5. Лавина електронів

Якщо в газі між двома електродами, що утворюють однорідне поле, з’являється вільний електрон, то рухаючись до анода при достатній напруженості електричного поля, він може йонізувати атом чи молекулу газу при зіткненні (рис. 1.3, а). В результаті цього з’являється новий (ще один) електрон і додатній йон. Цей електрон разом з початковим йонізують нові атоми і молекули, і кількість вільних електронів безперервно зростає. Цей процес отримав назву лавини електронів.

Інтенсивність розмноження електронів в лавині характеризується коефіцієнтом ударної йонізації , що рівний кількості йонізацій, що робить електрон на шляху 1 см в напрямку дії електричного поля. Інша назва коефіцієнта ударної йонізації – перший коефіцієнт Таунсенда.

У процесі розвитку лавини одночасно з електронами утворюються додаткові йони. Рухливість йонів значно менша, ніж електронів, і за час розвитку лавини практично не встигають переміститися в проміжку до катода. Таким чином, після проходження лавини електронів в газі залишається додатні, а в електронегативних газах і від’ємні йони, котрі спотворюють (зменшують чи збільшують) зовнішнє електричне поле в проміжку. На рис. 1.5 наведено розподілення напруженості електричного поля в проміжку при проходженні його лавиною електронів. Видно, що напруженість електричного поля на фронті лавини зростає, в середній частині, де розташовуються залишкові додатні йони, зменшується, а поблизу катода знову незначно збільшується.

Рисунок 1.5 – Спотворення електричного поля в проміжку, створюване лавиною: 1 – середня напруженість без лавини; 2 – результуюча напруженість

Для описання лавинного процесу необхідно визначити кількість електронів у лавині. Припустимо, що з катода за рахунок зовнішнього йонізатора виривається електронів (наприклад ). На відстані від катода кількість електронів зросла до (рис. 1.6). Збільшення кількості електронів на шляху буде рівне:

11111\* MERGEFORMAT (.)

12112\* MERGEFORMAT (.)

Інтегруючи 112 по від 1 до і по від до , отримаємо:

13113\* MERGEFORMAT (.)

Рисунок 1.6 – Схема визначення кількості електронів в лавині

В однорідному полі, де коефіцієнт ударної йонізації , оскільки напруженість в будь-якій точці проміжку однакова, будемо мати:

14114\* MERGEFORMAT (.)

15115\* MERGEFORMAT (.)

Вираз 114 дає значення електронів у лавині без урахування їх прилипання до нейтральних атомів і молекул. Це явище характеризується коефіцієнтом присипання . Коефіцієнт присипання залежить від роду газу (електронегативний чи електропозитивний). Тоді кількість електронів в лавині з урахуванням присипання буде рівна:

16116\* MERGEFORMAT (.)

Якщо більше 1, то 116 буде мати вигляд:

17117\* MERGEFORMAT (.)

Кількість електронів у лавині .

7. Умова самостійності розряду

Після проходження першої лавини в проміжку лавинний процес може відновитися, а може і затухнути. Для відновлення лавинного процесу потрібен хоча б один вторинний ефективний електрон. Якщо цей електрон отримується в результаті зовнішнього йонізатора – розряд називається несамостійним. Тобто, якщо забрати зовнішній йонізатор, то лавинний процес не відновиться і розряд потухне. Якщо ж вторинний ефективний електрон виникає в результаті проходження первинної лавини – розряд називається самостійним. Розряд з несамостійного може перейти в самостійний, якщо збільшити прикладену до електродів напругу.

При самостійній формі розряду лавинний процес відновлюється, оскільки сама первинна лавина (і наступні вторинні теж) створює умову для відновлення процесу. Умови відновлення:

1. ті, що залишились після проходження лавини, додатні йони, рухаючись до катода, бомбардують його і викликають емісію електронів з катоду;

2. збуджені атоми і молекули, що утворюються разом з йонізацією, випромінюють фотони, котрі можуть призводити до фотоіонізації в об’ємі проміжку, так і до фотоемісії електронів з катода. Утворені таким чином вторинні електрони призводять знову до утворення лавин в розрядному проміжку.

Кількість додатних йонів, що залишились в проміжку після проходження лавини, рівна кількості електронів у лавині 116, виключаючи початковий електрон, тобто:

18118\* MERGEFORMAT (.)

Електрони, вибиті з катода, не всі приймають участь в утворенні вторинних лавин. Частина електронів рекомбінує з додатними йонами. Сумарний процес утворення вторинних електродів з катода характеризується коефіцієнтом вторинної йонізації - другий коефіцієнт Таунсенда. Коефіцієнт залежить від матеріалу катода, складу і тиску газу і завжди . Кількість вторинних електронів, утворених після проходження первинної лавини при самостійній формі розряду, повинна бути не більша:

19119\* MERGEFORMAT (.)

Рівняння 119 є умовою самостійності розвитку розряду в газовому проміжку. Воно показує, що в результаті проходження первинної лавини необхідне утворення, як мінімуму, одного ефективного електрона, що здатен запалити вторинну лавину.