Лавина электронная. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лавина электронная - неуклонно нарастающий процесс размножения электронов в результате ионизации атомов и молекул, как правило, электронным ударом; является главнейшим элементом электрич. пробоя газов. В большинстве случаев Л. э. развивается в электрич. или эл--магн. поле, хотя возможно лавинное размножение электронов чисто тепловой природы, напр. в ударной волне.

Л. э. начинается от небольшого числа первичных (затравочных) электронов, может даже от одного. Электрон разгоняется в пост. поле или приобретает энергию колебаний, если поле осциллирующее. При упругом столкновении с атомом он меняет направление своего движения и приобретённая между двумя последоват. столкновениями энергия переходит в энергию его хаотич. движения. Так, малыми порциями, происходит набор энергии электрона в поле. Когда энергия достигает величины, немного превышающей потенциал ионизации, электрон при столкновении ионизует атом, теряя при этом свою энергию. В результате появляются два медленных электрона, к-рые набирают энергию в поле, и т. д. Развитие Л. э. тормозится за счёт потерь энергии электронами при упругих и неупругих столкновениях (на электронное возбуждение атомов и молекул, возбуждение молекулярных колебаний и вращений) и вследствие потерь самих электронов в результате их диффузионного уход" из области действия поля или прилипания к электроотрицат. молекулам. Рекомбинация ионов и электронов также может ограничить рост Л. э., но не в начале её развития, а лишь когда появится очень много положит. ионов. В редких случаях возможна ионизация в два этапа: электрон только возбуждает атом, а последний ионизуется внеш. оптич. излучением, или происходит ассоциативная ионизация при объединении возбуждённого атома с невозбуждённым в молекулярный ион. Обычно в пост. поле, ВЧ-поле и СВЧ-поле возбуждение атомов ударами электронов только тормозит развитие Л. э., т. к. электрон теряет энергию на возбуждение и вынужден снова её набирать. Исключение составляют нек-рые газовые смеси, в к-рых происходит резонансная передача возбуждения одного типа атома на ионизацию другого (см. Пеннинга эффект ),и световые поля достаточно высокой интенсивности и частоты, в к-рых возбуждённый атом ионизуется в результате многоквантового фотоэффекта (см. Оптические разряды).

Важнейшей характеристикой Л. э., определяющей скорость её нарастания во времени, является частота ионизации v_i - число электронов, к-рое в ср. рождает один электрон в 1 с. Если в момент t имеется N_e электронов, то

где W₀ - число затравочных электронов в нач. момент t=0. Частота ионизации электронным ударом зависит от энергетич. спектра п(

) электронов в лавине (т. е. от поля) и определяется ф-лой

где

- сечение ионизации электроном энергии е. Когда ср. энергия

спектра существенно меньше потенциала ионизации I, приближённо можно принять

. В случае максвелловской функции распределения

где Т_е - электронная темп-pa, N_a - плотность атомов; константа С - в табл. 1.

Л. э. развивается более или менее независимо в каждом небольшом элементе пространства только в быстро-осциллирующих полях (СВЧ-поле, оптическом), когда амплитуда колебаний электронов мала. В пост. поле Е Л. э. развивается гл. обр. вдоль направления поля, и в этом случае она характеризуется ионизационным коэффициентом Таунсенда

(см^-1) - числом электронов, к-рое электрон рождает на 1 см пути вдоль поля:

, где

- скорость дрейфа электрона в поле.

, как и

, можно сравнительно легко измерить на опыте, а затем найти

Коэф.

характеризует закон размножения электронов в лавине, распространяющейся вдоль пола между катодом и анодом:

где N₀ - число электронов, вышедших с катода (х=0). В диапазоне сильных полей, пробивающих газовые промежутки между электродами, для

существует эмпирич. ф-ла Таунсенда, учитывающая подобия законы по давлению р:

Константы А и В представлены в табл. 1. Величины

чрезвычайно резко уменьшаются при уменьшении поля (рис. 1). Расчётные и эксперим. данные по скоростям ионизации относятся обычно к пост. полю. В случае быстропеременного поля частоты

частоту ионизации

можно оценить по известной частоте ионизации

в пост. поле, пересчитав по ф-ле

где Е₀ - амплитуда осциллирующего поля,

=Ьр - частота упругих столкновений электрона с атомами. Ориентировочные значения коэф. пропорциональности Ь для оценок см. в табл. 1.

В электроотрицат. газах скорость размножения в Л. э. существенно зависит от коэф. прилипания а (см^-1) - числа актов прилипания электрона на 1 см пути вдоль поля. Коэф. а определяются опытным путём или в результате решения кинетич. ур-ния, подобно

. При наличии прилипания числа электронов и ионов в лавине растут как

Коэф. а обычно нарастает с Е медленнее, чем

. Поэтому кривые

(Е), а(Е)непременно пересекаются в некрой точке (Е/р)₁ (с учётом подобия). При Е/р<(Е/р)₁ - a<0 и Л. э. существовать не может. В воздухе (E/р)₁=31 В/(см*тор)=0,23 В/(см*Па), в т.н. элегазе SF₆, к-рый применяется в качестве газового изолятора, (E/p_l) = 117,5 В/(см*тор)=0,88 В/(см*Па). Эти цифры ставят нижний предел для порога пробоя газа в идеально однородном поле. В табл. 2 приведены цифры, характеризующие Л. э. в воздухе атм. давления в плоском промежутке длиной d в присутствии однородного поля E_t, пробивающего такой промежуток.

Эксперименты но изучению Л. э. проводятся гл. обр. в камере Вильсона; наблюдаются и одиночные Л. э., порождённые одним электроном, вышедшим с катода. Синхронизованно с подачей напряжения на электроды и облучением катода УФ-излучением (для вырывания затравочного электрона) производится адиабатич. расширение исследуемого газа, куда добавляют немного паров воды, спирта и т. п. Образовавшиеся ионы, к-рые в отличие от быстро движущихся в поле электронов практически остаются на месте, служат центрами конденсации возникшего пересыщенного пара. Туман фотографируют и получают изображение лавины (рис. 2). Лавина расширяется в поперечном направлении вследствие небольшого диффузионного расплывания электронного облака, центр к-рого движется от катода к аноду со скоростью дрейфа v_д; при большом числе народившихся электронов (N_е

10⁶) диффузионное расплывание сменяется более быстрым эл--статич. расталкиванием. Одновременно осциллографируют электронный ток в цепи

, где N_eдаётся ф-лой (7). Обработка результатов позволяет найти из опыта

-а, ср. энергию электронов

, от к-рой зависит скорость диффузии.

Рис. 1. Коэффициенты ионизации для инертных газов.

Рис. 2. Фотография электронной лавины, полученная в камере Вильсона.

Когда электрич. поле нарастающего пространственного заряда электронов и ионов в Л. э. достигает величины внешнего [при N_e

10⁸-10⁹, (

- a)d

20], лавина может перейти в стример. Так начинается стримерный пробой. Альтернативой ему служит пробой механизмом размножения лавин, к-рый характеризуется появлением от одной прошедшей лавины более чем одной новой за счёт вырывания затравочных электронов из катода или газа фотонами, рождёнными в лавине (см. также Импульсный разряд).

Литература по электронным лавинам

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.


Газ	А, (СМ* тор)^-1	В, В/(см*тор)	Область применимости Е/р, В/(см*тор)	с, 10^-17 см²/эВ	Ь, 10⁹ (с*тор) ^-1
Не	3	34	20-150	0. 13	2,0
Ne	4	100	100-400	0,16	1, 2
Аr	12	180	100-600	2,0	5,3
Кr	17	240	100-1000
Хе	26	350	200-800
Hg	20	370	200-600	7,9
Н₂	5	130	150-600	0,59	4,8
N₂	12	342	100-600	0,85	4,2
воздух	15	365	100-800		3,9


d, см	E_t, кВ/см	- а, см^-1	(-a)d	N_e/N₀
0, 1	45,4	81	8,1	3,3*10³
0,3	36,7	31	9,3	1, 1*10⁴
0,5	34	20,5	10,2	2, 8*10⁴
1	31,4	12,4	12,4	2,4*10⁵
2	29,3	8,0	16	8,9*10⁴
3	28,6	6,5	19,5	2,9*10⁸