获得的最大能量为：，即第一个粒子的碰撞前的动能全部转化为粒子2的动能。 当（电子与中性粒子碰撞）时，即第二个粒子从第一个粒子仅获得很小一部分动能。在气体放电中，参与碰撞最多的是电子与中性粒子的碰撞，由于电子质量远小于中性粒子质量M，能量损失分数可写成： （1-1-8）在所有的中性粒子中，质量最小的是H原子，其质量。可见非常之小。也就说，在各种放电气体中，电子的平均能量损失分数是非常小的，一般为量级，只是每次碰撞都会改变电子的运动方向，使得电子从阴极到阳极的实际运动路程比阴极到阳极的距离长几百倍。如果参与碰撞的是离子和中性粒子，二者质量相近，假设，则，可见放电气体中，离子在弹性碰撞中损失的能量分数比电子大几个量级。2、 非弹性碰撞能量转移根据非弹性碰撞过程内能的增大和减小，非弹性碰撞又可以分为两类；第一类非弹性碰撞：参与碰撞的两个粒子碰撞前后的总动能减小，其中某一个粒子的内能增大；第二类非弹性碰撞：两个粒子碰撞后，其中一个粒子释放出内能，使其变成另一个粒子的动能或内能。现在仍以对心碰撞为例，分析第一类非弹性碰撞过程中能量转移情况。仍假设，在第一类非弹性碰撞中（快电子与中性粒子碰撞，使中性粒子激发），粒子1的部分动能转变为粒子2的内能，根据能量守恒和动量守恒有： （1-1-9） （1-1-10）从（1-1-10）得出代入（1-1-9）得到带电粒子传递给中性粒子的能量为： (1 -1-11）令得到取极大值的条件： 得到取最大值的条件为： （1-1-12）代回（1-1-11）得到转化能量的最大值为： （1-1-13）对于电子与中性粒子的非弹性碰撞，由于。即电子的运动动能有可能全部转化为中性粒子的内能。需要说明的是，只有电子动能大于或等于中性粒子的激发能或电离能时，才会发生第一类非弹性碰撞，使中性粒子激发或电离。对于离子与中性粒子碰撞，即只有离子动能的一半可以转化为中性粒子的内能，同样，只有当离子的动能大于或等于中性粒子的激发能或电离能的二倍时，才会发生第一类非弹性碰撞，使中性粒子激发或电离。二、 放电气体中中性原子或分子的激发和电离不管是原子还是分子，其核外电子都只能处在特定的轨道上（半经典理论），所以原子、分子只能处在特定的能级上，且与核外电子的特定轨道相对应。比如，H原子，核外电子所处轨道，由主量子数n(n=1、2、3)决定，其对应的能量（能级）为。根据能量最低原理，H原子通常处在状态，称为基电子态。而为第一激发电子态，为第二激发电子态。处于激发电子态的粒子将自发的辐射一个能量为的光子，而回到基电子态。能够以发光形式跃迁到基电子态的激发电子态能级称为谐振能级，能级寿命一般为ns量级；也有的激发电子态不能通过发光的形式将能量释放出来而回到基电子态，这种激发电子态称为亚稳态，亚稳态的能级寿命一般为。一般亚稳态的粒子都是经过碰撞过程获得能量从基电子态跃迁到亚稳态，在气体放电中，亚稳态起者举足轻重的作用，这是因为亚稳态粒子的电离能比基电子态粒子的电离能低得多，更容易产生碰撞电离。在气体放电中，主要的激发和电离都来源于电子的碰撞。首先，电子在电场中被加速，电子经过电位差为的两点间加速后，电子获得的动能为： - +xVe图1.1 电子加速示意图 （1-1-14）电子加速示意图如图1.1。1、 电子与中性粒子的碰撞激发当被电场加速后的电子与原子、分子发生碰撞时，可以引起原子、分子的激发或电离。如果一个快电子通过碰撞将一个原子从基电子态W0激发到激发电子态Wn，则电子至少必须具有动能： （1-1-15）称为激发能（eV）。对应谐振能级（有偶极辐射跃迁的能级）的称为谐振激发电位Ur，对应亚稳态（无偶极辐射跃迁）的称为亚稳态激发电位Um。2、 电子与中性粒子的碰撞电离如果与原子碰撞的电子动能更大，可以使原子（或分子）的一个价电子被激发到远离原子核的轨道而成为自由电子，使原子（或分子）变成正离子和自由电子的过程叫做电离。为了使原子电离，电子必须具有的最低动能为： （1-1-16）-电离能，通常用eV表示，-电离电位。失去一个电子叫做一次电离，相应的电离电位用表示；失去二个电子叫做二次电离，相应的电离电位用表示；高速电子与气体原子在一次碰撞中，可以直接产生二次离子或多次离子，相应的多次离子产生的电离电位等于中性粒子经过一次电离、二次电离等多次电离的电离电位之和。3、 累积碰撞激发和累积碰撞电离处于亚稳态的原子，如果再一次被快电子碰撞，可能跃迁回基电子态，也可能跃迁到更高的激发态或者被电离，这种激发和电离称为积累激发或积累电离。积累过程在气体放电中起着重要作用，他可以使参与碰撞的带电粒子（主要是电子）的平均动能降低（首先被激发到亚稳态，然后进一步离化，所以电子能量可以小于离化能）。4、 分子气体的碰撞级联激发对于分子气体，其能级结构远比原子能级复杂，除了与原子一样具有基电子态、激发电子态外，在每一个电子态能级上又叠加大量的振动能级和转动能级，所以分子的总能量为电子态能量We、振动态能量Wv、转动态能量Wr的和： （1-1-17）所以在分子气体中，分子气体被激发时，不但分子的电子态能量要改变，分子的振动、转动能也要改变，这样气体分子激发时，两个分子态的能量差为：E r图1.2 双原子分子能级图 （1-1-18）且有。双原子分子的典型能级图如图1.2。所以在分子气体放电中，电子与分子的非弹性碰撞，首先激发的是转动能级（因为最小，低速电子就可以激发），其次是分子的振动能级，最后才是电子态激发。总体效果是；低速电子（能量小于激发电子态能量）就可以激发出高激发电子态粒子（低速电子与气体分子发生碰撞级联激发）。三、 碰撞截面 N A e图1.3 电子与气体层碰撞示意图在气体放电中，一个很重要的概念就是电子与气体原子、分子的碰撞截面，代表一个电子与一个气体原子或气体分子的碰撞几率，且与电子平均自由程紧密相关。假设具有一定能量的自由电子入射厚度、截面积为A的气体，因为电子的运动速度远大于气体粒子的运动速度，所以，相对于电子来讲，气体粒子保持相对静止。电子与气体层碰撞示意图如图1.3。假定气体粒子密度为N，则电子在该薄层内发生碰撞的几率正比于，反比于截面积A（若总粒子数一定），A越大，气体密度越小，所以碰撞几率越小。则碰撞频率可写成： （1-1-19）比例系数-碰撞截面，代表一个电子与一个分子发生碰撞的几率，单位为cm2。注意：不同于普通物理中的刚体碰撞。在电子与气体粒子（分子或原子）的碰撞中，只要电子与气体粒子接近到一定距离R时，发生了能量交换，就称为碰撞，其中R分子、原子与电子发生相互作用的最大距离。所以又把称为原子（或分子）被电子碰撞的碰撞截面。这样碰撞截面的概念即包含了作用半径的概念，又包含了粒子发生相互碰撞的几率。单位为cm2。为了给出碰撞截面大小的宏观概念，给出几种常见气体的碰撞截面。H原子：； a0玻尔半径H2分子：；He原子：；CO2分子：；可见原子或分子半径越大，碰撞截面越大，其量级为量级。有了碰撞截面的概念，就可以写出电子在气体中移动单位距离所发生碰撞的几率： （1-1-20）由此可以得到电子经历两次碰撞之间所经过的平均路程-平均自由程： （） （1-1-21）可见，电子的平均自由程与气体压强P成正比，这是容易理解的，。一般情况下，给出标准温度压强（0，133Pa）气体条件下，电子的平均自由程，则不同条件下的电子平均自由程可写成： （1-1-22）P0是折合到0的气压值。同理，单位路程内发生碰撞的几率或总碰撞截面亦可表达为： （1-1-23）-电子在标准温度压强（0，133Pa）下的总碰撞截面。在T=288K，P=760Torr=101080Pa条件下，电子在H2和He气中的电子平均自由程分别为：H2：；He：若电子以速度入射粒子密度为N的气体，则单位时间内碰撞发生的次数的平均值又叫做碰撞频率， （1-1-24）前面介绍的碰撞截面是指电子的总的碰撞截面，没有区分碰撞的种类。在实际情况下，电子与气体粒子发生碰撞时，可能产生弹性碰撞和非弹性碰撞（激发碰撞和电离碰撞）等，各种碰撞的截面分别称为弹性碰撞截面、激发碰撞截面、电离碰撞截面。且上述截面不仅与气体原子、分子有关，还与电子的动能有关，下节将分别进行讨论。作业：1、 带电粒子与中性粒子的碰撞可分为两种，弹性碰撞和非弹性碰撞。为什么在弹性碰撞中，电子的平均能量转移分数比正离子的平均能量转移分数大？而在非弹性碰撞中，电子可能转移的最大能量分数又比正离子小？2、 快电子与常态的Ne原子碰撞并使之激发，求此电子的最小速度为何？若电子动能小于此值，能否发生激发碰撞？为什么？（Ne的第一激发电位为16.62eV，1eV=1.6*10-19 J）。1.2 电子与重粒子的碰撞及相应的碰撞截面电子与重粒子（原子、分子）的碰撞可分为弹性碰撞、电离碰撞和激发碰撞，碰撞截面的大小与电子的运动动能大小直接相关，下面就此进行讨论。一、 电子与原子的弹性碰撞截面qel(*10-16cm2)14 11.6eV5.62.81. 40. 56 电子能量（eV）1 10 100 1000图1.4 Ar气弹性碰撞截面随电子能量的实验曲线在气体放电中，电子与气体粒子的碰撞过程是最常见的基本过程。如果电子能量很低（），电子与气体原子的碰撞只能是弹性碰撞。因为电子与原子的质量相差1480倍，电子经历一次碰撞传给原子的能量很小，电子的运动速度的绝对值几乎不变，只是改变运动方向。碰撞几率可以用弹性碰撞截面表示，的大小与原子的有效半径及电子动能有关，图1.4给出了电子在Ar气的弹性碰撞截面随电子能量变化的实验曲线。我们知道Ar原子的第一激发态的能量为11.6eV。从图中可以看出：电子能量很小时（小于激发能），而当电子能量等于Ar原子的第一激发能（11.6eV）时，弹性碰撞截面达到最大值；其后，随着电子动能的进一步增大，反而下降，这是因为，当电子动能大于激发能时，既有弹性碰撞存在，也存在着非弹性碰撞，从而导致弹性碰撞截面下降。即当电子动能等于中性粒子的第一激发能时，弹性碰撞截面达到最大值。二、 电子碰撞电离截面在气体放电中，电子碰撞电离过程是维持放电的重要因素。一个具有足够能量（大于离化能）的电子与原子、分子碰撞时，将会产生一个正离子和一个新电子，即： （1-2-1）电离碰撞使一个电子变成两个电子，两个电子经过电场加速获得动能，可以进行再次的电离碰撞。但是要产生碰撞电离，电子需要具有一定的动能离化能（例如Xe的离化能为12.13eV）。当电子能量低于离化能（）时，电离碰撞截面为零；当电子能量大于等于离化能（）时，电离碰撞截面随电子能量的增大而增大；当电子能量为510倍的离化能时，电离碰撞截面达到最大值；随后随电子能量 qei qei(pa02)6.01. 0 (a) (b ) 10 12 14 16 18 20 22 eV 0 200 400 600 800 eV 图1.5 Xe气中电离碰撞截面随电子动能变化的实验曲线继续增大而缓慢减小。Xe原子碰撞电离截面随电子能量的实验曲线如图1.5。电离碰撞截面一般用为单位来表示，其中-H原子的第一玻尔半径，所以习惯上采用H原子的截面作为电离碰撞截面的单位。对于惰性气体，随着原子量的增大，离化能降低，电离碰撞截面也随之增大。电子碰撞截面是各种碰撞截面的总和，则电离碰撞几率fi应为： （1-2-2）它表示电子与气体粒子碰撞时发生电离碰撞的几率，这样。电离碰撞几率与电子能量紧密相关，又称为电离函数，最大电离几率发生在510倍的电离能范围内，电离函数的启始点位于电离能处，fi随电子能量增大而增大，电离函数开始阶段变化很陡。上升沿可表示为： （1-2-3）其中U-以V为单位的电子能量，Ui电离电位，C-常数。下降沿可表示为： （1-2-4）a、b、c均为实验常数。对于惰性气体，原子量越大，fi也越大。三、 电子碰撞激发截面当电子能量大于放电气体的第一激发电子态激发能（eUe）时，比如H原子的第一激发态为10.198eV，电子与H原子可能会发生非弹性碰撞，电子将所带能量转移给H原子，使H原子跃迁到第一激发电子态，碰撞过程为： （1-2-5）与电离碰撞几率的定义类似，激发碰撞几率为： （1-2-6）Qee(*10-17cm2)100 10 20 30 40 50 60 eV图1.6 H原子第一激发态碰撞激发截面随电子能量变化曲线与碰撞电离截面一样，电子碰撞激发截面的大小，亦与电子能量紧密相关。当电子能量小于原子相对应的激发能量（）时，激发碰撞截面；只有当电子能量大于对应激发态的激发能时，激发碰撞截面，H原子第一激发态碰撞激发截面随电子能量的实验变化曲线如图1.6。H原子第一激发态激发能为10.198eV。当电子能量；当电子能量时，随着电子能量的增大，迅速增大；当电子能量时，碰撞激发截面达到最大值；而后随着电子能量的增大而缓慢减小。对于其他原子型气体也类似，例如He原子，第一激发态（亚稳态），激发能量19.8eV，其最大碰撞激发截面出现在电子能量为40eV左右（1.52*19.8eV）。对于激发函数曲线和电离函数曲线可以做如下解释： 激发函数曲线；具有一定能量（）的自由电子与气体原子或分子接近时，高速电子与气体原子中的价电子通过电场相互作用，使价电子的能量升高，而自由电子的动能减小，即通过场相互作用，自由电子将自己全部或部分能量转移给气体原子，使原子跃迁到激发态-碰撞激发； 电离函数曲线：如果自由电子具有较高的能量（），则电子靠近原子时，会使价电子克服原子核的引力场，促使价电子脱离原子轨道（能级）的能力更强，更有利于碰撞激发或电离，这就是为什么电离或激发函数曲线上升沿很陡的原因。从另一方面讲，自由电子与气体粒子进行能量交换，需要一定的相互作用时间，若自由电子的运动速度太大（），自由电子在原子附近很快飞过，来不急进行能量交换，以致不利于产生激发或电离。所以电子能量很大时，激发截面和电离截面反而随电子能量增大而下降。可以想象，合适的电子能量应对应合适的相互作用时间，此时激发或电离的效率才会最高。作业：为什么当电子动能大于第一激发态的激发能时，弹性碰撞截面qel会随电子能量的增大而减小？ 为什么当电子能量小于激发能（或电离能）时，碰撞激发截面qee（或电离截面qei）都为0？ 为什么激发函数曲线（或电离函数曲线）随电子能量增大均呈现为先增大，后减小的变化趋势？ E离解能 r图1.7 基电子态势能曲线及离解能四、 电子与分子气体的碰撞激发及离解 电子与气体分子的碰撞激发：如果电子与分子气体进行碰撞激发，由于分子的激发能远小于原子的激发能（转动能振动能电子态激发能，所以分子的激发阈值远小于原子的激发阈值。 电子与气体分子的碰撞离解：快电子与分子气体碰撞，不仅可以产生激发和电离，原则上如果电子具有超过分子离解阈值的能量，电子与气体分子进行碰撞，就有可能发生碰撞离解过程。双原子分子基电子态离解能大小可表示为图1.7。例如在有O2气体的辉光放电中，常见的电子碰撞离解有： （1-2-7）离解的正常结果是化学活性增强，因此具有比原来的气体分子更多的化学反应物。比如，金属表面的等离子体N化处理可表示为：，N原子渗入金属表面，可以提高金属表面的耐磨性。同样，快电子与气体分子碰撞，也可以发生离解电离过程，人们已经观察到过程。在放电气体中所发生的电子碰撞离解和离解电离的几率不同，因此两过程具有不同的离解截面。五、 带电粒子的碰撞电离过程比较在放电等离子体中，正离子的浓度与电子浓度相差无几，二者均可以在电场中被加速而获得能量，电子与正离子的碰撞那种占主导地位，是需要解决的问题。可以从以下几个方面考虑： 电子与正离子的碰撞截面不同：正离子的碰撞截面远大于电子，导致，故正离子很难加速到较大能量，而电子可以加速到很大能量； 电子与正离子在碰撞激发和碰撞电离中传递给中性粒子的最大能量不同：正离子与中性粒子的非弹性碰撞传递给中性粒子的最大能量只占具有动能的一半，而电子可以将所具有的全部动能传递给中性粒子；因此气体放电中，对碰撞电离起主导作用的是电子的碰撞激发和碰撞电离过程。上述介绍的电子、粒子碰撞激发、碰撞电离均属于第一类非弹性碰撞-粒子动能转化为粒子内能的碰撞。六、 第二类非弹性碰撞前面介绍的都是电子、正离子（带电粒子）碰撞放电气体中的原子、分子，使其激发或电离，此类碰撞称为第一类非弹性碰撞。反过来，激发态的原子或分子与慢电子或低能态的原子、分子碰撞，将激发能转移给其他粒子，而自身跃迁到较低能态，此类碰撞被称之为第二类非弹性碰撞。1、超弹性碰撞慢电子与激发态的原子或分子发生碰撞，使电子能量增大（变成快电子），而激发态的原子或分子跃迁到低能态或基态，称该过程为超弹性碰撞。可表示为： （1-2-8）2、激发态原子的共振能量转移亚稳态的原子A*与基电子态的原子B发生非弹性碰撞，若A与B的激发能比较接近，基电子态的原子B将从亚稳态原子A*中获得能量，而变为激发态的原子B*，而亚稳态的原子A*变为基电子态（或低电子态）的原子A，该过程可表示为： （1-2-9）为能量差，当时，该碰撞能量转移为共振碰撞能量转移，此时，能量转移的效率最高，能量转移截面积。而当时，能量转移几率可以忽略。且的碰撞比的碰撞容易发生。Um IP A B 在很多气体激光器中，采用共振能量转移方式，实现激光上能级粒子数的储备功能。例如He-Ne激光器，与激光上能级非常接近（），有，所以就相当于的储备库；再有CO2激光器也是如此，辅助气体为N2。原因是N2是同核双原子分子，基电子态的振、转能级间没有辐射跃迁，所以相当于亚稳态，且N2的振动能级与CO2激光器的激光上能级能量相近，故起到了激光上能级粒子储备的功能。所以共振能量转移碰撞是选择性激发的一种重要形式。3、潘宁电离如果亚稳态的粒子A*的激发能大于原子B的电离能，亚稳态的原子A*与基电子态的原子B发生非弹性碰撞，使基电子态的原子B电离，变成B+（或激发态的B+*），而亚稳态的A*原子变成基电子态（较低能态）的原子A。潘宁电离过程可表示为：或 （1-2-10）只要B原子的电离能低于亚稳态原子A*的激发能，该反应就可以进行，反应中多余的能量可以让所产生的由自由电子带走。潘宁电离在气体放电中有很高的应用价值，第一，利用潘宁电离原理在放电气体中掺入亚稳态能级高于电离能的原子，从而降低气体放电的电子温度Te（维持放电的电子能量）。同理，若样品气体有亚稳态能级，掺入电离能低于样品气体亚稳态能量的杂质气体，也能降低放电气体的电子温度。原因为何？电子的电离碰撞截面最大值出现在电子能量为510倍的电离能位置，而电子激发碰撞截面最大值出现在电子能量1.52倍激发能位置，如果在放电气体中，加入少量亚稳态激发能大于放电气体电离能的辅助气体，就可以调节放电气体的电子温度，这样对激发某一能级更有利，从而实现选择性激发。比如，He放电气体，亚稳态激发电位19.8eV（最佳激发电子能量为30eV左右），电离电位24.6eV，最佳电离电子能量为200eV；而加入少量Xe气（Xe的电离能15.8eV，纯Xe气的最佳电离电子能量为80150eV），而二者混合后，最佳电子碰撞电离能量变为30eV左右，达到了调节电子温度Te的目的。4、亚稳态粒子的互相碰撞电离人们在气体放电实验中，已经观测到了亚稳态原子相互碰撞的电离过程，最早观测到的是亚稳态Ar*（11.55eV）的互碰电离，互碰过程中具有足够的能量使其中一个原子电离（15.76eV），电离过程为：。在碰撞电离中，电子碰撞电离起着决定性作用。七、 其它电离形式除了上述介绍的碰撞电离外，还有光致电离、放射线电离、热电离等。虽然这几种电离形式在气体放电中不起主要作用，但在放电初始阶段可以起到放电的触发作用。1、光致电离气体分子或原子吸收光子能量而产生激发或电离，称为光致激发或光致电离。光致激发或光致电离的光子，可以来自外界的入射光，也可以是气体放电的内部光辐射。并不是所有的光波场都能引起光致激发或光致电离，只有光子能量超过放电气体的激发能或电离能的光子，才会引起光致激发或光致电离，即能引起光致激发或光致电离的光子能量应满足： 或 （1-2-11）若激发电位或电离电位均以V为单位，光波长以nm为单位，则能产生光致激发或光致电离的临界波长应满足： 或 （1-2-12）与光电效应类似，当光子能量小于放电气体粒子的激发能或电离能时，无论多强的光入射，均不会发生光致激发或光致电离。Qoi(10-17cm2) Ar气3210 hn100 80 60 40 20 nm 12.4 15.5 20.7 31 eV图1.8 Ar气光致电离截面随光子能量的变化曲线在所有的元素中，铯原子(Cs)的电离电位最低（3.89eV）。所以，能引起光致电离的光波波长一定在紫外或波长更短的X射线。图1.8为Ar的光致电离截面随光子能量的变化曲线。从图中可以看出，当光子能量小于阈值能量时，光致电离截面为0；当光子能量达到阈值能量时，光致电离截面从0突变到最大值；而后随着光子能量的增大而降低。原因就是，原子吸收光子而产生电子，可以看作是碰撞过程，既要满足能量守恒，又要满足动量守恒。我们知道光子的动量为：，所以电子能量等于阈值能量时光致电离截面最大，而随着光子能量的增大，必然导致所产生的电子具有较大动能，此时难以保证动量守恒，所以光子电离截面会下降。几种常见气体的光致电离临界波长见表1.1。表1.1 几种常见气体的光致电离临界波长原子气体临界波长（nm）分子气体临界波长（nm）He50.2N278.1Ne57.3H280.3Ar78.4CO286.3Kr88.5NO130.0Xe102.0O298.8H90.8Cs317.4在测量光致电离几率与入射光波长的关系曲线时发现，在光子能量小于光致电离的阈值能量（光波长大于临界波长）时，在某些光子能量处也会出现光致电离信号，这是累积光致电离效应，即两个光致激发的原子相互碰撞而产生了自由电子和正离子。2、热电离对于激发电位和电离电位比较低的碱金属蒸汽，例如铯（Cs）蒸汽的电离电位仅为3.89eV。当铯蒸汽被加热到3000K时，就会观测到高速运动的原子相互碰撞引起的激发和电离，且T越高，热激发和热电离越强。太阳内部的温度高达5000万K，太阳表面最低温度也达到6000K，所以太阳周围气层中的Ca原子几乎全部都处于电离态。当然热电离过程中亦存在着正离子与电子的复合。在高温星球气层中，热电离与复合过程达到了动态平衡，所以可以用热力学公式来描述。设电离度为x，则电离度x与温度T、气压P满足沙哈（Saha）公式： （1-2-13）式中P(Torr)，T(K)。在一般气体放电中，x（电离度）1，所以一般用Pa表示气压，则： 1-2-14）从上式可以看出，。对于气体来讲，只有当时，才会有可测量到的电离度。比如Cs（电离电位最低），时，电离度。研究热电离的Saha公式，只表明了电离度与温度的关系，不考虑热电离的微观过程。在一般的气体放电等离子体中（例如辉光放电），气体温度比较低，所以不考虑热电离过程，只是在高气压弧光放电或火花放电中，气体温度比较高，才会出现热电离现象。3、放射性射线引起的气体电离放射性射线包括：射线-高速流，速度约为，能量约为；射线-高速电子流，速度约为，能量约为；射线-高速的中子流相对电离度（7.5*10-3/cmPa）10080 a6040 g20 b0 v(108cm/s) 0 5 10 15 20 图1.9 三种射线在空气中的相对电离度三种射线的粒子能量都很大，足可以与气体碰撞产生电离。射线相当于超高速电子与气体原子的第一类非弹性碰撞，作用时间非常短，碰撞电离能力较低；射线为高速运动的中子流，相当于能量很大的光子引起的光致电离，对气体的电离作用十分明显；射线是高速运动的核，对原子的外层电子作用很强烈（碰撞截面很大）。在上述三种射线中， 射线电离作用最强。三种射线在空气中的相对电离度如图1.9。可以看出射线的粒子质量越大，相对电离度越高；这容易理解，因为质量越大，粒子半径越大，碰撞截面越大，所以电离度也就越大。在气体放电中，有时为了降低放电电源电压，或是在脉冲放电中缩短脉冲放电的上升沿，往往加入射线预电离装置。例如N2激光器，为了获得短脉冲稳定放电，就在放电室附近放置放射线物质。本章小结1、弹性碰撞与非弹性碰撞 弹性碰撞：没有内能变化的气体粒子间的碰撞； 非弹性碰撞：气体粒子间有内能变化的碰撞；2、电子碰撞电离：电离碰撞函数是电子能量的函数。 首先电子能量时，电离截面才会大于0，在电离能量为510倍时，碰撞电离截面达到最大值。3、电子碰撞激发：碰撞激发截面随电子能量变化，发生碰撞激发的必要条件是电子能量，激发截面最大值位于电子能量处。4、碰撞共振能量转移： ，当时，碰撞能量转移最大（10-14cm2），而当时，碰撞能量转移几率近似为0。且的碰撞比的碰撞容易发生。5、 潘宁电离：若放电气体中有A、B两种气体原子，原子A的亚稳态激发态A*激发能大于原子B的电离能，则亚稳态的A*原子与基电子态B原子发生碰撞时，使B原子电离为B+（或激发态的B+*），而亚稳态的A*原子跃迁到低能态或基电子态，这一过程称之为潘宁电离过程。 或 在气体放电中，加入少量的亚稳态激发电位略高于放电气体电离电位的微量辅助气体，可以降低放电气体的电子温度Te，实现选择性激发。第二章、放电电极的表面电子发射第一章中主要介绍了放电气体中的电子产生、气体粒子的碰撞激发和碰撞电离过程。在气体放电中，阴极表面的电子发射，对气体放电过程起着重要作用。下面就电极表面的电子发射过程进行讨论。我们先来看一下金属表面的电子所受电场力的作用。在原子体系中，核外电子受原子核场的库仑力的作用，其势能为： （2-1）电子离原子核越近，势能越大（电子脱离原子核的引力需做的功越大），电子离原子核越远，势能越小（-自由电子）。金属表面 U(r) 金属表面0 e-Wa 自由电子区 束缚电子区 e e e e e x图2.1 金属表面电子势能曲线分布在金属中也是如此，只是金属中的电子要受到多个按规则排列的原子的场作用。金属表面的一个自由电子（能在金属中自由移动的电子）受多个原子核场的同时作用，势能曲线如图2.1。横轴x轴垂直于金属表面，纵轴表示电子的势能；。金属中自由电子的最低能量为，能量再低于的电子为束缚电子，束缚于金属原子内，不能在金属中自由运动。在金属中自由电子的最高势能为。虽然自由电子可以在金属中自由运动，但不能脱离金属表面而成为空间自由电子，这些电子只有从外界获得足够的能量（），电子的动能才能超过金属表面势垒而脱离金属表面成为空间自由电子。金属内的自由电子从外部获得能量的主要途径有：1、 加热金属-热发射；2、 用紫外或可见光照射金属表面-光致发射；3、 外加电场-场致发射；离子、电子等轰击金属表面，将能量传递给金属中的电子-二次电子发射。一、热阴极发射从前面金属表面的电子势能曲线可以看出：金属表面内自由电子的位能位于范围内，所以也称为导带。在导带中的电子具有的最大能量为，若想让电子脱离金属表面成为空间自由电子，电子至少应从外部获得的能量。-功函数或逸出功。导带中的自由电子的速度分布应满足玻尔兹曼分布： 其中 （2-2）即使在室温情况下（T=300K），也有极少数电子的能量超过金属