Лавинный механизм в сильном электрическом поле, страница 2

Ограниченность простой лавинной модели.

Представление о том, что электрон движется преимущественно вдоль силовой линии и скорость направленного движения много больше тепловой, верно лишь при сильных полях или в разреженном газе.

Чтобы рассмотренная нами простая модель была верна, энергия, получаемая электроном между столкновениями, должна быть больше тепловой энергии электрона. Расстояние между столкновениями равно длине свободного пробега l, так что можно записать оценку:

Тепловая энергия электрона сама по себе зависит от поля, однако оказывается, что соотношение тепловой и направленной скоростей все же определяется произведением E∙l. Длина свободного пробега обратно пропорциональна концентрации, l~n^-1, и в литературе используют параметры E/p и E/n (вспомним, что p=nkT, p~n). Отношение напряженности поля к концентрации называют приведенным значением напряженности.

Изложенные выше представления будут работать при высоких значениях E/p. При атмосферном давлении можно считать, что направленное движение вдоль электрического поля преобладает над тепловым при полях свыше 100 кВ/см, но разрядные процессы возможны уже при напряженности 25 кВ/см. Здесь ионизация происходит уже за счет тепловой энергии, и необходимо более аккуратно описывать движение электрона в воздухе. Однако такая простая модель лавины при атмосферном давлении реализуется только в достаточно сильных полях(более 100 кВ/см). Обычно на бесстолкновительном участке набирается сушественно меньшая энергия, недостаточная для ионизации.

Рисунок 22. Схема лавинного размножения электронов. а - схема лавинного размножения электронов в промежутке в разряженном газе между катодом К и анодом А; б - схема диффузионного расплывания элек­тронной лавины, которая рождается от электрона, вышедшего из определен­ного места катода; в - схематические очертания лавины и распределения зарядов в два последовательных момента времени. Стрелками указаны направления внешнего поля E₀ и скорости U_л движения головки лавины.

В этом случае упругие удары о молекулы разворачивают электрон в случайном направлении, а Ээлектрическое поле стремится повернуть скорость электрона вдоль силовой линии поля., но удары о молекулы разворачивают электрон в случайном направлении. В результате электроны постепенно смещаются в поперечном (относительно силовой линии) направлении, происходит диффузия (рисунок 22б). Таким образом, в этих условиях лавина напоминает «облако» электронов, движущихся сквозь газ нейтральных молекул.

Ионы движутся примерно в 100 раз медленнее электронов, и их движением по сравнением с движением электронов можно пренебречь. Ионы «остаются на месте», они образуют своеобразный след лавины в виде конуса.

Поскольку электроны и ионы в приложенном электрическом поле движутся в противоположные стороны, возникает разделение зарядов – головка лавины содержит почти одни электроны и заряжена отрицательно, а след лавины содержит только ионы и заряжен положительно (рисунок 22в). Далее детально рассмотрены механизмы движения и соударения электронов в газах при атмосферном давлении.

Ограниченность простой лавинной модели.

Представление о том, что электрон движется преимущественно вдоль силовой линии и скорость направленного движения много больше тепловой, верно лишь при сильных полях или в разреженном газе.

Чтобы рассмотренная нами простая модель была верна, энергия, получаемая электроном между столкновениями, должна быть больше тепловой энергии электрона. Расстояние между столкновениями равно длине свободного пробега l, так что можно записать оценку:

Тепловая энергия электрона сама по себе зависит от поля, однако оказывается, что соотношение тепловой и направленной скоростей все же определяется произведением E∙l. Длина свободного пробега обратно пропорциональна концентрации, l~n^-1, и в литературе используют параметры E/p и E/n (вспомним, что p=nkT, p~n). Отношение напряженности поля к концентрации называют приведенным значением напряженности.