Подвижность ионов

Если в газе нет электрического поля, то ионы участвуют только в тепловом движении, как и все молекулы газа. Ионы, сталкиваясь с молекулами, изменяют направление своего движения. В результате многочисленных столкновений с молекулами ионы движутся хаотично в объеме газа.

Средний пробег иона λ, от одного столкновения до другого зависит от плотности молекул, т. е. от числа молекул в единице объема газа. Плотность молекул пропорциональна давлению газа р. Чем больше давление газа, тем чаще сталкивается ион с молекулами и тем меньше средний пробег иона λ. При давлении газа 1 атм пробег иона в газах составляет примерно 10^{-6 см.}

В электрическом поле напряженностью Е на однократно заряженный ион действует сила:

F=e´E, (9.1)

где е – элементарный электрический заряд. Положительные ионы движутся по направлению поля, а отрицательные – против. С увеличением напряженности Е скорость направленного движения иона vвозрастает и с некоторого значения Е тепловое движение практически не влияет на перемещение ионов в газе. Все ионы начинают двигаться только вдоль направления электрического поля.

На расстоянии λ электрическое поле ускоряет ионы. В последующих упругих столкновениях с молекулами газа ионы теряют часть энергии, полученной от электрического поля. Так как скорость ионов в газе вдоль напряженности электрического поля непрерывно изменяется, то их движение в этом направлении удобно характеризовать средней скоростью v. Она зависит от напряженности поля Е и давления газа р:

v = u´E/p (9.2)

Коэффициент пропорциональности и, называемый подвижностью ионов, выражают в см²/(В с). Он численно равен средней скорости ионов при напряженности поля Е=1 В/см и давлении р = 1 атм (таблица 9.1).

Таблица 9.1 – Подвижность ионов и в газах при р = 760 мм pm. cm.

Подвижность ионов–важнейшая характеристика движения ионов в газе. Она влияет на время собирания на электродах детектора ионов из газа. Легкие отрицательные ионы (электроны) удаляются из газа за время, примерно в 10² меньшее, чем время удаления тяжелых ионов (таблица 9.1).

Значительное отличие подвижностей электронов и тяжелых ионов объясняется небольшой массой электронов и особенностями обмена энергией при столкновениях ионов с атомами (молекулами) газа. Тяжелые ионы могут передавать атомам (молекулам) до половины энергии, полученной от электрического поля. Вследствие этого средняя скорость тяжелых ионов vостается сравнительно небольшой. Электрическое поле обусловливает только направленное движение тяжелых ионов к катоду Легкие электроны до определенных скоростей испытывают лишь упругие столкновения с атомами (молекулами). После таких столкновений электроны практически сохраняют энергию, полученную от электрического поля. Вследствие слабого влияния упругих столкновений на изменение энергии электронов средняя скорость электронов vбольше их скорости теплового движения. Замедление ускоренных электронов происходит лишь тогда, когда их энергия становится больше энергии возбуждения атомов (молекул). При таких энергиях электроны в неупругих столкновениях расходуют часть своей энергии на возбуждение и ионизацию атомов газа.

На подвижность отрицательных ионов влияет степень чистоты газов. В электроположительных газах, которыми обычно наполняют детекторы, всегда есть небольшие примеси электроотрицательных газов (пары воды, кислород, азот и др.). Молекулы электроотрицательных газов, присоединяя к себе электроны, превращаются в тяжелые отрицательные ионы. Поэтому средняя подвижность отрицательных ионов снижается, а время собирания их на аноде резко увеличивается. Поэтому газы перед заполнением детекторов тщательно очищают от примесей.

С повышением давления сильнее сказывается возможность прилипания свободных электронов к молекулам. Во–первых, электрон чаще сталкивается с электроположительными молекулами, поэтому возрастает вероятность его прилипания к одной из таких молекул. Во–вторых, увеличивается вероятность столкновения с примесными электроотрицательными молекулами. Обе причины в совокупности уменьшают подвижность отрицательных ионов.