§2.2. Переход от лавинной формы самостоятельного разряда к искровому разряду в малых искровых промежутках с равномерным полем. Образование стримеров

В разреженных газах каждая лавина ведет к нарастанию числа начальных электронов, инициирующих следующую лавину. В результате в каждой последующей лавине возрастает число ионизаций. Этот процесс нарастает по экспоненциальному закону, пока промежуток между электродами не заполнится хорошо проводящей плазмой, состоящей из положительных ионов, оставшихся от предыдущих лавин, и электронов образованных последней лавиной. Таким образом, в разреженных газах разряд носит многолавинный характер. Из-за высокой разреженности газа основную роль во вторичной ионизации, создающей новые начальные электроны, играет фотоионизация с катода. Поэтому на разрядное напряжение промежутка заметно влияет материал катода, характеризуемый потенциалом поверхностной ионизации.

При высокой плотности газа наблюдается иная картина развития самостоятельного разряда. Искажение поля положительными зарядами лавины оказывается в этом случае значительным, что приводит к выделению большого количества фотоионов и интенсивной фотоионизации в объеме газа вблизи головки лавины (рис. 1.6а). Образующиеся вторичные лавины направляются к головке первичной лавины, где напряженность поля особенно велика. Электроны вторичных лавин проникают внутрь первичной лавины, образуя с ее положительными ионами канал проводящей плазмы. Напряженность поля на конце канала (со стороны катода) повышается, что ведет к возникновению новых вторичных лавин и к дальнейшему прорастанию плазменного канала и т.д. Такой быстро удлиняющийся канал получил название стримера (англ. stream - поток). Когда стример достигает катода, плазменный канал замыкает электроды и разряд переходит в искровую стадию.

Таким образом, в малых промежутках и в плотных газах разряд протекает в однолавинной форме, переходящей в стримерную. Основную роль в образовании вторичных лавин играет фотоионизация в объеме газа, поэтому материал электрода не оказывает заметного влияния на напряжение искрового разряда.

Рис. 1.6. Схема стримерной формы разряда в малом промежутке с равномерным полем:

а - начальная лавина пересекла промежуток; электроны лавины поглощены анодом; головка лавины интенсивно испускает фотоны; б - фотоионизация породила вторичные лавины; электроны вторичных лавин проникают внутрь первичной лавины; началось образование плазменного канала – стримера; в, г – на конце плазменного канала резко увеличивается напряженность поля, что приводит к интенсивной фотоионизации и возникновению новых лавин; плазменный канал быстро прорастает к катоду (положительный стример);

д – стример достиг катода; разряд переходит в искровую стадию

§2.3. Самостоятельный разряд в неравномерном поле. Лавинная корона

В неравномерном поле остаются в силе основные закономерности самостоятельного разряда, но вследствие изменения Е вдоль пути лавины условие самостоятельного разряда приобретает вид:

, (1.4)

где  - коэффициент ионизации.

Далее рассмотрена качественная характеристика самостоятельного разряда вблизи электрода с малым радиусом кривизны, например провода. Лавинный процесс возникает на некотором пути S вблизи электрода; за участком S напряженность поля уже недостаточна для ионизационных процессов. При условии соблюдения равенства (1.4) разряд на участке S имеет самостоятельный характер. Однако в данном случае лавинный процесс не приводит непосредственно к искровому разряду, так как ионизационные токи ограничены большим емкостным сопротивлением оставшейся части промежутка. Разряд в такой форме получил название коронного разряда (корона). Коронный разряд возникает при некоторой начальной напряженности поля E_Н или начальном напряжении U_Н. Характер коронного разряда существенно зависит от полярности электрода.

Пусть электрод имеет положительную полярность. Возникающие вблизи стержня лавины будут развиваться по направлению к стержню (рис. 1.7а). Под действием сил электрического поля легкие электроны лавины быстро перемещаются к стержню и поглощаются им, а тяжелые положительные ионы направляются к расположенному в отдалении катоду, но со скоростью, много меньшей, чем скорость движения электронов. Из-за этого различия в скоростях стержень оказывается окруженным облаком избыточных положительных ионов (рис. 1.7б). Создаваемое облаком ионов дополнительное поле с напряженностью E_q ослабляет основное поле E у стержня (анода) и усиливает основное поле вдали от стержня (рис. 1.7в). В результате область, охваченная короной, расширяется.

Рис. 1.8. Возникновение короны у отрицательно заряженного стержня:

а – развитие лавин; б – образование облачков положительных и отрицательных ионов; в – искажение исходного поля в промежутке объемными зарядами

Рис. 1.7. Возникновение короны у положительно заряженного стержня:

а – развитие лавин; б – образование облачка избыточных положительных ионов; в – искажение исходного поля в промежутке объемным зарядом

В случае лавинной короны вблизи отрицательного стержня лавины возникают у стержня (катода) и развиваются в глубь промежутка (рис. 1.8а). Электроны выносятся силами электрического поля из области ионизации и попадают в область слабого электрического поля, где они захватываются нейтральными молекулами и образуют отрицательные ионы. В результате вблизи катода образуется облако положительных ионов; отрицательные ионы рассеяны за концентрированным облаком положительных ионов (рис. 1.8б). Вблизи катода поле усиливается, а в неионизированном пространстве поле ослабляется. В результате происходит стягивание лавинной короны к отрицательному электроду. С каждой новой лавиной происходит усиление поля вблизи катода и ослабление поля за центром скопления положительных ионов. Поэтому лавины начинают пробегать все меньшее расстояние. В итоге у поверхности катода образуется узкий слой высокой напряженности поля, где существует лавинный процесс и где рождаются электроны, выносимые во внешнее пространство.

В случае лавинной короны вблизи отрицательного стержня лавины возникают у стержня (катода) и развиваются в глубь промежутка (рис. 1.8а). Электроны выносятся силами электрического поля из области ионизации и попадают в область слабого электрического поля, где они захватываются нейтральными молекулами и образуют отрицательные ионы. В результате вблизи катода образуется облако положительных ионов; отрицательные ионы рассеяны за концентрированным облаком положительных ионов (рис. 1.8б). Вблизи катода поле усиливается, а в неионизированном пространстве поле ослабляется. В результате происходит стягивание лавинной короны к отрицательному электроду. С каждой новой лавиной происходит усиление поля вблизи катода и ослабление поля за центром скопления положительных ионов. Поэтому лавины начинают пробегать все меньшее расстояние. В итоге у поверхности катода образуется узкий слой высокой напряженности поля, где существует лавинный процесс и где рождаются электроны, выносимые во внешнее пространство.

В слабонеравномерных полях, например в малых промежутках, возникновение лавинной короны при небольшом повышении напряжения приводит к полному пробою промежутка. Так как напряжение возникновения короны у положительного электрода выше, чем у отрицательного, то и пробивное напряжение малых промежутков выше при положительной полярности электрода с большей напряженностью поля.