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
Стример в вычислительной технике
Стри́мер (от англ. stream – поток; ленточный накопитель), устройство потоковой последовательной записи на магнитную ленту . Применяется для резервного копирования и архивирования данных ; является современным развитием накопителей на магнитной ленте.
Носителем данных для стримера служат кассеты (картриджи) с магнитной лентой (шириной 12,65 мм). Данные пишутся на магнитные дорожки (их количество достигает нескольких тысяч), идущие вдоль всей ленты. Ёмкость кассет от 60 Гбайт (1 Гбайт = 10 9 байт ) до 4 Тбайт (1 Тбайт = 10 12 байт) в зависимости от применяемой технологии записи. Обычно используется линейная, с однонаправленной записью от начала до конца, и диагональная (спиральная развёртка) запись. Преимущества стримера перед накопителями на магнитных дисках – на порядок более низкая стоимость хранения данных, высокая надёжность и стабильность работы (гарантированный срок хранения данных на картриджах достигает 30 лет).
Как и в случае с другими внешними устройствами ЭВМ , технологии, применяемые в стримерах, стандартизованы [например, LTO (от англ. Linear Tape-Open) – стандарт на технологию резервного копирования на картриджи]. Различают 9 уровней ёмкости картриджей от LTO-1 (100 Гбайт) до LTO-9 (18 Тбайт). LTO-9 появился в сентябре 2021 г., а LTO-10 (48 Тбайт, в стадии разработки), планируется к выпуску в 2024 г. Для стримера разработаны также специальные файловые системы (например, Ultrium Linear Tape File System; работает с LTO-5), которые значительно упрощают работу с картриджами. Для хранения больших объёмов данных на основе стримера организуются ленточные библиотеки, позволяющие хранить данные ёмкостью в десятки петабайт (Пбайт; 1 Пбайт = 10 15 байт).
Недостаток стримера – большое время доступа к данным, поскольку магнитную ленту приходится перематывать до тех пор, пока не будет найден нужный файл .
Опубликовано 10 января 2023 г. в 22:58 (GMT+3). Последнее обновление 10 января 2023 г. в 22:58 (GMT+3). Связаться с редакцией
Информация
Области знаний: Архитектура и устройства ЭВМ
- Научно-образовательный портал «Большая российская энциклопедия»
Создан при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации.
Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС77-84198, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 15 ноября 2022 года.
ISSN: 2949-2076 - Учредитель: Автономная некоммерческая организация «Национальный научно-образовательный центр «Большая российская энциклопедия»
Главный редактор: Кравец С. Л.
Телефон редакции: +7 (495) 917 90 00
Эл. почта редакции: secretar@greatbook.ru
- © АНО БРЭ, 2022 — 2024. Все права защищены.
- Условия использования информации. Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению.
Медиаконтент (иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы) может быть использован только с разрешения правообладателей. - Условия использования информации. Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению.
Медиаконтент (иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы) может быть использован только с разрешения правообладателей.
«Стример» на международном форуме «Электрические сети»
В Москве 7 декабря завершил работу Международный форум «Электрические сети», в рамках которого в российскую столицу съехались представители компаний из 20 стран мира. «Стример» не только показал уже зарекомендовавшие себя на рынке решения, но и представил ряд новинок, разработанных по заказу компаний электросетевого комплекса России.
Стенд «Стримера» располагался в самом центре 75 павильона ВДНХ, в котором проходила выставка «Электрические сети России», и пользовался большой популярностью у посетителей. В этом году «Стример» показывал все линейки продукции компании. Гости могли ознакомиться с усовершенствованным молниезащитным оборудованием для линий электропередачи напряжением до 69 кВ.
«В этом году традиционная декабрьская выставка «Электрические сети России» претерпела кардинальные изменения, превратившись в крупнейшую дискуссионную площадку для обсуждения насущных вопросов развития электросетевого комплекса страны. Эксперты в области энергетики из всех развитых стран мира в течение четырех дней обсуждали пути цифровизации отрасли, внедрение интеллектуальных цифровых систем и технологий искусственного интеллекта, а также методы управления большими объемами информации, или Big Data. Это очень перспективное направление развития как для всей российской энергетики в целом, так и для отдельных ее представителей. Ключевым преимуществом «Стримера» всегда был и остается инновационный подход к разработке и производству продукции, что, без сомнения, является залогом успешного развития нашей компании в будущем», — рассказал Генеральный директор АО «НПО «Стример».
Совсем скоро состоится VIII Российская Конференция по Молниезащите
Приглашаем на конференцию!
3 — 5 апреля 2024 пройдет VIII Российская Конференция по Молниезащите в Санкт – Петербурге, организованная «Стримером» — крупнейшим российским производителем современных и эффективных устройств молниезащиты.
Приглашаем на 40-й Форум ЭТМ в Екатеринбурге
4 апреля на площадке МВЦ «Екатеринбург-ЭКСПО» компания ЭТМ проведет 40-й Форум электротехники и инженерных систем — одно из ключевых отраслевых мероприятий в регионе.
Первые воздушные линии и их защита
История про первую в России высоковольтную линию электропередачи
СВЯЗЬ 2024 Выставка телеком-технологий и ИТ
Крупнейшая в России бизнес-площадка для общения профессионалов, для нахождения поставщиков и новых каналов сбыта, для выработки новых решений и определения трендов развития информационных технологий и телекоммуникаций.
Расширение продуктовой линейки УЗИП серии «РИФ-И»
Преимущества УЗИП «серии РИФ-И» и подробное ознакомлением с ассортиментом и техническими характеристиками.
Стример на совещании по инновациям в ГК «Автодор»
Мы приняли участие в совещании, организованном ГК «Автодор» по вопросу применения современных и инновационных технологий при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог.
Приобретайте товары в два клика
Стример вышел на маркетплейсы.
УЗИП для защиты наружного освещения
Для повышения надежности работы светильников и экономической эффективности их применения
специалистами компании Стример разработан УЗИП серии «РИФ-LED».
Устройство РИФ-Э-I+II 275/12,5 (1+1)-LED IP66 обеспечивает защиту от всех видов импульсных перенапряжений.
Компактное и простое решение: УЗИП в розетку РИФ-Д-I+II 275/7 (1+1)
Устройство защиты от импульсных перенапряжений: УЗИП серии РИФ-Д-I+II 275/7 (1+1) для защиты вашего внутреннего электрооборудования от воздействий грозовых и коммутационных перенапряжений.
Приглашаем на VIII Российскую Конференцию по Молниезащите
Приглашаем на конференцию!
3 — 5 апреля 2024 пройдет VIII Российская Конференция по Молниезащите в Санкт – Петербурге, организованная «Стримером» — крупнейшим российским производителем современных и эффективных устройств молниезащиты.
Приглашаем на онлайн – конференцию «Высоковольтные воздушные и кабельные линии электропередачи: Актуальные вопросы и новые тенденции»
.png)
13 -15 февраля приглашаем Вас на 5 международную онлайн – конференцию «Высоковольтные воздушные и кабельные линии электропередачи: Актуальные вопросы и новые тенденции».
РМКЗ-110 проходит ОПЭ в ПАО «Россети Сибирь»
Разрядник мультикамерный закрытого типа РМКЗ-110 проходит ОПЭ в филиале ПАО «Россети Сибирь» — «Красноярскэнерго», благодарим коллег за интересное и качественное видео.
«Стример» выступил на семинаре «Актуальные вопросы управления энергетическим хозяйством предприятий горно-металлургического комплекса России»
29 и 30 ноября в Москве состоялось ежегодное семинар-совещание руководителей и специалистов энергетических служб горно-металлургических предприятий «Актуальные вопросы управления энергетическим хозяйством предприятий горно-металлургического комплекса России».
«Стример» принял участие в Международной выставке российский промышленник 2023
«Стример» представил свои решения на международной выставке, ежегодно проводимой Союзом промышленников и предпринимателей, Министерством промышленности и торговли и Правительством Санкт-Петербурга.
АО «НПО «Стример» готов презентовать новое учебное пособие: «Мониторинг состояния и техническая диагностика оборудования объектов энергетики»
АО «НПО «Стример» готов презентовать новое учебное пособие: «Мониторинг состояния и техническая диагностика оборудования объектов энергетики».
9 ноября ЭТМ представил более 90 брендов на Форуме инженерных систем в Уфе
Форум электротехники и инженерных систем в Уфе объединил более 2250 профессионалов и позволил за один день увидеть актуальное состояние российского рынка инженерных систем и узнать о лучших практиках в сфере закупок и автоматизации.
Молниезащитная биеннале: встретимся в апреле 2024
Грозовые явления и их воздействие на работу энергообъектов обсудят участники VIII Российской конференции по молниезащите. Мероприятие пройдет 3 – 5 апреля 2024 года в Санкт-Петербурге, в Four Seasons Lion Palace 5*.
Форум инженерных систем в Уфе, 09.11.2023
Один из наших дистрибьюторов, компания ЭТМ, проводит Форум инженерных систем, где все участники смогут увидеть актуальное состояние российского рынка инженерных систем и узнать о лучших практиках в сфере электроэнергетики, закупок и автоматизации.
Международный форум и выставка «100+ TechnoBuild» в Екатеринбурге
Впервые на Международном форуме и выставке «100+ TechnoBuild» на площадке «Город Света», компания «Русский Свет», собрала лидеров электротехнической отрасли.
МФЭС-2023: яркий старт сезона
В 2023 г. у энергетиков и электротехников осенне-зимний сезон отраслевых выставок, конференций и симпозиумов стартовал нестандартно. В начале сентября в Москве прошел Международный форум «Электрические сети» (МФЭС), который ранее, почти четверть века, собирал участников в конце ноября–начале декабря.
К теории развития плазменного стримера Текст научной статьи по специальности «Физика»
Обсуждается временная динамика начальных стадий развития пробоя в газах высокого давления: зарождения и развития лавины ионизации, ее перехода в плазменную лавину и далее в плазменный стример . Получены простые формулы для времен перехода между различными стадиями пробоя и скоростей распространения фронтов ионизации на отдельных стадиях.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — О. А. Омаров, А. А. Рухадзе
Перколяционная модель пробоя газов
Моделирование импульсного пробоя в гелии с использованием адаптивных методов
Роль вторичных механизмов в развитии многоканального импульсного разряда в условиях ГРП
Регистрация рентгеновских изображений детекторами, использующими газовый разряд предельно плотной структуры
Моделирование катодонаправ-ленного стримера в неоднородном электрическом поле
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «К теории развития плазменного стримера»
К ТЕОРИИ РАЗВИТИЯ ПЛАЗМЕННОГО СТРИМЕРА
О. А. Омаров1, А. А. Рухадзе2
Обсуждается временная динамика начальных стадий развития пробоя в газах высокого давления: зарождения и развития лавины ионизации, ее перехода в плазменную лавину и далее в плазменный стример. Получены простые формулы для времен перехода между различными стадиями пробоя и скоростей распространения фронтов ионизации на отдельных стадиях.
Ключевые слова: пробой в газах, стример, лавина, ионизация газа.
1. Зарождение и развитие электрического пробоя в газах высокого давления исследовались еще в начале прошлого столетия классиками физики газового разряда [1-41. Развитые в этих работах теоретические представления носили сугубо качественный характер. Однако уже в них отмечалась существенная роль плазменного состояния стримера, обеспечивающего экранировку внешнего электрического поля в объеме плазмы стримера. Отмечалась также фотоионизация газа как вторичный механизм распространения стримера. Построение количественной теории пробоя газа и образования искры было начато в работе [5] и развито в более или менее завершенном виде в работах [6, 7], в которых были сформулированы основы плазменной модели начальных стадий пробоя газов. Современное состояние теории плазменной модели пробоя газов изложено в монографии [8].
Дагестанский государственный университет, ул. М. Гаджиева 42а, Махачкала 367000, Дагестан, Россия.
2Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. A.M. Прохорова, ул. Вавилова 38, Москва, 119991 Россия. E-mail: rukh@fpl.gpi.ru
В настоящей работе предпринята попытка дальнейшего развития плазменной модели пробоя газов. Именно, будут получены уточненные формулы для скоростей распространения фронта ионизации на отдельных стадиях развития пробоя: на первой
лавинной (доплазменной) стадии, когда искажением разрядного поля Ео можно пренебречь, на второй плазменно-лавинной, когда искажение внешнего поля становится значительным и фронт ионизации начинает тормозиться, и на третьей стримерной, когда плазменное поле экранирует внешнее поле. На этой стадии происходит усиление внешнего поля вне плазменной области, охлаждение плазмы стримера и интенсивная рекомбинация. Вследствие поглощения рекомбинационного излучения происходит зарождение новых лавин и их распространение в усиленном электрическом поле. Именно эти вопросы недостаточно полно рассмотрены в существующей на сегодняшний день теории [6-8].
Однако прежде введем важные понятия порогового поля пробоя и перенапряженности, используемые в дальнейшем. Пробой газа начинается с одного электрона, случайно появившегося в разрядном промежутке, либо с некоторой малой начальной плотности электронов щ (при наличии предыонизации, обычно По ~ 104 —106 см-3). В дальнейшем для определенности считается, что пробой начинается в центре разрядного промежутка, длина которого равна ¿о- Разрядное напряжение считаем равным Ро, а исходное разрядное поле Е0 = У0/Ьо • Очевидно, что электрон в поле Е0 за время между столкновениями приобретает скорость
Здесь е — заряд электрона, т — его масса, vea — частота упругих столкновений электрона с атомами газа. Для того чтобы ускоренный электрон мог ионизовать атом газа, скорость должна удовлетворять условию
где /,- — потенциал ионизации атома (/,- ~ 6 — 10 эВ). Именно это условие и определяет пороговое поле пробоя газа. Однако прежде чем подставлять в неравенство (1.2) величину ие, ее следует определить из уравнения (1.1). Для этого запишем выражение vea в борновском приближении. В области малых энергий (< /¿) с хорошей степенью точности имеем [9] vea « тсaluena, где а0 - радиус боровской орбиты электрона в атоме (
давление газа в торрах). Из (1.1) с учетом выражения для находим
Подставляя это выражение в (1.2), получим для порогового поля пробоя газа
Отсюда для воздуха при ~ 10 эВ, сг0 « 2 — Ю-15 см-2 и атмосферном давлении находим Е0пр — 30 кВ/см.
В случае, когда разрядное поле превышает пороговое поле пробоя, говорят о перенапряжении. Перенапряжение принято измерять в процентах. Так, при превышении порового поля в два раза перенапряжение равно 100%.
2. Гидродинамическое описание лавинно-стримерного развития пробоя. В газах высокого давления характерные времена процессов, протекающих при электрическом пробое газов, порядка > Ю-9 с, что намного превосходит время релаксации электронов при упругом рассеянии на атомах ( < 10~12 с), а длина пробега электронов (< Ю-4 см) намного меньше характерных размеров задачи (>Ю-2 см). Поэтому для описания этих процессов можно пользоваться гидродинамическими уравнениями в диффузионном приближении [5, 6]:
Здесь е = е2Е2/2т^а — энергия, набираемая электроном в электрическом поле Е = Ео где Ео — внешнее однородное поле (до начала пробоя), а Е\ — поле, создава-
емое электронами и ионами, образованными в процессе ионизации атомов при пробое, 6 = 2т/М — доля упругих потерь при столкновениях электронов с атомами с массой М, V, — частота ионизационных столкновений электрона, а Те — температура электронов. Отметим, что при написании системы (2.1) было пренебрежено движением ионов и их температурой, которая порядка температуры атомов газа, Т, = То- Это означает, что пренебрегается амбиполярной диффузией, что характерно для стадии лавинной ионизации и стадии плазменного стримера. Кроме того, в уравнении для баланса энергии
1/еае — 8иеаТе — и,(Те + I) — 0,
(второе уравнение) пренебрежено потерями на излучение, что также вполне оправдано для начальных стадий пробоя. Здесь следует заметить, что из-за неточности этого уравнения (оно, строго говоря, не учитывает и потери на возбуждение атомов) при вычислениях температуру электронов обычно берут из эксперимента и считают однородной.
Для простоты для величин 1/еа и I/, воспользуемся формулами борновского приближения, считая распределение электронов по максвелловским скоростям с температурой
«еа = -^- , 1/, = -==еХр (-и/Те). (2.2)
До момента перехода лавины в стример плазменное поле мало, Е\ « Ео, и в первом приближении им можно пренебречь. Тогда из второго уравнения (2.1) следует постоянство электронной температуры
Постоянство температуры электронов сохраняется до момента перехода лавины в плазменный стример, когда плазменное поле Ех полностью скомпенсирует внешнее поле, и температура резко начнет падать.
На стадии развития лавины ионизации рост концентрации электронов определяется из решения первого уравнения (2.1). При начальном условии
это решение имеет вид
З3аметим, что формула (2.2) для величины vea получается из приведенного выше для одного электрона соотношения vea — irnav после усреднения по скорости v, считая распределение по максвелловским скоростям с температурой Те.
Здесь z и р — продольная и радиальная координаты, D = — =—коэффициент
электронной диффузии, характеризующий в основном радиальное расширение лавины до момента образования плазменного состояния в лавине. Из (2.6) видно, что на этой стадии плотность электронов распределена внутри конуса, расширяющегося по радиусу с диффузионной скоростью и удлиняющегося вдоль поля (ось oz) со скоростью электрического дрейфа электронов. При этом радиус головки лавины (при z = uet) равен
rA = у/Ш = yjADz/ue. (2.7)
Иное пространственное распределение имеют ионы, которые согласно первому уравнению (2.1) в рассматриваемом приближении считаются неподвижными. Полное число ионов в лавине, естественно, должно равняться полному числу электронов. Но в головке лавины на ее оси плотность ионов мала по сравнению с плотностью электронов:
пг(р = 0, .г = ut, t) = / dt’ne(p = 0,z = ut,t’) « —VñDtne(p = 0, z = ut, t) « ne. (2.8)
Описанная картина расширения лавины будет сохраняться до тех пор, пока радиус лавины меньше дебаевского радиуса электронов. Если при этом индуцированное поле Ei пренебрежимо мало по сравнению с внешним полем Е0, то радиальное давление, вызываемое индуцированным полем Ej/Ax, мало по сравнению с газокинетическим давлением электронов пеТе. Но как только радиус лавины достигнет дебаевского радиуса электронов, то из третьего уравнения (2.1), в котором плотностью ионов можно пренебречь, следует:
Ег и 4тгnerDe = у/47ГПеТе. (2.9)
С этого момента t = t\XT поле Е\ уже удерживает электроны и их свободная диффузия прекращается; в силу вступает движение ионов и амбиполярная диффузия, скорость которой в у/М/т раз меньше скорости электронной диффузии. Иными словами, расширение лавины практически прекращается.
Из (2.6) с учетом (2.9) и (2.7) находим для tiKV:
. , (mv>envi 1 \ щКТ mvenvi г-. ,
Vit 1кр = 1п —— — , гг1кр1п- = ——, гАкр = v/íiKvvíJven. (2.10)
V e2«o tlKVVi) n0 e2 v
При Te — 3-5 эВ, ven — Ю12 с-1, = 10 с-1 имеем п1кт = 1012 см-3, tlKp w 10 с-9, и гАкР = 5 • 10_3 см = 0.05 мм. Эти оценки согласуются с экспериментальными данными для газов при атмосферном давлении.
Заметим, что в момент времени I = ¿1К? продольный размер лавины Ь\кр = и^ = 0.1 см, т.е. более чем на порядок превосходит радиус лавины.
Таким образом, в момент времени I = ¿1Кр расширение лавины практически пре-
кращается. Продольный же размер продолжает расти со скоростью ие пока — > пеТе,
растет и плотность электронов. Отметим, что это неравенство выполняется практически всегда. Отметим также, что поскольку поле в плазме лавины на этой стадии остается большим, то и температура остается большой, Те = 3 — 5 эВ. Но как только достигается вторая критическая плотность, при которой
Наконец приведем теоретическую оценку времени ¿2кр, когда происходит переход плазменной лавины в плазменный стример. Исходя из (2.6), получаем:
_ 1п Ео По 4 тп0Те
При Те ~ 5 эВ и п0 = Ю4 см-3 и Ео — 30 кВ/см отсюда имеем = 3 • Ю-9 с, что также согласуется с экспериментом. При этом ¿2кр = 1—3 мм.
После второй стадии — образования плазменного стримера и экранировки поля в области, занятой плазмой, наступает третья стадия, сопровождающаяся охлаждением электронов, образованием неравновесной переохлажденной плазмы. Далее следует быстрая рекомбинация и высвечивание рекомбинационного излучения (в том числе и вынужденного), порождающего новые лавины как перед, так и позади (как анодона-правленного, так и катодонаправленного) стримера. Вновь рожденные лавины развиваются быстрее вследствие усиления поля в этих областях. И это повторяется вплоть до перекрытия разрядного промежутка искровым каналом. Эта стадия обсуждается в следующем параграфе, поскольку существенно связана с фотоионизацией атомов газа.
3.Рекомбинация в плазме стримера и фотоионизационный механизм распространения плазменного стримера. Переход плазменной лавины в момент ( — ¿2к? в плазменный
стример сопровождается интенсивным рекомбинационным излучением из стримера. Поскольку продольный размер стримера намного превосходит его поперечный радиус, то интенсивность излучения в продольном направлении намного больше, чем излучение в радиальном направлении, причем в оба направления, как вперед, вдоль внешнего поля, так и назад, навстречу полю. Этот экспериментальный факт, который наблюдался во всех экспериментах, начиная с классиков [2-4], имеет простое объяснение: поскольку продольный размер излучателя больше поперечного размера, то и его излучение в продольном направлении ближе к излучению черного тела, а поэтому превосходит излучение в поперечном направлении. Это утверждение, справедливое в случае термодинамически равновесного излучателя, только усиливается, если излучатель неравновесен.
Учитывая вышесказанное, легко понять, почему классики физики пробоя газов [2-4] приняли с самого начала именно излучение из плазмы стримера за основной механизм распространения стримера вплоть до перекрытия разрядного промежутка и образования искры. Дело в том, что эксперименты показывали очень большую скорость распространения в разрядном промежутке, порядка 108 —109 см/с, и даже больше. Эти скорости превышают дрейфовую скорость электронов во внешнем электрическом поле. Поэтому обычная тепловая ионизация газа и диффузионное распространение стримера (классическая модель стримера) не могли объяснить наблюдаемые скорости распространения стримера. Более того, фотоионизационный механизм распространения стримера как следствие рекомбинационного излучения хорошо объяснял эксперимент при пробоях в газовых смесях [3, 8]. Вместе с тем, этот механизм не может объяснить пробой в однородных газах, состоящих из атомов одного сорта, поскольку энергия кванта рекомбинации недостаточна для ионизации атома в однородном газе. Выход был найден в работах [7 (см. также [8]), к краткому изложению результатов которых мы и перейдем4.
Идея этих работ состоит в том, что для эффективной фотоионизации газа высокого давления нет необходимости, чтобы рекомбинационные кванты ионизовали атомы нейтрального газа. Для этого достаточно их возбуждение до высоких уровней, лежащих выше края так называемой «узкой зоны», занимающей область энергий порядка температуры атомов нейтрального газа, ниже нулевой энергии. Возбужденные атомы в «уз-
4В литературе обсуждались и другие механизмы быстрого распространения стримеров в разрядных промежутках: ионизация атомов убегающими электронами [2-4, 8], объемной либо поверхностной плазменной волной, бегущей вдоль направления распространения стримера [2-4], и др. Мы эти механизмы рассматривать не будем, сосредоточившись лишь на фотоионизационном механизме (см. также [8], где можно найти подробную библиографию).
кой» зоне далее легко ионизуются обычными упругими столкновениями самих атомов, при которых между ними происходит обмен энергией, равной их средней кинетической энергии, т.е. температуре.
Оценим характерные времена описанных процессов. Из второго уравнения (2.1), или, что тоже самое, из уравнения баланса энергии, в котором пренебрегли процессами рекомбинации и ионизации, имеем
При Е0 — 30 кВ/см и атмосферном давлении для воздушной плазмы Те = 105 К.
Примерно такое же значение следует из (3.1) и для других газов при небольших перенапряженностях. Вместе с тем, температура нейтрального газа при интенсивном поглощении фотоионизационного излучения не превышает 0.1-0.2 эВ. После перехода плазменной лавины в стример происходит экранировка внешнего поля на длине порядка дебаевского радиуса перед его фронтом, температура плазмы стримера падает до температуры нейтрального газа, т.е. до 0.1-0.2 эВ за время порядка (8ие)~1 ~ • 109/о^) (где Р0 — давление газа в торах), т.е. за время Ю-9 с. С падением температуры электронов резко увеличивается вероятность рекомбинации, которая определяется уравнением (мы здесь учитываем трехчастичную, или ударно-излучательную рекомбинацию [10])
^ = /Зрпе, 0Р = 6 • 10-2ЧТ-9/2. (3.2)
Здесь Те — в эВ. При пе = 1015 см-3 (характерная плотность электронов в плазменном стримере) время рекомбинации сравнивается со временем охлаждения вследствие упругих столкновений электронов с атомами при Те ~ 0.3 эВ. Так как при больших температурах вероятность рекомбинации, согласно (3.2), резко уменьшается, считаем, что фотоионизация газа перед стримером и позади стримера (анодо- и катодонаправлен-ные стримеры) определяется именно временем охлаждения электронов при постоянной плотности пе. Кроме того, предполагается, что время столкновений атомов между собой пренебрежимо мало. Действительно, это время порядка 1 /г/а, где иа = (То^т0па, величина сто — определена. При Т0 = 0.1 эВ, (То = 10~15 см2 и п0 = 3-1019 см-3 время столкновений атомов < Ю-9 с.
Длина свободного пробега рекомбинационных квантов (ультрафиолетового излучения) в воздухе при атмосферном давлении, как отмечено в [7] (см. также [8]), составляет 10_3 см. Резонансные же кванты поглощаются на еще меньших длинах 10~ ‘ см.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Поэтому рекомбинационное излучение из плазмы стримера способно создать непосредственно впереди и позади стримера достаточно высокую степень предыонизации газа и, тем самым, породить новые лавины. Они, в свою очередь, после перехода в плазменную лавину, будут двигаться в направлении анода в усиленном электрическом поле. В результате плазменный стример будет распространяться с большой скоростью, эффективно удлиняясь в обоих направлениях, как бы порождая как анодонаправленные, так и каТодонаправленные стримеры.
Чтобы оценить эффективную скорость распространения плазменного стримера, вычислим усиление поля в разрядном промежутке вследствие образования плазменного стримера и сокращения эффективной длины промежутка £(£). Считаем, что первая лавина зародилась в центре разрядной камеры, перешла в плазменный стример, который распространяется в обе стороны. Поэтому
Здесь поле Е(Ь) — это поле, действующее на электроны вторичных лавин, т.е.:
где Уо — постоянная разность потенциалов (напряжение) на разрядном промежутке.
Подставляя (3.4) в (3.3) и решая полученное уравнение для с начальным условием 1/(0) = Ь0, после несложных вычислений получим закон изменения скорости дрейфа электронов в усиливающемся во времени электрическом поле
где и0 — начальная скорость дрейфа электрона в поле Eq. Из формулы (3.5) видно, что с развитием стримерного пробоя на стадии распространения стримера его скорость возрастает, и перекрытие промежутка происходит за время tnp, причем
tnT — ——— « 0A5Lq/uq. (3.7)
Отсюда видно, что перекрытие разрядного промежутка происходит за время, почти на порядок меньшее, чем время прохождения промежутка дрейфующим электроном в исходном поле, ¿о = Таким образом, вследствие усиления поля в соответствии с экспериментом происходит ускорение распространения плазменного стримера. Вместе с тем, следует иметь в виду, что формула (3.7) справедлива, если ¿„р >> ¿2*? >> ¿1« Только при выполнении этих неравенств можно говорить об ускоренном распространении фронта ионизации и вообще о применимости изложенного выше стримерно-плазменного механизма развития начальных стадий электрического пробоя газов. Исходя из формул (2.10), (2.12), (3.7) и (2.3), легко показать, что эти неравенства выполняются при условиях:
В заключение заметим, что проведенная оценка скорости распространения стримера является заниженной, поскольку мы считаем, что в результате фотоионизации газа развивается только одна лавина. Если считать, что развивается много лавин, то скорость распространения увеличится, что, по-видимому, имеет место в реальных условиях.
[1] Н. А. Капцов, Электроника (М., Гостехиздат, 1959).
[2] Мик дж, Краге, Электрический пробой в газах (М., Мир, 1960).
[3] Л. Леб, Основные процессы электрических разрядов в газах (М., Гостехиздат, 1950).
[4] Г. Ретер, Электронные лавины и пробой в газах (М., Мир, 1968).
[5] Э. Д. Лозанский, О. Б. Фирсов, Теория искры (М., Атомиздат, 1975).
[6] О. А. Омаров, А. А. Рухадзе, Г. А. Шнеерсон, ЖТФ 49, 997 (1979); ЖТФ 50, 536 (1980).
[7] А. П. Бройтман, О. А. Омаров, А. А. Рухадзе, С. А. Решетняк, Краткие сообщения по физике ФИАН, N0. 6, 50; N0. 8, 27; N0. 9, 44 (1984).
[8] О. А. Омаров, Импульсные разряды в газах высокого давления (Махачкала, изд. Юпитер, 2001).
[9] Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Квантовая механика (М., Физматгиз, 1963).
[10] Е. М. Лифшиц, Л. П. Питаевский, Физическая кинетика (М., Физматгиз, 1979).
Поступила в редакцию 10 сентября 2009 г.