Введение
Процесс электрического распада Лавина электронов - это процесс, при котором ряд свободных электронов в среде передачи подвергается сильному ускорению электрическим полем и впоследствии сталкивается с другими атомами среды, ионизируя их (взрывной ионизацией). Это высвобождает дополнительные электроны, которые ускоряются и сталкиваются с другими атомами, высвобождая больше электронов - цепную реакцию. В газе это приводит к тому, что пораженная область становится электропроводящей плазмой. Эффект лавины был открыт Джоном Сили Таунсендом в его работе между 1897 и 1901 годами, и также известен как разряд Таунсенда. Электронные лавины необходимы для диэлектрического процесса распада в газах. Процесс может завершиться выбросами короны, потоками, лидерами или искрой или непрерывной дугой, которая полностью преодолевает разрыв между электрическими проводниками, которые применяют напряжение. Процесс распространяется на огромные искры стриймеры в разрядах молний распространяются путем образования электронных лавин, созданных в высокопотенциальном градиенте впереди продвигающихся концов стриймеров. После начала лавин часто усиливаются созданием фотоэлектронов в результате ультрафиолетового излучения, излучаемого атомами возбужденной среды в области заднего конца. Этот процесс также может использоваться для обнаружения ионизирующего излучения с помощью эффекта умножения газа в лавинообразном процессе. Это ионизирующий механизм трубки Гейгера-Мюллера и, в ограниченной степени, пропорционального счетчика, также используется в искровых камерах и других проволочных камерах.
An electron avalanche is a process in which a number of free electrons in a transmission medium are subjected to strong acceleration by an electric field and subsequently collide with other atoms of the medium, thereby ionizing them (impact ionization). This releases additional electrons which accelerate and collide with further atoms, releasing more electrons—a chain reaction. In a gas, this causes the affected region to become an electrically conductive plasma. The avalanche effect was discovered by John Sealy Townsend in his work between 1897 and 1901, and is also known as the Townsend discharge. Electron avalanches are essential to the dielectric breakdown process within gases. The process can culminate in corona discharges, streamers, leaders, or in a spark or continuous arc that completely bridges the gap between the electrical conductors that are applying the voltage. The process extends to huge sparks — streamers in lightning discharges propagate by formation of electron avalanches created in the high potential gradient ahead of the streamers' advancing tips. Once begun, avalanches are often intensified by the creation of photoelectrons as a result of ultraviolet radiation emitted by the excited medium's atoms in the aft tip region. The process can also be used to detect ionizing radiation by using the gas multiplication effect of the avalanche process. This is the ionisation mechanism of the Geiger–Müller tube and, to a limited extent, of the proportional counter and is also used in spark chambers and other wire chambers.
Анализ
Плазма начинается с редкого естественного "фонового" ионизирующего события нейтральной молекулы воздуха, возможно, в результате фотоэкцитации или фонового излучения. Если это событие происходит в области с высоким потенциальным градиентом, положительно заряженный ион будет сильно притягиваться к электроду или отталкиваться от него в зависимости от его полярности, тогда как электрон будет ускоряться в противоположном направлении. Из-за огромной разницы в массе электроны ускоряются до гораздо более высокой скорости, чем ионы. Высокоскоростные электроны часто сталкиваются с нейтральными атомами неэластично, иногда ионизируя их. В цепной реакции или "электронной лавине" дополнительные электроны, недавно отделенные от своих положительных ионов сильным градиентом потенциала, вызывают большое облако электронов и положительных ионов, которые мгновенно генерируются только одним начальным электроном. Однако свободные электроны легко захватываются нейтральными молекулами кислорода или водяного пара (так называемые электроотрицательные газы), образуя отрицательные ионы. В воздухе при STP свободные электроны существуют только около 11 наносекунд, прежде чем быть захваченными. Захваченные электроны эффективно удаляются из игры, они больше не могут способствовать процессу лавины. Если электроны создаются со скоростью, большей, чем теряются, чтобы захватить их, их количество быстро умножается, процесс характеризуется экспоненциальным ростом. Степень умножения, которую может обеспечить этот процесс, огромна, в зависимости от ситуации может достигать нескольких миллионов раз. Фактор умножения M дается где X1 и X2 - позиции, между которыми измеряется умножение, а α - константа ионизации. Другими словами, один свободный электрон в положении X1 приведет к M свободных электронов в положении X2. Замена градиентов напряжения в этом уравнении приводит к получению: где V - приложенное напряжение, VBR - разрывное напряжение, а n - эмпирически полученное значение от 2 до 6. Как видно из этой формулы, коэффициент умножения очень сильно зависит от применяемого напряжения, и по мере того, как напряжение приближается к разрывному напряжению материала, коэффициент умножения приближается к бесконечности, а ограничивающим фактором становится наличие носителей заряда. Для поддержки лавин требуется резервуар заряда для поддержания приложенного напряжения, а также постоянный источник запуска событий. Ряд механизмов может поддерживать этот процесс, создавая лавину за лавиной, чтобы создать корона-токи. Требуется вторичный источник плазменных электронов, поскольку электроны всегда ускоряются полем в одном направлении, что означает, что лавины всегда проходят линейно к электроду или от него. Доминирующий механизм создания вторичных электронов зависит от полярности плазмы. В каждом случае энергия, излучаемая в виде фотонов при начальной лавине, используется для ионизации соседней молекулы газа, создавая другой ускоряемый электрон. Разница в том, где находится этот электрон. Когда одна или несколько электронных лавин происходят между двумя электродами достаточного размера, может произойти полный лавиновый разрыв, завершившийся электрической искрой, которая преодолевает разрыв.
Where X1 and X2 are the positions that the multiplication is being measured between, and α is the ionization constant. In other words, one free electron at position X1 will result in M free electrons at position X2. Substituting the voltage gradients into this equation results in
Where V is the applied voltage, VBR is the breakdown voltage and n is an empirically derived value between 2 and 6. As can be seen from this formula, the multiplication factor is very highly dependent on the applied voltage, and as the voltage nears the breakdown voltage of the material, the multiplication factor approaches infinity and the limiting factor becomes the availability of charge carriers. Avalanche sustenance requires a reservoir of charge to sustain the applied voltage, as well as a continual source of triggering events. A number of mechanisms can sustain this process, creating avalanche after avalanche, to create a corona current. A secondary source of plasma electrons is required as the electrons are always accelerated by the field in one direction, meaning that avalanches always proceed linearly toward or away from an electrode. The dominant mechanism for the creation of secondary electrons depends on the polarity of a plasma. In each case, the energy emitted as photons by the initial avalanche is used to ionise a nearby gas molecule creating another accelerable electron. What differs is the source of this electron. When one or more electron avalanches occur between two electrodes of sufficient size, complete avalanche breakdown can occur, culminating in an electrical spark that bridges the gap.