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

Лавинно-стримерный переход.

Напомним определение лавины. Это облако электронов, распространяющихся в газе, в электрическом поле – однородном или неоднородном, не влияя на это поле. Благодаря ионизации электронным ударом, количество электронов в лавине возрастает, объемный заряд лавины тем не менее недостаточно велик, чтобы значительно повлиять на поле. Для перерождения лавины в стример в ней должно достигаться достаточно высокое усиление. Поле пространственного заряда должно вырасти до величины порядка приложенного, иначе не бу­дет причин для нарушения нормального хода развития лавины. В не слишком длинных плоских промежутках, при не очень боль­ших напряжениях (по сравнению с пробивным), это случа­ется, когда лавина исчерпывает весь резерв усиления, т. е. дости­гает анода.

Стример зарождается тогда у самого анода, в области наибольшего пространственного заряда, и прорастает к катоду. Такой стример называют катодонаправленным или положитель­ным. В более длинных плоских промежутках, при больших пере­напряжениях, число зарядов в первичной лавине становится до­статочно большим раньше. Лавина перерождается в стример, не достигнув анода. В этом случае стример прорастает к обоим элект­родам. Если стример образуется, когда лавина еще недалеко ушла от катода, он прорастает в основном в сторону анода. Такой стри­мер называют анодонаправленным или отрицательным*).

Рассмотрим анодонаправленный стример.

 Число электронов в лавине экспоненциально возрастает, и в определенный момент объемный заряд начнет сильно влиять не электрическое поле. Свойства электронного облака при этом меняются, и возникает новый объект – стример.

Рисунок 11. Переход лавины в стример.

Фундаментальное отличие стримера от лавины, из которого следуют другие отличия – вВ отличие от лавины стример состоит из плазмы, то есть в нем выполняется условие квазинейтральности. Внутри стримера заряды разного знака скомпенсированы, плотность заряда отлична от нуля только на поверхности, электрическое поле «выталкивается» из стримера – внутри него напряженность много меньше напряженности вне стримера. В то же время газ в стримере ионизован далеко не полностью, степень ионизации составляет 10^-6-10^-5.

Механизм распространения не такой, как у лавины – ионизация происходит на поверхности стримера, напряженность поля здесь может быть много больше внешнего поля.

Форма стримера также отличается от формы лавины – если лавина представляла из себя почти сферическое размытое облако заряда, стример – вытянутый ветвящийся тонкий канал.

Структура стримера. Головка стримера.

Рассмотрим уже сформировавшийся стример, который, стартовав от высоковольтного анода, прорастает к заземленному катоду.

Рисунок 22. Схема передней части катодонаправленного стримера и качественные распределения плотности электронов n_е, разности плотностей n₊-n_е (объемный заряд) и продольного поля Е на оси.

Основной ионизационный процесс протекает в области сильного поля у стримерной головки. На ней и сосредоточим внимание. Схема передней части стримера изображена на рисунке 22. Там же представлены качественно распределения вдоль оси продольного поля Е, плотности электронов n_е и разности плотностей положительных ионов и электронов, т.е. плотности объемного заряда ρ=e(n₊-n_е) (отрицательные ионы в головке не успевают образовываться). Сильное поле в области головки создается в основном ее собственным зарядом.

Перед головкой, где объемный заряд мал, поле спадает. Е_m — максимальное поле стримера, которое достигается в передней точке головки. Тот радиус, на котором поле максимально, называют радиусом головки r_m. С ним примерно совпадает и начальный радиус приближенно цилиндрического канала, который тянется за головкой. Переднюю часть условно полусферической поверхности головки можно называть фронтом волны ионизации. За фронтом, т.е. в сторону канала, в основном и сосредоточен заряд стримерной головки. Поле там уменьшается, падая до малой по сравнению с Е_m величины Е_к в канале. Силовые линии, радиально расходящиеся перед головкой, выпрямляются внутри головки, приобретая осевое направление внутри плазменного канала стримера.

Мысленно расчленим на ступени непрерывный процесс прорастания стримера. В области сильного поля перед головкой идет ионизация молекул воздуха ударами электронов. Необходимые для этого начальные затравочные электроны подготавливаются стримером заранее. Их появление обязано излучению квантов, которым всегда сопровождается процесс ионизации из-за электронного возбуждения молекул. В нашем случае активно работают высоко возбужденные молекулы N₂. Испускаемые ими кванты ионизуют молекулы О₂, которые обладают более низким, чем N₂, потенциалом ионизации. Излучение сильно поглощается, однако его интенсивности достаточно, чтобы обеспечивать начальную плотность электронов порядка 10¹¹ – 10¹² см^-3 на расстоянии около 0,1 см от головки.