Файл: Техника высоких напряжений учеб. пособие.pdf

§ 2.3. ПРОБОИ ПРОМЕЖУТКОВ С ОДНОРОДНЫМ ПОЛЕМ. ЛАВИННАЯ ФОРМА РАЗРЯДА

При выполнении условия (2.14) ток в промежутке возрастает скач­ ком примерно на три порядка по сравнению с током несамостоятель­ ного разряда. Срок жизни возбужденной молекулы и время распро­ странения фотона весьма малы. Поэтому интервал времени между ла­ винами соизмерим со временем развития лавины, которое значительно меньше времени ожидания свободного электрона, возникшего от внеш­ него источника излучения. Однако процесс развития разряда на этом не заканчивается. Накопление в разрядном промежутке ионов иска-

жает его поле, что приводит к изменению условий воспроизводства лавин.

Лавины, возникающие вследствие фотоэффекта с катода и фотопонизации в объеме газа, могут находиться на значительном расстоянии одна от другой (рис. 2.3). В результате после прохождения большого числа лавин плотность положительного объемного заряда в каждом сечении промежутка, перпендикулярном оси х, приблизительно одинакова на значительном расстоянии от оси х и возрастает по мере приближения к •аноду по экспоненциальному закону [см. (2.5)]. Возникающее при этом искажение электрического поля промежутка схематически показано на рис. 2.4.

Уменьшение напряженности поля вблизи анода приводит к тому, что накопление положительных ионов в этой области поля прекра­ щается. Последующие лавины производят основное количество иони­ заций на удалении от анода, где плотность объемного заряда невелика. Изменение распределения напряженности поля в разрядном проме­ жутке приводит к изменению числа электронов в лавинах. Действи­ тельно, оно в этом случае равно приблизительно е (а_ч) А, где А —

27

часть промежутка, на которой имеется достаточная для ударной иони­ зации напряженность поля ЕжіІ/А. Если а — г] при росте Е возра­ стает быстрее, чем сокращается А (т. е. а—т) растет быстрее, чем про­ порционально Е), то произведение (а—ц) А и, следовательно, числа электронов в лавинах возрастают. Это имеет место при напряженно­ стях поля, при которых Е/р меньше величины (Е/р)0, соответствующей точке В кривой а /p=f(E/p), изображенной на рис. 1.4. Поскольку при этом большая часть фотонов возникает на меньшем расстоянии от ка­ тода, то поглощение фотонов в объеме газа уменьшается и увеличива­ ется число вторичных лавин от фотоэлектронов е катода.

Накопление объемного заряда в промежутке происходит весьма быстро. При этом можно пренебречь движением положительных ионов и, следовательно, освобождением с поверхности катода электронов вследствие ударов положительных ионов. Условие самостоятельности разряда (2.14) принимает вид

тате увеличения тока через промежуток и накоп­ ления объемного заряда, устойчиво, поскольку не­ значительное случайное отклонение тока приводит к таким изменениям поля и процессов в проме­ жутке, которые восстанавливают режим разряда.

Например, при дальнейшем увеличении тока разряда искажение поля приводит к неравенству IR< 1 и ток снова уменьшается до величины, соответствующей стационарному состоянию. Таким образом, пробой разрядного промежутка представляет собой переходный процесс от начального неустойчивого состояния к устойчивому с увеличенным то­ ком через разрядный промежуток.

Рассмотренный механизм характерен для тлеющего разряда, воз­ никающего при низких давлениях газа и достаточно большом сопро­

28

тивлении в цепи разряда, ограничивающем ток через разрядный про­ межуток миллиамперами. В стационарном режиме тлеющего разряда ударная ионизация электронами поддерживается в узкой области вблизи катода, падение напряжения на которой составляет 50-4-400 в (напряженность поля равна приблизительно 500 в/см). В остальной части промежутка, заполненного положительными ионами и электро­ нами, напряженность поля на порядок меньше. Плотность тока тле­ ющего разряда составляет доли миллиампера на 1 см2.

При давлениях порядка десятков миллиметров ртутного столба и более и при малом сопротивлении в цепи разряда протекание тока через газ. вызывает его разогревание. Случайное увеличение темпера­ туры газа в какой-либо части промежутка приводит к повышению про­ водимости и сосредоточению в ней тока разряда, дальнейшему нагреву газа и увеличению его проводимости в результате термоионизации. Образуется проводящий канал с температурой в несколько тысяч градусов, падение напряжения на котором составляет десятки вольт на 1 см. Вне канала газ не ионизован и ток не проводит. Этот вид раз­ ряда называется электрической дутой, или просто дугой (см. §2.12).

в однородном поле зависит от произведения плотности газа на длину

В табл. 2.1 приведены измеренные величины разрядных напряжен­ ностей в промежутках с однородным полем в сухом воздухе при ат­ мосферном давлении и соответствующие величины а—г) и а—ц—р, где р, по данным измерений, принято равным 3,3 см'1. Как видно, произведение (а—ц) 5 заметно увеличивается при увеличении длины промежутка, тогда как произведение (а—д—р) S в широком диапа­ зоне изменения S (0,1 s=T 5 ^ Зсм) изменяется незначительно, что сви­ детельствует о практически неизменном числе Фотонов, достигающих

29

■поверхности катода при выполнении условий самостоятельности раз­ ряда в промежутках разной длины.

Из табл. 2.1 видно также, что число электронов начальной лавины самостоятельного разряда Nen весьма быстро возрастает с увеличением

Учитывая, что (а—ц—р)/[а^(р5)/г3г|к] увеличивается с ростом S, видим, что УѴгн возрастает быстрее, чем exp(p.S). Быстрое увеличение числа электронов в начальной лавине Уен =ехр [(а—р) SJ самостоя­ тельного разряда в воздухе приводит к изменению механизма разряда

нов вторичных лавин по сравнению со случаем неискаженного поля и к усилению ионизационных процессов вблизи оси начальной лавины. Выполнение условия самостоятельности разряда означает поддер-. -жание непрерывного потока электронов, образуемых вторичными ла­ винами. При этом концентрация электронов вблизи анода сравнима •с концентрацией положительных ионов и напряженность поля на по­ верхности анода положительна, однако меньше средней напряженно­ сти в разрядном промежутке (порядка 10 кв/см при 5—1). Поэтому по мере приближения вторичных лавин к аноду интенсивность иониза­ ции быстро падает. В результате концентрация положительных ионов вблизи анода практически не возрастает, а на некотором расстоянии от анода продолжается накопление положительных ионов, что при­ водит к расширению области с пониженной напряженностью поля вблизи анода. Постепенно область наибольшей интенсивности иони­ зации отдаляется от анода (см. рис. 2.6), а область положительного пространственного заряда вытягивается в виде канала, по которому проходят электроны вторичных лавин. Такой канал получил на­ звание «стример» 1 (рис. 2.7). Стример представляет собой последова-

1 Впервые стримерный процесс обнаружил экспериментально и исследовал теоретически Ретер.

30