- 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 ф-ции распределения
где Т е - 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 Е 0 - амплитуда осциллирующего поля, = Ь р - 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
см 2/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
Н 2
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 v д; при большом числе народившихся электронов (N е106) 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).
Лит.: 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.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
.