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 любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.


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