Исследование рассеяния ионов на молекулах разреженного газа

Исследуется зависимость тока ионов от давления остаточного газа и напряжения на электродах в тлеющем разряде между плоским анодом и сетчатым катодом [2]. Ионы из газоразрядного промежутка проникают сквозь катод, движутся сквозь газ, рассеиваются на нейтральных молекулах и взаимодействуют с поверхностью коллектора [4]. Измеряемый ток зависит от расстояния катод-коллектор и позволяет определить длину свободного пробега иона. Рассеяние ионов происходит в результате упругих и неупругих столкновений с молекулами [3]: перезарядка, ионизация, рекомбинация с электронами, возбуждение. Если предположить, что наибольший вклад в процессы рассеяния вносят столкновения и перезарядка, после которых ион можно считать выбывшим из пучка, то появляется возможность использовать для определения длины свободного пробега иона классическую модель Борна [1], основой которой является экспоненциальная зависимость концентрации пучка нейтральных частиц от расстояния.

Целью работы - исследование зависимости тока ионов от расстояния при различных давлениях и напряжениях и вычисление длины свободного пробега иона, с помощью модели Борна.

На рис.1 представлены зависимости логарифма тока ионов от расстояния катод-коллектор. Замечено, что:

- при больших давлениях (p~0.1 torr) зависимость не линейная;

- при малых давлениях (p~0.04 torr) - линейная.

Таким образом, при малых давлениях процессы рассеяния пучка ионов описывает модель Борна при сделанных предположениях.

Обнаружены особенности, не описываемые моделью Борна. На малых расстояниях виден "излом", обусловленный дополнительным током эмитированных с коллектора электронов.

При больших давлениях неучтённые процессы рассеяния обуславливают появление нелинейной зависимости.

На основе зависимости тока ионов от расстояния при малых давлениях и различных напряжениях, используя модель Борна, вычислена зависимость длины свободного пробега иона азота от давления - рис.2. При малых давлениях не использовались точки, лежащие на "изломе". А при больших давлениях, нелинейная зависимость заменена линейной, методом наименьших квадратов.

В результате исследований установлено, что зависимость тока ионов от расстояния имеет экспоненциальный вид. Данное обстоятельство позволяет использовать модель Борна и определить длину свободного пробега ионов в пучке.