Самостоятельный разряд в неравномерном поле

Лавинная корона

В неравномерном поле остаются в силе основные закономерности самостоятельного разряда, но вследствие изменения Е вдоль пути лавины условие самостоятельного разряда приобретает вид:

, (1.4)

где a - коэффициент ионизации.

Далее рассмотрена качественная характеристика самостоятельного разряда вблизи электрода с малым радиусом кривизны, например провода. Лавинный процесс возникает на некотором пути S вблизи электрода; за участком S напряженность поля уже недостаточна для ионизационных процессов. При условии соблюдения равенства (1.4) разряд на участке S имеет самостоятельный характер. Однако в данном случае лавинный процесс не приводит непосредственно к искровому разряду, так как ионизационные токи ограничены большим емкостным сопротивлением оставшейся части промежутка. Разряд в такой форме получил название коронного разряда (корона). Коронный разряд возникает при некоторой начальной напряженности поля E_Н или начальном напряжении U_Н. Характер коронного разряда существенно зависит от полярности электрода.

Пусть электрод имеет положительную полярность. Возникающие вблизи стержня лавины будут развиваться по направлению к стержню (рис. 1.7а). Под действием сил электрического поля легкие электроны лавины быстро перемещаются к стержню и поглощаются им, а тяжелые положительные ионы направляются к расположенному в отдалении катоду, но со скоростью, много меньшей, чем скорость движения электронов. Из-за этого различия в скоростях стержень оказывается окруженным облаком избыточных положительных ионов (рис. 1.7б). Создаваемое облаком ионов дополнительное поле с напряженностью E_q ослабляет основное поле E у стержня (анода) и усиливает основное поле вдали от стержня (рис. 1.7в). В результате область, охваченная короной, расширяется.

Рис. 1.7. Возникновение короны у положительно заряженного стержня:

а – развитие лавин; б – образование облачка избыточных положительных ионов; в – искажение исходного поля в промежутке объемным зарядом

В случае лавинной короны вблизи отрицательного стержня лавины возникают у стержня (катода) и развиваются в глубь промежутка (рис. 1.8а). Электроны выносятся силами электрического поля из области ионизации и попадают в область слабого электрического поля, где они захватываются нейтральными молекулами и образуют отрицательные ионы. В результате вблизи катода образуется облако положительных ионов; отрицательные ионы рассеяны за концентрированным облаком положительных ионов (рис. 1.8б). Вблизи катода поле усиливается, а в неионизированном пространстве поле ослабляется. В результате происходит стягивание лавинной короны к отрицательному электроду. С каждой новой лавиной происходит усиление поля вблизи катода и ослабление поля за центром скопления положительных ионов. Поэтому лавины начинают пробегать все меньшее расстояние. В итоге у поверхности катода образуется узкий слой высокой напряженности поля, где существует лавинный процесс и где рождаются электроны, выносимые во внешнее пространство.

В случае лавинной короны вблизи отрицательного стержня лавины возникают у стержня (катода) и развиваются в глубь промежутка (рис. 1.8а). Электроны выносятся силами электрического поля из области ионизации и попадают в область слабого электрического поля, где они захватываются нейтральными молекулами и образуют отрицательные ионы. В результате вблизи катода образуется облако положительных ионов; отрицательные ионы рассеяны за концентрированным облаком положительных ионов (рис. 1.8б). Вблизи катода поле усиливается, а в неионизированном пространстве поле ослабляется. В результате происходит стягивание лавинной короны к отрицательному электроду. С каждой новой лавиной происходит усиление поля вблизи катода и ослабление поля за центром скопления положительных ионов. Поэтому лавины начинают пробегать все меньшее расстояние. В итоге у поверхности катода образуется узкий слой высокой напряженности поля, где существует лавинный процесс и где рождаются электроны, выносимые во внешнее пространство.

В слабонеравномерных полях, например в малых промежутках, возникновение лавинной короны при небольшом повышении напряжения приводит к полному пробою промежутка. Так как напряжение возникновения короны у положительного электрода выше, чем у отрицательного, то и пробивное напряжение малых промежутков выше при положительной полярности электрода с большей напряженностью поля.

Стримерная корона

Повторные лавины в коронном разряде приводят к высокой концентрации положительных ионов у коронирующего острия. При незначительном повышении напряжения на промежутке сверх начального коронного поле E_q, создаваемое этими зарядами, становится сравнительным (в данной области) с основным полем E. При этом условии в коронном разряде возникают стримеры.

Образование положительного (анодного) стримера в лавинном коронном разряде показано на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Развитие положительного стримера в неравномерном поле:

а – закончилось развитие начальной лавины; возникают вторичные лавины, направляющиеся к головке начальной лавины; б – по каналу начальной лавины развивается стример, в глубине промежутка возникает вторичная лавина; в – стример заполнил канал в начальной лавине; завершилось развитие вторичной лавины в глубине промежутка

Фотоны, возникающие в головке лавины, приводят к образованию вторичных лавин впереди и с боков головки первичной лавины. Вторичные лавины втягиваются в первичную лавину, образуя плазменный канал, по которому электроны устремляются к аноду. Так как развитие лавин и плазменного канала приводит к усилению поля в глубине промежутка, одновременно с развитием плазменного канала впереди него происходит возникновение и развитие новых лавин. Эта одновременность обеспечивает высокую среднюю скорость продвижения фронта положительного стримера.

Отрицательный стример также возникает при достаточной концентрации положительных зарядов в головке лавины и развивается в результате слияния ряда лавин в виде быстро удлиняющегося канала. Однако возникновение отрицательного стримера затрудняется низкой напряженностью электрического поля вне узкой зоны ионизации у стержня. Продвижение катодного стримера в глубь промежутка сдерживается влиянием положительного объемного заряда лавин, усиливающего поле в той части промежутка, которая уже пересечена лавинами, и резко ослабляющего поле в остальной части промежутка. Поэтому возникновение вторичных лавин впереди стримерного канала становится возможным только после того, как стримерный канал разовьется по всей длине первичной лавины. Таким образом, средняя скорость продвижения катодного стримера оказывается меньше, чем анодного.