CC BY
21
УДК 533.9.07
ПЛАЗМЕННО-ВОЛНОВОДНАЯ МОДЕЛЬ ЛАВИННОГО МЕХАНИЗМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ГАЗОВ
А. В. Шелоболин
В рамках плазменно-волноводной модели электрического пробоя газов на базе опубликованных ранее экспериментальных результатов оцениваются параметры волновода, соответствующего лавинному механизму пробоя.
В работе [1] из анализа экспериментальных результатов электрического пробоя га зов (ЭПГ) при инициировании длинной лазерной искрой была предложена плазменно-волноводная модель (ПВМ), качественно объяснявшая наблюдаемые явления. Основное отличие этой модели от господствующей ныне состоит в том, что ПВМ предполагает, что волна ЭПГ является когерентной, а не фронтальной, то есть ее распространение в пространстве связано не с энергетическими процессами на фронте волны, а с фазовы :.; ' соотношениями во всем межэлектродном промежутке. ПВМ предполагает также, что на начальном этапе ЭПГ формируется цилиндрический канал повышенной ионизации, по которому и распространяется волна пробоя. Подобный канал может формироваться как внешним источником ионизации, так и в результате образования интерференционно!; картины в направлении, перпендикулярном внешнему электрическому полю. Аргумен том в пользу ПВМ может служить эквидистантное расположение лавин на всех извест ных фотографиях многолавинных процессов с расстояниями между осями лавин порядка удвоенного диаметра лавины [2, 3]. Кроме того продольные денситограммы лавины имеют характерный провал [4], отмеченный также в [1] и идентифицированный там как центр волны, бегущей в плазменном волноводе. Наконец, простейшие оценки дебаевско го радиуса экранирования г о при фоновой плотности ионизации газа N = 103 —104 см показывают, что еще до подачи напряжения на электроды гр = 0.8 — 2.5 см, то ес1ь меньше типичных межэлектродных расстояний, указанных, например, в [3]. Эта оценка показывает, что наблюдаемые волны ЭПГ есть волны, распространяющиеся в плазм* для которой характерны когерентные процессы.
номер 8, 2000 г.
Краткие сообщения по физике ФИАН
В настоящей работе на базе экспериментальных результатов [4] и в предположении, что лавина является потенциальной поверхностной волной с соответствующей дисперсионной характеристикой [5], оцениваются основные параметры плазменного волновода лавины.
Из денситограмм [4] можно определить, что расстояние от центра провала до переднего фронта лавины составляет 0.7 мм. Идентифицируя это расстояние как четверть длины продольной волны А, а также устанавливая из [4], что радиус лавины равен В. — 0.2 мм, можно оценить собственную частоту поверхностной волны плазменного волновода лавины ш, плазменную частоту П и соответствующую ей плотность носителей N. Считая, что скорость лавины равна фазовой скорости волны в плазменном волноводе, и принимая ее в соответствии с [4] как V = 107 см/с, из соотношений Л = у/и- и = 2тп/ можно определить V = 3.6 107 Гц-,ш = 2.2-108 с-1. Взяв из [5] для продольной поверхностной волны дисперсионную характеристику и решая ее относительно плазменной частоты О, можно получить
V
П ~ 2тг-
Л
,___
1П1А' 111 2ж Я
(1)
При этом первое приближение в (1) соответствует условию V « с (с = 3 ■ Ю10 см/с), что выполняется для лавины с большим запасом, а второе соответствует условию ш2 « что тоже выполняется, но с меньшим запасом. Используя первое приближение (1) при указанных выше значениях параметров и, В., А, взятых из [4], получим О = 8.2 • 108 с-1. Соответствующая этому значению плотность носителей заряда будет N = 2.3 • 108 см~3.
Это значение N качественно согласуется с анализом релаксационных процессов в плазме, проведенным в [6]. Там показано, что N — 108 см~3 есть граница, начиная с которой включаются механизмы релаксации плазмы более быстрые, чем диффузия. Проведенные здесь оценки показывают, что лавинный механизм ЭПГ развивается вблизи этой границы, а оценка г о при нормальной температуре показывает, что И/г о ~ 3.
В заключение следует отметить, что современная модель распространения лавины базируется на интерпретации фотографий лавин в камере Вильсона. Первые из таких фотографий относятся к 1935 году [7]. Однако все подобные фотографии в этом и во всех последующих экспериментах такого типа являются интегральными по времени. Соответственно их интерпретация допускает двойственное толкование по ряду параметров. В частности, конический хвост лавины можно интерпретировать не как диффузионное
расширение размножающегося электронного сгустка, а как диффузионную релаксацию плазмы на хвосте этого сгустка. Для разрешения этого и ряда других противоречий необходима покадровая фотография лавины, аналогичная той, что была проведена в [1]. При этом необходимо обеспечить пространственное разрешение на объекте не хуже 0.1 мм и временную выдержку кадра не более 1 не.
Считаю необходимым выразить свою благодарность А. А. Рухадзе за полезные кон сультации.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Ш е л о б о л и н А. В. Физика плазмы, 26, N 4, 346 (2000).
[2] М и к Дж. и К р э г с Дж. Электрический пробой в газах. М., ИИЛ, 1960.
[3] Р е т е р Г. Электрические лавины и пробой в газах. М., Мир, 1968.
[4] А 11 е п К. R., Phillips К. Proc. Roy. Soc., 274А, (1963). Имеется перевод в[3].
[5] Александров А. Ф., Богданкевич Л. С., Рухадзе А. А. Основы электродинамики плазмы. М., Высшая школа, 1978.
[6] Koopman D.W. and Saum К. A. J. Appl. Phys., 44, no. 12, 5328 (1973).
[7] F 1 e g 1 e r E., R a e t h e г H. Z. Tech. Phys., 16, 435 (1935).
Поступила в редакцию 29 мая 2000 г
