Электронная лавина — это процесс, в котором некоторое количество свободных электронов в среде передачи подвергается сильному ускорению электрическим полем и впоследствии сталкивается с другими атомами среды, тем самым ионизируя их ( ударная ионизация ). Это высвобождает дополнительные электроны, которые ускоряются и сталкиваются с другими атомами, высвобождая еще больше электронов — цепная реакция . В газе это приводит к тому, что пораженная область становится электропроводящей плазмой .
Эффект лавины был открыт Джоном Сили Таунсендом в его работах между 1897 и 1901 годами и также известен как разряд Таунсенда .
Электронные лавины необходимы для процесса пробоя диэлектрика в газах. Процесс может завершиться коронными разрядами , стримерами , лидерами или искрой или непрерывной дугой , которая полностью перекрывает зазор между электрическими проводниками, подающими напряжение. Процесс распространяется на огромные искры — стримеры в разрядах молнии распространяются путем образования электронных лавин, созданных в высоком градиенте потенциала перед продвигающимися кончиками стримеров. После начала лавины часто усиливаются созданием фотоэлектронов в результате ультрафиолетового излучения, испускаемого атомами возбужденной среды в области хвостовой части.
Этот процесс также может быть использован для обнаружения ионизирующего излучения с использованием эффекта газового умножения лавинного процесса. Это механизм ионизации трубки Гейгера-Мюллера и, в ограниченной степени, пропорционального счетчика [1] , а также используется в искровых камерах и других проволочных камерах .
Плазма начинается с редкого естественного «фонового» события ионизации нейтральной молекулы воздуха, возможно, в результате фотовозбуждения или фонового излучения . Если это событие происходит в области с высоким градиентом потенциала , положительно заряженный ион будет сильно притягиваться к электроду или отталкиваться от него в зависимости от его полярности, тогда как электрон будет ускоряться в противоположном направлении. Из-за огромной разницы масс электроны ускоряются до гораздо большей скорости, чем ионы.
Высокоскоростные электроны часто неупруго сталкиваются с нейтральными атомами, иногда ионизируя их. В цепной реакции — или «электронной лавине» — дополнительные электроны, недавно отделенные от своих положительных ионов сильным градиентом потенциала, вызывают мгновенное образование большого облака электронов и положительных ионов всего одним начальным электроном. Однако свободные электроны легко захватываются нейтральными молекулами кислорода или водяного пара (так называемыми электроотрицательными газами), образуя отрицательные ионы. В воздухе при STP свободные электроны существуют всего около 11 наносекунд , прежде чем будут захвачены. Захваченные электроны эффективно выводятся из игры — они больше не могут участвовать в процессе лавины. Если электроны создаются со скоростью, большей, чем они теряются для захвата, их число быстро умножается, процесс, характеризующийся экспоненциальным ростом . Степень умножения, которую может обеспечить этот процесс, огромна, до нескольких миллионов раз в зависимости от ситуации. Коэффициент умножения M определяется как
Где X 1 и X 2 — это позиции, между которыми измеряется умножение, а α — константа ионизации. Другими словами, один свободный электрон в позиции X 1 приведет к M свободным электронам в позиции X 2 . Подстановка градиентов напряжения в это уравнение дает
Где V — приложенное напряжение, V BR — напряжение пробоя, а n — эмпирически полученное значение в диапазоне от 2 до 6. Как видно из этой формулы, коэффициент умножения очень сильно зависит от приложенного напряжения, и по мере того, как напряжение приближается к напряжению пробоя материала, коэффициент умножения стремится к бесконечности, а ограничивающим фактором становится доступность носителей заряда.
Для поддержания лавины требуется резервуар заряда для поддержания приложенного напряжения, а также постоянный источник запускающих событий. Ряд механизмов может поддерживать этот процесс, создавая лавину за лавиной, чтобы создать коронный ток. Требуется вторичный источник плазменных электронов, поскольку электроны всегда ускоряются полем в одном направлении, что означает, что лавины всегда движутся линейно к электроду или от него . Доминирующий механизм создания вторичных электронов зависит от полярности плазмы. В каждом случае энергия , испускаемая в виде фотонов первоначальной лавиной, используется для ионизации близлежащей газовой молекулы, создавая другой ускоряемый электрон. Отличается источник этого электрона. Когда между двумя электродами достаточного размера происходит одна или несколько электронных лавин, может произойти полный лавинный пробой , завершающийся электрической искрой , которая перекрывает зазор.
