1. Что такое лавина и стример?
Электронная лавина — это процесс, при котором ряд свободных электронов в пропускающей среде подвергаются сильному ускорению электрическим полем и впоследствии сталкиваются с другими атомами среды, тем самым ионизируя их (ударная ионизация).
экспоненциальный рост количества носителей заряда в промежутке от катода к аноду за счет ударной ионизации молекул электронами (n=n0·e ad ).
Коэффициент a называется коэффициентом ударной ионизации. Он определяется донорно-акцепторными свойствами молекул жидкости, зависит от длины свободного пробега и резко зависит от напряженности поля. Для примера a =18 1/cм при 30 кВ/см в воздухе.
Возникновение лавины — это еще не пробой. Необходимо, чтобы после прохождения лавины на катоде снова появился электрон. После этого возникает повторная лавина, затем еще лавина и т.д. Возникает самостоятельный многолавинный разряд. Для самостоятельности разряда необходимо вырывание электронов из катода положительными ионами, либо фотонами. Для оценки процесса вводят коэффициент g — т.н. вторичный ионизационный коэффициент, характеризующий вероятность появления на катоде нового электрона после прохождения одной лавины. Для плотности электронного тока можно получить выражение j=j0· e/(1-g (e ad -1)).
Стримеры — это светящиеся извивающиеся ветвящиеся искры, плазменные каналы, состоящие из ионизированных молекул воздуха, которые многократно вылетают из электрода в воздух.
Стримерный разряд (нитевидный разряд) — тип переходного электрического разряда, который образуется на поверхности проводящего электрода, несущего высокое напряжение в изолирующей среде, такой как воздух.
2. В чем различие между несамостоятельным и самостоятельным разрядами?
Самостоятельный заряд происходит в газе без действия внешнего ионизатора, а
несамостоятельный заряд происходит только при действии на газ внешнего ионизатора или по другому это разряд, происходящий без действия внешнего ионизатора (электронным ударом). Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, наз. напряжением пробоя (потенциал ионизации).
3. В чем состоит физический смысл уравнения самостоятельности разряда?
Физический смысл уравнения самостоятельности — заключается в том, что электрон, вылетающий из катода, должен на своем пути к аноду создать такое число положительных ионов, которым можно выбить из катода по крайней мере один электрон.
4. Что такое начальное напряжение?
Начальные напряжения — напряжения, которые имеются в не нагруженном внешней нагрузкой элементе и которые появились в нем в результате предшествующей работы элемента и его деформаций; поэтому они называются также и остаточными напряжениями.
6. Что такое слабо неоднородное поле?
Неоднородным поле — электрическое поле, в котором напряженность поля в различных точках различна. Такие поля имеют место, если электроды имеют сложную форму или отличаются друг от друга по форме (острие-плоскость, острие-шар и т.п.). Степень неоднородности поля характеризуется коэффициентом неоднородности.
7. Как влияет полярность напряжения на начальное и пробивное напряжения промежутка с сильно неоднородным полем?
Полярность сильно влияет не только на начальные, но и на пробивные напряжения в промежутках с резко неоднородными полями. Это объясняется тем, что при (положительной) полярности электрода с меньшим радиусом новые электроны могут образовываться только в объеме газа за счет фотоионизации. При (отрицательной) полярности того же электрона новые электроны могут возникать в объеме газа и освобождаться с поверхности электрода за счет фотоэффекта и при бомбардировке положительными ионами.
6. Электрический разряд в газах. Стримерная форма разряда. Разряд в форме стримера.
Количество электронов в лавине в случае плотных газов вследствие высокой частоты столкновений, оказывается весьма велико и достигает 10 9 . Такой же порядок имеет и число ионов в области положительного объёмного заряда. При этом ещё до момента пересечения первичной лавиной газоразрядного промежутка вторичные электроны, извлечённые из катода при бомбардировке последнего положительными ионами, попадают в область положительного объёмного заряда. Таким образом на месте области положительного объёмного заряда образуется плазменная область содержащая электроны и положительные ионы. Данная область называется стримером (разряд в виде, светящийся области, число электронов в лавине больше, чем в тёмном разряде.). Внутри стримера высокой плотности объёмных зарядов происходит интенсивная рекомбинация при соединении электрона и иона, избыток энергии частиц излучается в виде световых квантов. Поэтому стримеры наблюдаются всегда как светящиеся области. Световые кванты распространяются в область, находящуюся впереди стримера, производя фотоионизацию находящихся там атомов.
Лавина переходит в стример формируется при Ni,e>10 7 -10 9
Это достигается в плотных, включая нормальные условия, газах и достаточно длинных (свыше 2см) газовых промежутков S
S – расстояние между электродами
— коэффициент ударной ионизации – число ионизаций, совершаемых одним электроном на единице длины пути вдоль электрического поля
X – расстояние пройденное лавиной вдоль поля
(стример – светящийся канал)
Стример отличается от чисто лавинной формы тем, что пробой промежутка происходит гораздо быстрее, чем мы могли бы ожидать в рамках механизма разряда Таунсенда (там временным фактором временным фактором является время дрейфа положительных ионов). У стримерной формы главным агентом является не положительные ионы.
Также стример отличается тем, что он очень «вяло» зависит от материала катода (почти не зависит). Условия формирования стримера x>=20, x
Основной эффект заключается в том, что поскольку промежуток достаточно длинный, то + ионы начинают бомбардировать катод, ещё до того, как лавина первичная пересекает разрядный промежуток. В результате такой бомбардировки вблизи катода смешиваются вновь полученные с катода электроны с + ионами, которые получились в результате прохода 1-ой лавины. Позади такого образования образуется квазиплазменная конфигурация (смесь + ионов и – электронов). Головная часть стримера – это лавина с разделением быстрых электронов и относительно медленных ионов, при чём происходит интенсивная рекомбинация (взаимодействие +ионов с электронами), в результате которой выделяется энергия в виде кванта света.
С учётом того, что скорость распространения излучения 3·10 8 м/с на порядки выше дрейфовых скоростей любых заряженных частиц, область ионизации распространяется вдоль разрядного промежутка существенно быстрее, чем при дрейфовом механизме. Поэтому время формирования пробоя в случае стримерной формы разряда значительно меньше, чем у Таунсендовского. Скорость удлинения стримера может достигать 10 8 см/с, а длина – нескольких метров. Радиус канала стримера обычно составляет 0.01-0.1 см. Температура канала стримера имеет порядок 1000 К. После пересечения стримером газоразрядного промежутка наступает стадия главного разряда, распространяющегося в противоположном направлении в виде области с очень высокой степенью ионизации. После перекрытия промежутка главным разрядом в промежутке возникает электрическая дуга (в случае импульсного процесса, называемая искрой), параметры которой (проводимость, температура, светимость) зависят от мощности питающего промежуток источника.
Встречаются варианты, когда стример формируется не от катода, а от анода (анодный стример). Сначала происходит перекрытие лавиной промежутка (т.е. пересечение), далее процесс формирование анодного стримера. Промежутки должны быть достаточно короткими (S должно быть<20).
1.6. Образование стримера
В процессе развития лавины непрерывно увеличивается число электронов и положительных ионов. С увеличением числа электронов в головке лавины возрастает напряженность на фронте лавины (см. рис. 1.5). На хвосте лавины напряженность понижена. Электроны в головке лавины останавливаются и могут рекомбинировать с ионами. При рекомбинации излучаются фотоны, которые способны вблизи хвоста первичной лавины ионизировать нейтральные молекулы, образуя вторичные лавины. Вторичные лавины, следуя по силовым линиям 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, а наибольшая концентрация частиц (плотность тока) образуется вблизи катода. Картина образования стримера приведена на рис. 1.7. Для фотоионизации в объеме газа энергия фотонов должна быть больше энергии ионизации. Этот процесс успешно осуществляется в смесях газов, содержащих компоненты с относительно низкой энергией ионизации (в том числе и в воздухе). Бомбардировка катода положительными ионами эффективна при низких давлениях газа.
Рис. 1.7. Механизм развития катодного стримера: 1 – электрод (катод); 2 – канал стримера; 3 – лавины; 4 – движение фотонов; 5 – электроны за счет фотоионизации
Критерием перехода лавинного разряда в стримерный является критическое число электронов в лавине. Расчеты показывают, что при числе электронов n кр ≥ 10 7 –10 9 лавина переходит в стример. Для накопления такого количества электронов лавина должна пройти определенное критическое расстояние x кр . Следовательно, с увеличением расстояния между электродами (свыше x кр ) лавина неизбежно перейдет в стримерную форму развития разряда. Необходимо отметить, что x кр зависит от давления газа и его состава.
1.7. Закон Пашена
Выполнение условия самостоятельности разряда (1.18) в однородном поле означает пробой всего промежутка. Приняв η = 0 и приравняв (1.18) единице, получим
| γ ( e α S − 1 ) = 1, | (1.19) | |
| или | ||
| e α S = 1 + | 1 . | (1.20) |
| γ | ||
Прологарифмируем выражение (1.20) и преобразуем его относительно α:
| + | 1 | |
| ln 1 | ||
| α = | γ | . |
| S | ||
Экспериментально установлено, что − B 0 P α = A 0 Pe E , где P – давление газа; E – напряженность электрического поля; A 0 – коэффициент, зависящий от состава газа: A 0 = π kT r 2 , где r – радиус молекул; k – постоянная Больцмана; Т – температура в градусах Кельвина;
В 0 – коэффициент, зависящий от энергии ионизации газа: B 0 = A 0 U И , где U И – потенциал ионизации газа. Приравняв выражения для α (1.21) и (1.22), получим
| 1 | − | B 0 P | |||||||||||||
| E . | |||||||||||||||
| ln 1 | + | = A | P S e | ||||||||||||
| γ | |||||||||||||||
| 0 | |||||||||||||||
| Подставив в (1.23) | E = U | , имеем | |||||||||||||
| S | |||||||||||||||
| 1 | − | B 0 P S | |||||||||||||
| ln 1 | + | = A | P S e | U , | |||||||||||
| γ | 0 | ||||||||||||||
| или | |||||||||||||||
| B 0 P S | A 0 P S | . | |||||||||||||
| e U | = | ||||||||||||||
| 1 | |||||||||||||||
| ln 1 + | |||||||||||||||
| γ | |||||||||||||||
Прологарифмируем выражение (1.24), тогда
| B P S | A P S | |||
| 0 | = ln | 0 | . | |
| U | 1 | |||
| ln 1 | + | |||
| γ | ||||
(1.23) (1.24) (1.25)
Поскольку нас интересует напряжение, при котором произойдет пробой, приравняем U = U ПР . Тогда из выражения (1.25)
| U ПР = | B 0 P S | . | (1.26) | ||
| ln | A 0 P S | ||||
| 1 | |||||
| ln 1 + | |||||
| γ | |||||
Из уравнения (1.26) видно, что при неизменной температуре разрядное напряжение в однородном поле является функцией произведения давления P на расстояние между электродами S , т. е. U ПР = f ( P S ) .
Эту закономерность впервые экспериментально обнаружил Пашен, и выражение (1.26) называется законом Пашена. Графически эта закономерность представлена на рис. 1.8. В приложении 1 на рис. П1 показаны кривые Пашена для воздуха, водорода и аргона. Необходимо отметить, что минимальные значения пробивных напряжений для разных газов различные, как видно из кривых. Это является экспериментальным подтверждением закона Пашена (уравнение 1.26). Вид этой зависимости можно объяснить, исходя из физических представлений. При S = const увеличение давления, больше значения, соответствующего минимуму, приводит к увеличению числа столкновений электронов с нейтральными атомами и молекулами и, как следствие, к уменьшению его энергии, накапливаемой на длине свободного пробега. Следовательно, для возникновения ударной ионизации необходимо увеличение напряжения U ПР . С другой стороны, при давлениях, меньших минимума пробивного напряжения U ПР , увеличивается длина свободного пробега и накапливаемая электроном энергия, но уменьшается количество столкновений, что уменьшает вероятность ударной ионизации. Для ее увеличения необходимо, чтобы как можно большее число столкновений заканчивалось ионизацией. Для этого необходимо увеличивать энергию электрона на длине свободного пробега, т. е. увеличивать U ПР . U ПР , 50 %
| кВ | ||||
| 10 | ||||
| 5 | ||||
| 1 | ||||
| 0,5 | ||||
| 0,2 | ||||
| 0,1 0,1 | 0,5 1 | 5 10 | 50 100 | 500 |
PS , ммрт.ст. • см Рис. 1.8. Графическое отображение закона Пашена для воздуха Закон Пашена в виде формулы (1.26) справедлив при нормальной температуре. Изменение температуры действует обратно изменению давления и должно учитываться при расчетах. В общем виде, с учетом изменения температуры, закон Пашена запишется так:
Стримерная теория электрического пробоя газов
Само слово «стрим» (stream) переводится как «поток». Соответственно «стример» — это набор тонких разветвленных каналов, по которым движутся своеобразными потоками электроны и ионизированные атомы газа. По сути стример является предшественником пробоя при коронном или искровом разряде в условиях сравнительно высокого давления в газе и относительно большого расстояния между электродами.
Разветвленные светящиеся каналы стримера удлиняются и в конце концов перекрывают, замыкают собой промежуток между электродами — образуется непрерывные проводящие нити (искры) и искровые каналы. Образование искрового канала сопровождается увеличением тока в нем, резким повышением давления, возникновением ударной волны на границе канала, что слышатся нами как треск искр (гром и молния в миниатюре).
Ярче всего светится головка стримера, находящаяся в передней части нити канала. В зависимости от характера газообразной среды между электродами, направление движения головки стримера может быть одним из двух, так различают анодный и катодный стримеры.
Вообще стример — это такая стадия пробоя, которая находится между искрой и лавиной. Если же расстояние между электродами мало, а давление газообразной среды между ними низко, то лавинная стадия минует стримерную и переходит сразу в искровую.
В отличие от электронной лавины, стример характеризуется высокой скоростью (порядка 0,3% скорости света) распространения головки стримера к аноду или катоду, которая многократно выше скорости дрейфа электронов просто во внешнем электрическом поле.
При атмосферном давлении и при расстоянии между электродами в 1 см, скорость распространения головки катодного стримера оказывается в 100 раз выше скорости электронной лавины. По этой причине стример рассматривается как отдельная предпробойная стадия электрического разряда в газе.
Хейнц Раетнер, экспериментируя в 1962 году с камерой Вильсона, наблюдал переход лавины в стример. Леонард Лёб и Джон Мик (так же как и Раетнер независимо от них) предложили стримерную модель, которая объяснила, почему самостоятельный разряд формируется со столь высокой скоростью.
Дело в том, что к высокой скорости движения головки стримера приводят два фактора. Первый фактор — газ перед головкой возбуждается резонансным излучением, что ведет к появлению так называемых затравочных свободных электронов в ходе реакции ассоциативной ионизации.
Затравочные электроны образуются по ходу канала более эффективно чем это происходило бы при прямой фотоионизации. Второй фактор — напряженность электрического поля пространственного заряда около головки стримера превосходит по средней напряженности электрическое поле в промежутке, таким образом достигается высокая скорость ионизации по ходу распространения фронта стримера.
На вышеприведенном рисунке изображена схема формирования катодного стримера. Когда головка лавины электронов достигла анода, в межэлектродном пространстве за ней еще остался хвост в виде облака ионов. Здесь из-за фотоионизации газа возникают дочерние лавины, которые к этому облаку положительных ионов присоединяются. Заряд все более уплотняется, и таким образом получается самораспространяющийся поток положительного заряда — непосредственно стример.
Теоретически в той точке пространства между электродами, где лавина переходит в стример, в определенный момент имеет место точка, где суммарное электрическое поле (электрическое поле создаваемое электродами и поле пространственного заряда головки стримера) обращается в ноль. Предполагается, что эта точка лежит на оси лавины. Вообще, фронт стримера — это нелинейная волна ионизации, волна пространственного заряда, которая возникает в свободном пространстве подобно волне горения.
Существенное значение для формирования фронта катодного стримера имеет выход излучения за пределы промежутка между электродами. В момент, когда в головке стримера величина напряженности электрического поля достигает критического значения, которое соответствует началу убегания электронов, происходит нарушение локального равновесия между электрическим полем и распределением электронов по скоростям, что вообще-то сильно усложняет стримерную модель электрического пробоя газа.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика