Электронная лавина — это процесс, при котором ряд свободных электронов в передающей среде подвергаются сильному ускорению электрическим полем и впоследствии сталкиваются с другими атомами среды, тем самым ионизируя их ( ударная ионизация ). При этом высвобождаются 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 .
Лавинный эффект был открыт Джоном Сили Таунсендом в его работе между 1897 и 1901 годами и известен также как разряд Таунсенда .
Электронные лавины необходимы для процесса диэлектрического пробоя в газах. Процесс может завершиться коронными разрядами , стримерами , лидерами или искрой или непрерывной дугой , которая полностью перекрывает зазор между электрическими проводниками, подающими напряжение. Этот процесс распространяется на огромные искры — стримеры в разрядах молний распространяются за счет образования электронных лавин, создаваемых в высоком градиенте потенциала перед продвигающимися кончиками стримеров. Однажды начавшись, лавины часто усиливаются за счет образования фотоэлектронов в результате ультрафиолетового излучения, испускаемого атомами возбужденной среды в задней части лавины.
Этот процесс также можно использовать для обнаружения ионизирующего излучения, используя эффект размножения газа лавинного процесса. Это механизм ионизации трубки Гейгера-Мюллера и, в ограниченной степени, пропорционального счетчика [1] , который 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 отделившиеся от своих положительных ионов сильным градиентом потенциала, приводят к тому, что большое облако электронов и положительных ионов мгновенно генерируется 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 фактически выводятся из игры — они больше не могут участвовать в лавинном процессе. Если электроны создаются со скоростью, превышающей скорость их потери при захвате, их число быстро умножается, и этот процесс характеризуется экспоненциальным ростом . Степень умножения, которую может обеспечить этот процесс, огромна, до нескольких миллионов раз в зависимости от ситуации. Коэффициент умножения M определяется выражением
Где X 1 и X 2 — позиции, между которыми измеряется умножение, а α — константа ионизации. Другими словами, один свободный электрон в позиции X 1 приведет к появлению M свободных электронов в позиции X 2 . Подстановка градиентов напряжения в это уравнение приводит к
Где V — приложенное напряжение, V BR — напряжение пробоя, а n — значение, полученное эмпирическим путем 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 При пробивном напряжении материала коэффициент умножения приближается к бесконечности и ограничивающим фактором становится наличие носителей заряда.
Для поддержания лавин требуется резервуар заряда для поддержания приложенного напряжения, а также постоянный источник инициирующих событий. Ряд механизмов может поддерживать этот процесс, создавая лавину за лавиной, создавая коронный ток. Требуется вторичный источник электронов плазмы , поскольку электроны всегда ускоряются полем в одном направлении, а это означает, что лавины всегда движутся линейно к электроду или от него . Доминирующий механизм создания вторичных электронов зависит от полярности плазмы. В каждом случае энергия , излучаемая в виде фотонов первоначальной лавиной, используется для ионизации близлежащей молекулы газа, создавая еще один ускоряемый электрон. Отличие заключается в источнике этого электрона. Когда между двумя электродами достаточного размера возникает одна или несколько электронных лавин, может произойти полный лавинный пробой , кульминацией которого является возникновение электрической искры , перекрывающей зазор.
