Импульсный разряд

Импульсный разряд — электрический разряд в диэлектриках или газах, вызванный мощным импульсом напряжения, длительность которого сравнима или меньше, чем характерное время установления стационарного режима горения.

Физика разряда

Течение импульсного разряда принято делить на две фазы: предпробойную, определяемую так называемым временем запаздывания, и пробойную. При приложении к электродам пробойного напряжения проходит некоторое время прежде, чем это напряжение начинает падать в силу развития разряда и увеличения проводимости разрядного промежутка до величины проводимости внешней среды. Это время и называется временем запаздывания. В газах время запаздывания условно разбивают на статистическое время, определяемое средним временем, необходимым для появления в разрядном промежутке (обычно вблизи катода) хотя бы одного электрона, инициирующего электронную лавину, и время формирования пробоя.

Если образование затравочных электронов инициируется извне, статистическое время может быть незначительным по сравнению с временем формирования, в этом случае время запаздывания определяется характером ионизационных процессов в газе и зависит от величины превышения прилагаемого к электродам напряжения над пробойным напряжением, характеризующегося следующей величиной:

$\beta = \frac{U-U^*}{U^*}$

где $U$ — прилагаемое напряжение, $U^*$ — пробойное напряжение.

Если внешнее инициирование разряда отсутствует, то время формирования может быть незначительным по сравнению со статистическим временем. В этом случае время запаздывание определяется исключительно последним и может сильно варьироваться от импульса к импульсу. Это позволяет проводить измерение статистических свойств процесса появления затравочного электрона. Вероятность его появления обычно подчиняется экспоненциальному закону:

$N(t) = N_0\exp\left(-\frac{t}{t_s}\right)$

где $N_0$ — общее число пробоев, $N(t)$ — число пробоев, потребовавших для зажигания время $t$ и больше, $t_s$ — статистическое время.

В целом механизм формирования и процесс горения импульсного разряда в газах в значительной степени определяется тем, как развиваются первичные электронные лавины.

Так, если приложенное напряжение несильно превышает пробойное и инициирование разряда происходит одиночным электроном, появляющимся вблизи катода, то пространственный заряд не искажает внешнее поле, и разряд развивается за счёт вторичных электронных лавин, которые возникают при эмиссии электронов с катода при его бомбардировке образовавшимися ионами и фотонами. Такой механизм носит название таунсендовского и приводит к развитию либо тлеющего разряда (в газах низкого давления), либо к тлеющему, переходящему в искровой в газах более высокого давления.

При повышенных напряжениях ($\beta>0,2$) разряд развивается уже от первой электронной лавины. В этом случае существенным становится поле, создаваемое пространственным зарядом, и в направлении от катода к аноду быстро развиваются слабопроводящие плазменные филаменты — так называемые стримеры. На стадии формирования стримеры сливаются, образуя искровой канал.

Если разряд инициируется большим количеством равномерно распределённых электронов, то возможно существование режима, в котором электронные лавины взаимно перекрываются и образуется объёмный тлеющий заряд, переходящий через время порядка $10^{-6}$ с в искровой.

Применение

Искровой разряд применяется в ряде технических приложений, в частности, для создания специальных источников света, в газоразрядной электронике, электротехнике и т. д.

Литература

• Г. А. Месяц Импульсный разряд // Физическая энциклопедия / Д. М. Алексеев, А. М. Балдин, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов, Б. К. Вайнштейн, С. В. Вонсовский, А. В. Гапонов-Грехов, С. С. Герштейн, И. И. Гуревич, А. А. Гусев, М. А. Ельяшевич, М. Е. Жаботинский, Д. Н. Зубарев, Б. Б. Кадомцев, И. С. Шапиро, Д. В. Ширков; под общ. ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 134—135. — 704 с.