Lawina elektronów - Electron avalanche
Elektronów lawina to proces, w którym ilość wolnych elektronów w medium transmisyjne są poddawane silnym przyspieszania przez pole elektryczne , a następnie zderzają się z innymi atomami w środowisku, przez co jonizującego nich ( jonizacja strumieniem ). To uwalnia dodatkowe elektrony, które przyspieszają i zderzają się z kolejnymi atomami, uwalniając więcej elektronów - reakcja łańcuchowa . W przypadku gazu powoduje to, że dotknięty obszar staje się elektrycznie przewodzącą plazmą .
Efekt lawiny został odkryty przez Johna Sealy'ego Townsenda w jego pracach w latach 1897–1901 i jest również znany jako zrzut Townsenda .
Lawiny elektronów mają zasadnicze znaczenie dla procesu rozpadu dielektryka w gazach. Proces może zakończyć się wyładowaniami koronowymi , wstęgami , liderami lub iskrą lub ciągłym łukiem, który całkowicie wypełnia lukę między przewodami elektrycznymi, które podają napięcie. Proces rozciąga się na olbrzymie iskry - wstęgi w wyładowaniach piorunowych propagują się poprzez tworzenie lawin elektronowych tworzonych w wysokim gradiencie potencjału przed zbliżającymi się końcówkami streamerów. Rozpoczęte lawiny są często intensyfikowane przez tworzenie fotoelektronów w wyniku promieniowania ultrafioletowego emitowanego przez atomy wzbudzonego ośrodka w rejonie rufowym.
Proces ten można również wykorzystać do wykrywania promieniowania jonizującego, wykorzystując efekt namnażania gazów w procesie lawinowym. Jest to mechanizm jonizacji rurki Geigera – Müllera oraz, w ograniczonym stopniu, licznika proporcjonalnego i jest również stosowany w komorach iskrowych i innych komorach drucianych .
Analiza
Plazma zaczyna się od rzadkiego, naturalnego zdarzenia jonizacji „tła” neutralnej cząsteczki powietrza, być może w wyniku fotowzbudzenia lub promieniowania tła . Jeśli zdarzenie to nastąpi w obszarze o dużym gradiencie potencjału , dodatnio naładowany jon będzie silnie przyciągany do elektrody lub odpychany od niej w zależności od jej polaryzacji, podczas gdy elektron będzie przyspieszany w przeciwnym kierunku. Ze względu na ogromną różnicę mas elektrony przyspieszane są do znacznie większej prędkości niż jony.
Elektrony o dużej prędkości często nieelastycznie zderzają się z obojętnymi atomami, czasami je jonizując. W reakcji łańcuchowej - lub „lawinie elektronów” - dodatkowe elektrony, które niedawno oddzieliły się od ich jonów dodatnich silnym gradientem potencjału, powodują chwilowe wygenerowanie dużej chmury elektronów i jonów dodatnich przez zaledwie jeden początkowy elektron. Jednak wolne elektrony są łatwo wychwytywane przez obojętne cząsteczki tlenu lub pary wodnej (tak zwane gazy elektroujemne ), tworząc jony ujemne. W powietrzu w STP wolne elektrony istnieją tylko przez około 11 nanosekund, zanim zostaną wychwycone. Przechwycone elektrony są skutecznie usuwane z gry - nie mogą już przyczyniać się do procesu lawinowego. Jeśli elektrony są tworzone w tempie większym niż nie są one potrzebne do przechwycenia, ich liczba szybko się zwiększa, co jest procesem charakteryzującym się wykładniczym wzrostem . Stopień zwielokrotnienia, jaki może zapewnić ten proces, jest ogromny, w zależności od sytuacji nawet kilka milionów razy. Mnożnik M jest określony przez
Gdzie X 1 i X 2 to pozycje, pomiędzy którymi mierzone jest mnożenie, a α jest stałą jonizacji. Innymi słowy, jeden wolny elektron w pozycji X 1 da M wolnych elektronów w pozycji X 2 . W wyniku podstawienia gradientów napięcia do tego równania
Gdzie V jest przyłożone napięcie, przy V BR jest napięcie przebicia, a n jest wartością empirycznie od 2 do 6. Jak widać z tego wzoru, współczynnik mnożenia jest bardzo silnie zależy od przyłożonego napięcia i napięcia, jak zbliża napięcie przebicia materiału, mnożnik zbliża się do nieskończoności, a czynnikiem ograniczającym staje się dostępność nośników ładunku.
Podtrzymywanie lawin wymaga rezerwuaru ładunku do podtrzymania przyłożonego napięcia, a także stałego źródła wyzwalających zdarzeń. Szereg mechanizmów może podtrzymywać ten proces, tworząc lawinę po lawinie, tworząc prąd koronowy . Wymagane jest wtórne źródło elektronów plazmy, ponieważ elektrony są zawsze przyspieszane przez pole w jednym kierunku, co oznacza, że lawiny zawsze postępują liniowo w kierunku lub od elektrody . Dominujący mechanizm tworzenia elektronów wtórnych zależy od biegunowości plazmy. W każdym przypadku energia emitowana jako fotony przez lawinę początkową jest wykorzystywana do jonizacji pobliskiej cząsteczki gazu, tworząc kolejny przyspieszalny elektron. Różnica polega na źródle tego elektronu. Kiedy jedna lub więcej lawin elektronowych wystąpi między dwiema elektrodami o wystarczającej wielkości, może nastąpić całkowite załamanie lawiny , której kulminacją jest iskra elektryczna, która wypełnia lukę.