Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПРОБОЙ ГАЗА

ПРОБОЙ ГАЗА

ПРОБОЙ ГАЗА - нестационарный процесс интенсивной ионизации газа под действием внеш. пост. или пе-рем. электрич. поля при достижении им нек-рой кри-тич. (пороговой) величины. В этом случае "затравочный" свободный электрон под действием поля набирает энергию, достаточную для ионизации атома, и, вовлекая далее в процесс ионизации газа всё новые и новые поколения электронов, порождает лавину электронную. Наряду с процессами рождения электронов существуют и процессы их исчезновения: прилипание к атомам и молекулам в эл.-отрицат. газах, потери на электродах п диффузия.

П. г. происходит, если скорость рождения электронов превосходит скорость их исчезновения. В случае равенства указанных скоростей существует стационарный разряд.

Разнообразие ситуаций, к-рые могут разыгрываться при П. г., определяется не только родом и плотностью газа, но и геометрией электродов п разрядной камеры, частотой перем. эл.-магн. поля. Простейший вариант относится к пробою между плоскими электродами в пост. электрич. поле (см. Пашена закон). Изучение именно этого вида П. г. позволило Дж. С. Таун-сенду (J. S. Townsend) открыть в 1900 электронную лавину и предложить лавинную теорию П. г.

При рассмотрении П. г. в перем. эл.-магн. поле с частотой со вводят новый параметр, равный отношению амплитуды колебаний электронов (при ) либо амплитуды дрейфовых движений (при ) к характерному размеру разрядной камеры L (- частота упругих столкновений электрона с атомами). Напр., для типичных условий СВЧ-пробоя этот параметр имеет величину (l = 10 см, L = 1 см).

На рис. 1 приведены эксперта, и теоретич. значения порога СВЧ-пробоя для смеси Не и паров Hg.

Рис. 1Зависимость порога СВЧ-пробоя для смеси гелия и паров ртути от давления. Сплошные линии - теория, кружки и точки - эксперимент; l = 10 см.

В области низких давлений преобладают потери на ионизацию, и тогда пороговое поле

в области высоких давлений напряжение пробоя . Положение минимума соответствует Мин. пороги пробоя в СВЧ-диапазоне имеют место при 110 тор, в оптическом - при десятках и сотнях атмосфер (см. Оптические разряды).

При ВЧ-пробое (l = 10100 м) возможна ситуация, когда амплитуда колебаний электрона и характерный размер разрядной камеры сравниваются. В этом случае появляется скачок потенциала зажигания ёмкостного ВЧ-разряда, что связывается с возрастанием диффузионных потерь электронов на стенках камеры. Влияние геометрии электродов на параметры П. г. может быть показано на примере зажигания коронного разряда между коаксиальными цилиндрами. В этом случае порог пробоя зависит от радиусов внутр. и внеш. цилиндров, а также от знака потенциала внутр. цилиндра по отношению к заземлённому внеш. цилиндру (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость потенциала зажигания для азота между проволокой и коаксиальным цилиндром (радиусы 0,083 и 2,3 см соответственно): 1- для положительно заряженной проволоки; 2- для отрицательно заряженной проволоки.

Лавинная теория П. г. применима в огранич. области параметра pd (d - расстояние между электрода-ми, p- давление). Отступления от теории возникают как при pd0 (см. Вакуумный пробой), так и при возрастании pd. Напр., при атм. давлении время П. г. (время формирования самостоят. разряда) оказывается на два порядка меньше (с при d= 1 см), чем следует из лавинной теории, где оно определяется в осн. подвижностью положит. ионов. Л. Б. Лёб (L. В. Loeb) и Дж. М. Мик (J. М. Meek), а также независимо от них X. Ретер (Н. Baether) предложили для объяснения высокой скорости формирования самостоят. разряда стри-мерную теорию, в к-рой учитывается ионизация газа вокруг первичной лавины в результате переноса излучения из её головки, а также волновой характер движения пространственного положит. заряда вдоль остова первичной лавины от анода к катоду (см. Стримеры).

При больших d возможен переход слабоионизов. канала стримера в хорошо проводящий лидер, обеспечивающий вынос потенциала электрода в глубь межэлектродного промежутка. На рис. 3 дана схема развития положит. лидера при пробое промежутка стержень - плоскость. Скорость удлинения канала лидера увеличивается с ростом крутизны импульса напряжения, достигая см/с при крутизне В/с.

Рис. 3. Схема развития положительного лидера: 1- головка канала лидера; 2 - канал лидера; 3- стримерная зона лидера.

Вынос потенциала высоковольтного электрода образующимся плазменным стержнем при возбуждении волны пробоя (см. Ионизационные волны )исследовался в длинных экраниров. трубках при крутизне импульса напряжения до 5·В/с.

Характерные особенности данного вида пробоя видны на рис. 4, где представлены зависимости от давления p скорости волны пробоя вдоль трубки, амплитуды тока I в цепи заземлённого электрода и ко-эф. затухания a , характеризующего скорость уменьшения потенциала фронта по мере продвижения волны вдоль трубки. Трубка помещена в коаксиальный метал-лич. экран диаметром 5,4 см.

Рис. 4. Характеристики волны пробоя азота в длинной экранированной трубке: 1- скорость волны 2- амплитуда тока I; 3 - коэффициент затухания Внутренний диаметр трубки 0,4 см, длина 48,5 см. Импульс напряжения отрицательной полярности с амплитудой 250 кВ, длительностью 9 не, с фронтом нарастания и спада 2,5 не подавался на один из электродов.

На фронте волны пробоя могут быть достигнуты высокие значения напряжённости электрич. поля. Об этом свидетельствует, напр., наблюдаемое рентг. излучение, возбуждаемое вблизи фронта пучками "убегающих" электронов. Отсюда возникает нек-рое сходство между пробоем в длинных трубках и П. г. электронным пучком.

Лит.: Леб Л. Б., Основные процессы электрических разрядов в газах, пер. с англ., М.- Л., 1950; Лозанский Э. Д., Fиpсов О. Б., Теория искры, М., 1975; Pайзер Ю. П., Физика газового разряда, М., 1987.

Э. И. Асиновский.