1.1.4. Стримерная форма разряда

Лавинная форма самостоятельного разряда, для которой характерна ионизация во всем объеме газа, имеет место, если произведение , определяющее число электронов в отдельной лавине, относительно невелико – не превышает несколько единиц. Характер процесса качественно меняется, если упомянутое произведение становится близким и превышает 18–20, а число электронов лавины, прошедшей путь и определяемое по формуле , превышает 10⁸…10⁹. При этих условиях выполняется критерий лавинно-стримерного перехода и разряд переходит в новую форму – стримерную. Такая форма разряда характерна для атмосферных давлений и больших напряжений.

Стримерная теория газового разряда основана на представлении о прорастании между электродами плазменного канала – стримера. Стример представляет собой светящийся слабоионизованный тонкий канал, который образуется в результате слияния электронных лавин и распространяется в ту или другую, или в обе стороны к электродам. Рассмотрим несколько подробнее переход от лавинной формы разряда к стримерной.

В ходе развития лавины непрерывно увеличивается число электронов и положительных ионов. С увеличением числа электронов в головке лавины возрастает напряженность на фронте лавины. Критерием перехода лавинного разряда в стримерный (лавинно-стримерный переход) является критическое число электронов в лавине. Расчеты показывают, что при числе электронов n_кр  10⁷…10⁹ лавина переходит в стример. Для накопления такого количества электронов лавина должна пройти определенное критическое расстояние х_кр. Необходимо отметить, что х_кр зависит от давления газа и его состава.

Когда лавина, развивающаяся от катода, достигнет критической длины х_кр, напряженность электрического поля в ее хвосте недостаточна, чтобы электроны могли производить ионизацию, тогда образуется стример. А на фронте лавины поле значительно усиливается и становится возможной фотоионизация в объеме (рис. 1.5). Вторичные лавины, следуя вдоль силовых линий поля и имея на головке избыточный отрицательный заряд (электроны), втягиваются в область положительного объемного заряда, оставленного первичной лавиной. Электроны вторичных лавин смешиваются с положительными ионами первичной лавины и образуют стример – область с наибольшей плотностью тока, которая, разогреваясь, начинает светиться.

Рис. 1.5. Механизм развития положительного стримера: 1 – анод; 2 – канал стримера; 3 – лавины; 4 – фотоны; 5 – электрон, появившийся за счет фотоионизации

Стримерная форма разряда в коротких промежутках завершается, когда стримеры замыкают промежуток, в результате образуется искровой канал.

1.1.5. Искровой разряд

Если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе, то возникает искровой разряд. Электрическая искра имеет вид ярко светящегося канала, соединяющего оба электрода, который обычно бывает разветвлен. Искровой разряд возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторого определенного значения Е_к – критическая напряженность поля или напряженность пробоя, которая зависит от рода газа и его состояния. Значение Е_к возрастает с увеличением давления. Отношение критической напряженности поля к давлению p для конкретного газа остается приблизительно постоянным в широкой области изменения давлений:

. (1.14)

Напряжение пробоя понижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить к газовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробивного, и внести в пространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искровой разряд. Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электрода излучением ультрафиолетовой области спектра, инжекция электронного пучка в разрядный промежуток, а также другие ионизаторы.

Зажигание искрового разряда происходит по следующей схеме: благодаря наличию эффективных электронов в межэлектродном промежутке формируются начальные электронные лавины, при выполнении критерия лавинно-стримерного перехода образуются стримеры. Приведем оценки основных параметров канала искрового разряда. Концентрация электронов в канале в момент возникновения находится на уровне . Частота столкновений электронов с молекулами газа составляет 10¹² с^–1. Сопротивление канала оценим как для цилиндрического проводника:

, (1.15)

где  – удельное сопротивление канала; l_к – длина канала; S – сечение канала (10^–8…10^–7 м^–2). Расчеты показывают, что сопротивление канала искрового разряда длиной 10^–2 м имеет порядок 10⁴…10⁵ Ом. Если внутреннее сопротивление генератора много меньше этого значения, то напряжение на промежутке после замыкания его стримером близко к начальному. Спад напряжения при одновременном росте тока в цепи происходит из-за снижения сопротивления канала вследствие его расширения и роста проводимости плазмы.

Процессы в искровом разряде достаточно сложны: вначале ионизация распространяется по оси канала в виде волны (волна ионизации) со скоростью более 10⁸ см/с, затем рост концентрации электронов происходит однородно по длине. Эти процессы описываются моделью Ромпе–Вайцеля, по которой сопротивление канала

(1.16)

где R – сопротивление канала; a – постоянная, зависящая от давления газа; p – давление газа; I – ток разряда.

Модель Ромпе–Вайцеля описывает изменение концентрации электронов в диапазоне 10²¹…10²⁴ м^-3 при плотностях тока выше 10 А/см². Необходимо отметить, что сопротивление канала не зависит от его сечения, так как концентрация электронов, а следовательно, и проводимость плазмы при заданном токе обратно пропорциональны сечению.