Лавина электронная

ЛАВИНА ЭЛЕКТРОННАЯ, экспоненциально нарастающий процесс размножения электронов в результате ионизации атомов и молекул газа, как правило, электронным ударом. Такие цепные реакции могут привести к электрическому пробою диэлектрических сред (смотри Пробой электрический). В большинстве случаев лавина электронная развивается в электрическом или электромагнитном поле, хотя возможно лавинное размножение электронов при тепловом нагреве среды, например в ударной волне.

Лавина  электронная начинается от небольшого количества случайно появляющихся первичных (затравочных) электронов. В газовой среде эти затравочные электроны появляются под действием космических лучей и естественной радиоактивности. Чтобы запустить процесс образования лавины в нужный момент, пользуются искусственно созданными первичными электронами, например при внешнем облучении газоразрядного промежутка или электродов. Электроны, ускоряясь в постоянном или осциллирующем электрическом поле, приобретают энергию, достаточную для отрыва электрона от молекулы или атома, и производят ионизацию за счёт этой энергии. Таким образом, от каждого энергичного электрона получается два медленных; они, в свою очередь, приобретают энергию от поля, ионизуют атомы, получается 4 электрона и т.д. Так развивается лавина электронная; газ ионизуется до той или иной степени, которая зависит от многих причин, в частности от того, какой ток может пропустить внешняя цепь. Процесс развития лавины электронной тормозится за счёт потерь энергии электронами при упругих и неупругих столкновениях (на электронное возбуждение атомов и молекул, возбуждение молекулярных колебаний и вращений) и вследствие потерь самих электронов в результате их диффузионного ухода из области действия поля или прилипания к электроотрицательным молекулам. Когда образуется очень много положительных ионов, их рекомбинация с электронами также может ограничить рост электронной лавины.

Процессы ионизации всегда сопровождаются актами возбуждения атомов, которые «высвечиваются» и дают видимую вспышку. Обычно в постоянном электрической поле, ВЧ- и СВЧ-поле возбуждение атомов ударами электронов только тормозит развитие лавины электронной, поскольку электрон теряет энергию на возбуждение и вынужден снова её набирать. Исключение составляют случаи, в которых возбуждённый атом ионизуется при объединении возбуждённого атома с невозбуждённым в молекулярный ион, в газовых смесях, в которых возможна резонансная передача возбуждения одного атома на ионизацию другого (Пеннинга эффект) и в световых полях высокой интенсивности и частоты, в которых возбуждённый атом ионизуется в результате многоквантового фотоэффекта (смотри Оптические разряды).

Лавина  электронная развивается независимо в каждом небольшом элементе пространства только в быстроосциллирующих полях (СВЧ-поле, оптического поле), когда амплитуда колебаний электронов мала. В постоянном электрическом поле лавина электронная развивается вдоль направления поля, и её легко наблюдать и исследовать экспериментально.

Впервые лавины электронные наблюдались в Вильсона камере с двумя плоскопараллельными электродами, заполненной газом и парами воды. Изучение лавины электронной с помощью камеры Вильсона основано на том, что ионы, возникающие в лавине, служат центрами конденсации пересыщенных паров, которыми наполняется камера. Лавины  электронные изучают также с помощью электрического метода, основанного на том, что электроны и ионы лавины при прохождении разрядного промежутка создают импульс тока и импульс напряжения на сопротивлении, который можно регистрировать на осциллографе.

Пространственную картину развития лавины электронной можно установить, используя оптический метод. Суть этого метода в том, что электроны создают, кроме лавины электронной, лавину возбуждённых молекул газа. Свет, испускаемый возбуждёнными молекулами, регистрируется фотоумножителем или электронно-оптическим преобразователем, на экране которого можно получить изображение излучающей лавины.

Лавина  электронная расширяется в поперечном направлении вследствие небольшого диффузионного расплывания электронного облака, центр которого движется от катода к аноду со скоростью дрейфа. При большом числе электронов диффузионное расплывание сменяется более быстрым электростатическим расталкиванием.

За счёт вырывания затравочных электронов из катода или газа фотонами, рождёнными в лавине электронной, от одной прошедшей лавины может появиться более чем одна новая, т. е. наряду с размножением электронов происходит размножение самих лавин  электронных. Такое появление лавинных серий лежит в основе таунсендовского механизма пробоя газов.

Когда электрическое поле нарастающего пространственного заряда электронов и ионов в лавине достигает величины внешнего поля, лавина электронная может перейти в стример (смотри Стримеры), начинается стримерный пробой.

Лит.: Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М., 1992; Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под редакцией В. Е. Фортова. М., 2000. Вводный том.