1.5. Условие самостоятельности разряда

После прохождения первой лавины в промежутке лавинный процесс может возобновляться, а может и затухнуть. Для возобновления лавинного процесса нужен хотя бы один вторичный эффективный элек­трон. Если этот электрон получается в результате внешнего ионизатора — разряд называется несамостоятельным. То есть, если убрать внешний ионизатор, то лавинный процесс не возобновится и разряд затухнет. Ес­ли же вторичный эффективный электрон возникает в результате прохо­ждения первичной лавины — разряд называется самостоятельным. Раз­ряд из несамостоятельного может перейти в самостоятельный, если уве­личить приложенное к электродам напряжение.

При самостоятельной форме разряда лавинный процесс возоб­новляется, поскольку сама первичная лавина (и последующие вторич­ные тоже) создает условие для возобновления процесса. Условия возоб­новления:

1) оставшееся после прохождения лавины положительные ио­ны, двигаясь к катоду, бомбардируют его и вызывают эмиссию электро­нов из катода;

2) возбужденные атомы и молекулы, образующиеся наряду с ионизацией, испускают фотоны, которые могут приводить как к фото­ионизации в объеме промежутка, так и к фотоэмиссии электронов из ка­тода. Образующиеся таким образом вторичные электроны приводят снова к образованию лавин в разрядном промежутке.

Количество положительных ионов, оставшихся в промежутке после прохождения лавины, равно количеству электронов в лавине (1.15), исключая начальный электрон, т. е.:

. (1.17)

Электроны, выбитые из катода, не все участвуют в образова­нии вторичных лавин. Часть электронов рекомбинирует с положитель­ными ионами. Суммарный процесс образования вторичных электронов из катода характеризуется коэффициентом вторичной ионизации — второй коэффициент Таунсенда. Коэффициент зависит от материала катода, состава и давления газа и всегда << 1. Количество вторичных электронов, образованных после прохождения первичной лавины при самостоятельной форме разряда, должно быть не менее:

. (1.18)

Уравнение (1.18) есть условие самостоятельности развития разряда в газовом промежутке. Оно показывает, что в результате про­хождения первичной лавины необходимо образование, как минимум, одного эффективного электрона, способного зажечь вторичную лави­ну^.

1.6. Образование стримера

В процессе развития лавины непрерывно увеличивается число электронов и положительных ионов. С увеличением числа электронов в головке лавины возрастает напряженность на фронте лавины (рис. 1.5). На хвосте лавины напряженность понижена. Электроны в головке лави­ны останавливаются и могут рекомбинировать с ионами. При рекомби­нации излучаются фотоны, которые способны вблизи хвоста первичной лавины ионизовать нейтральные молекулы, образуя вторичные лавины.

Вторичные лавины, следуя по силовым линиям и имея на го­ловке избыточный отрицательный заряд (электроны), втягиваются в об­ласть положительного объемного заряда, оставленного первичной лави­ной. Электроны вторичных лавин смешиваются с положительными ио­нами первичной лавины и образуют стример — область с наибольшей плотностью тока, которая, разогреваясь начинает светиться, а наиболь­шая концентрация частиц (плотность тока) образуется вблизи катода. Для фотоионизации в объеме газа энергия фотонов должна быть больше энергии ионизации. Этот процесс успешно осуществляется в смесях га­зов содержащих компоненты с относительно низкой энергией ионизации (в том числе и в воздухе). Бомбардировка катода положительными ионами эффективна при низких давления газа.

Критерием перехода лавинного разряда в стримерный является критическое число электронов в лавине. Расчеты показывают, что при числе электронов n_KР > 10⁷ -10⁹ лавина переходит в стример. Для нако­пления такого количества электронов лавина должна пройти определен­ное критическое расстояние x_кр. Следовательно, с увеличением рас­стояния между электродами свыше x_Kр лавина неизбежно перейдет в стримерную форму развития разряда. Необходимо отметить, что x_кр за­висит от давления газа и его состава. Картина образования стримера приведена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Механизм развития катодного стримера: 1 — электрод-катод, 2 — канал стримера, 3 — лавины, 4 — движение фотонов, 5 — электрон за счет фотоионизации