Процеси, що ускладнюють пробій

Розглянемо явища, що виявляють обмежуючу дію на ріст струму в процесі розвитку пробою.

1. “Прилипання” електронів - захоплення електронів нейтральними атомами або молекулами газу з утворенням більш-менш стабільних негативних іонів.

Здатність атомів і молекул до захоплення електронів вище в тому випадку, коли зовнішня електронна оболонка майже заповнена. Імовірність захоплення визначається енергією спорідненості до електрона й має максимальне значення для таких газів як F₂ і O₂ (енергія спорідненості до електрона 4 еВ). Відсутнє “прилипання” в інертних газах, а також у газах, основним станом молекул яких є S - стани? - у водні, в азоті й в окисі вуглецю. Енергія спорідненості до електрона для таких газів негативна або близька до нуля.

Якщо відбувається захоплення електрона часткою з позитивною енергією спорідненості до електрона, то негативний іон, що утворюється, має відповідний надлишок енергії. Ця надлишкова енергія може випускатися у вигляді кванта світла (радіаційне захоплення), передаватися третій частці (захоплення при потрійних зіткненнях) або переходити в енергію коливального збудження частки, іноді проводячи до дисоціації молекул газу.

Так як рухливість негативних іонів значно менша рухливості електронів, “прилипання” електронів приводить до. зниження ефективності первинних процесів через зменшення числа електронів, що беруть участь у них. У випадку ударної іонізації електронами ефективний коефіцієнт ударної іонізації

α_u=α – b,

де α - коефіцієнт ударної іонізації під час відсутності “прилипання”;

b- коефіцієнт “прилипання”, що дорівнює кількості негативних іонів, що утворяться на одиничній відстані.

Вирази для повного струму розряду в газі при наявності ударної іонізації й “прилипання” можна отримати при вирішенні системи рівнянь безперервності для електронного струму й струму позитивних і негативних іонів

де n, n₊, n_- - концентрації електронів, позитивних і негативних іонів відповідно;

v_e - швидкість дрейфу електронів.

Якщо початковий фотострум дорівнює i₀, а вторинні катодні процеси відсутні, то

у відповідності зі сказаним вище.

Негативні іони можуть віддавати електрони нейтральним атомам (процес перезарядження). Крім того вони можуть нейтралізуватися при зіткненнях, якщо енергія, передана негативному іону частинкою, що налітає, перевищує енергію спорідненості до електрона, або при поглинанні фотона із відповідною енергією (фотовідщіплення).

2. Рекомбінація - нейтралізація заряджених часток у газорозрядній плазмі в результаті взаємодії електронів і негативних іонів з позитивними іонами. Якщо концентрації негативних і позитивних часток однакові й рівні n , то їхня зміна з часом описується рівнянням

,

де a - коефіцієнт рекомбінації.

При початковій концентрації часток n₀ розв’язання даного рівняння становить

Іон-іонна рекомбінація відбувається як результат кулонівської взаємодії іонів або внаслідок теплових зіткнень. Надлишок енергії випромінюється у вигляді фотона або передається третій частинці.

Електрон-іонна рекомбінація носить переважно радіаційний характер. Випромінювання при цьому має безперервний спектр, обмежений частотою, що обумовлена потенціалом іонізації.

Рекомбінаційні процеси стають істотними при високих тисках газу й у нерівномірних полях в областях з низькою напруженістю поля. Коефіцієнт іон-іонної рекомбінації для повітря при нормальних умовах дорівнює приблизно 10^-6 см³/с, а електрон-іонної – 10^-10 см³/с.

3. Дифузія – процес вирівнювання за всим об’ємом концентрації частинок, зосереджених спочатку в обмеженій області об’єму, внаслідок їх хаотичного теплового руху. Інтенсивність процесу дифузії визначається коефіцієнтом дифузії , пов'язаним з іншими характеристиками теплового руху - середньою швидкістю й довжиною вільного пробігу – співвідношенням . Дифузія обумовлює струм? частинок

,

де - градієнт концентрації частинок.

Дифузія заряджених частинок, що утворюються в процесі розвитку пробою накладається на дрейф частинок в електричному полі, сприяючи поширенню процесів іонізації поперек поля, прискорюючи розсіювання об'ємних зарядів і т.п. При атмосферному тиску й температурі 15°С коефіцієнти дифузії позитивних і негативних іонів у повітрі відповідно дорівнюють: D₊ = 0,028 см³/с, D₊ = 0,043 см³/с.

Так як довжина вільного пробігу електрона в чотири рази більша довжини вільного пробігу іона, а теплова швидкість електронів приблизно в разів (m_n - маса іона в протонних масах) перевищує теплову швидкість іонів, то коефіцієнт дифузії електронів істотно вищий, ніж іонів. Для повітря при нормальних умовах D_e@ 10 cм²/c.

Це розходження в коефіцієнтах дифузії електронів і іонів приводить у випадку плазми до специфічної форми дифузії – амбіполярної, тому що при виході електронів із нейтральної плазмової хмари в ній виникає електричне поле, яке гальмує рух електронів і прискорює рух позитивних іонів, електрони й іони дифундують у цьому випадку разом. Коефіцієнт амбіполярної дифузії дорівнює

де m_b й m₊ - рухливості електронів і позитивних іонів відповідно.

При m_b >>m₊ коефіцієнт D_b@2D₊ , так як між рухливістю й коефіцієнтом дифузії має місце співвідношення Ейнштейна D/m=kT/e .

Амбіполярна дифузія відіграє основну роль у сильнострумових розрядах і в деяких випадках при високочастотному пробої газів.

Розглянемо найбільш імовірні механізми пробою і виділимо найбільш істотні для кожного з них ініціюючі, первинні й вторинні процеси.