к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Э  Ю  Я  

Лавина электронная
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 vi - число электронов, к-рое в ср. рождает один электрон в 1 с. Если в момент t имеется Ne 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 Те - электронная темп-pa, Na - 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 и 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.

Табл. 1.

	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

								
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 и. 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/pl) = 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 Et, пробивающего такой промежуток.

Табл. 2.

	d, см

	Et, кВ/см

	-  а, см-1

	(-a)d

	Ne/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

							

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 vд; при большом числе народившихся электронов (Nе106) диффузионное расплывание сменяется более быстрым эл--статич. расталкиванием. Одновременно осциллографируют электронный ток в цепи , где Ne даётся 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 Ne108-109, (- a)d20], 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 

1. Ретер Г., Электронные лавины и пробой в газах, пер. с англ., М., 1968; Лозанский Э. Д., Фирсов О. Б., Теория искры, М., 1975; Райзер Ю. П., Физика газового разряда, М., 1987. Ю. П. Райзер.

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ