Лавинно-стримерный переход. Структура стримера. Головка стримера. Катодонаправленный и анодонаправленный стримеры при импульсном воздействии напряжения, страница 14

Дальше (3-4 нс) число электронов растет экспоненциально с неизменной постоянной времени – это следствие того, что рост происходит за счет одной и той же области с неизменным значением напряженности – у поверхности электрода.

Образование плазменной области.

Опережающие электроны ионизуют газ у поверхности электрода. Относительно быстрые электроны уходят на электрод, а медленные ионы остаются в области, примыкающей к электроду. В результате там образуется возрастающий положительный объемный заряд (рисунок 30). В какой-то момент он неизбежно начнет искажать электрическое поле, причем поскольку полярность заряда та же, что у электрода, поле будет повышено у границы заряженной области и снижено внутри. Таким образом, поле будет выталкиваться из заряженной области.

 

Рисунок 30. Плотность электрического заряда непосредственно перед образованием плазменной области.

 

На рисунке 31 представлены концентрации ионов и электронов в разные моменты времени. Видно, что от 3 до 4,5 нс у электрода преобладают ионы, а между 4,5 нс и 4,9 нс устанавливается нейтральность области. График на рисунке 32 показывает, что уже в момент времени 4,2 нс поле искажено – ослаблено у электрода. Затем оно падает еще сильнее, и образуется область значительно усиленного поля перед плазменной областью.

Механизм образования плазменной области следующий. Изначально есть положительно заряженная область, величина заряда растет. Когда заряд искажает поле, электроны ускоренно притягиваются в область и, попав в область, насыщенную ионами, оказываются в области слабого поля и тормозятся. Таким образом, электроны попадают в ловушку в области, насыщенной ионами,  накапливаются там и компенсируют положительный заряд.

 

Рисунок 31. Концентрация электронов и ионов при образовании плазменной области.

 

Рисунок 32. Напряженность электрического поля при образовании плазменной области.

 

Плазма выталкивает электрическое поле, на границе образуется слой с повышенной напряженностью, который притягивает электроны. Здесь коэффициент ионизации велик.

 

Рисунок 33. Напряженность поля в момент образования плазменной области.

Стример.

Далее образуется объект, который можно назвать стримером. Это плазменный канал. На рисунке 34 показано распределение напряженности поля на оси модели в разные моменты времени. Как видно, поле выталкивается из области канала (которая начинается от левого края графика), на переднем крае возникает скачок поля с напряженностью до 500 кВ/см. Отмечу, что напряженность невозмущенного поля не превышала 90 кВ/см.

 

Рисунок 34. Напряженность электрического поля.

Основные величины.

Рассмотрим систему в момент времени, когда передний фронт стримера находится примерно на середине модели.

Концентрации ионов и электронов практически совпадают, поскольку вся область канала – плазменная, возникший объемный заряд быстро компенсируется перераспределением электронов.

 

Рисунок 35. Концентрации ионов (внизу) и электронов (вверху) в стримере.

 

Степень нейтральности высока. Определим коэффициент нейтральности α:

                                                     

На рисунке 36 представлен логарифмический график коэффициента нейтральности (выведен десятичный логарифм). Как видно, в головке стримера степень нейтральности – 10-5 и менее, в «старой» половине стримера, примыкающей к электроду, нейтральность нарушается сильнее, здесь характерные значения – 10-5-10-2.

 

Рисунок 36. Десятичный логарифм коэффициента нейтральности α.

 

Небольшое смещение ионов относительно электронов на краях стримера обеспечивает объемный заряд (рисунок 37), который необходим, чтобы экранировать электрическое поле.