Фундаментальные процессы в искровом разряде

Вторая задача — это  вопрос о структуре всего канала и процессах внутри него. Эти процессы медленны по сравнению со скоростью  роста канала. Все они протекают  за характерные времена, большие  по сравнению со временем, в течение  которого канал удлиняется на величину порядка размеров головки. Именно благодаря  медленности кинетических, плазменных и электрических процессов в  длинном канале, т. е. относительной малости скорости изменения электрического заряда в средней части канала, мы и можем считать волну ионизации квазистационарной. Действительно, при удлинении длинного канала на отрезок порядка нескольких радиусов головки поле, создаваемое у головки зарядами канала, практически не меняется.

Согласно сложившимся представлениям, начальные электроны рождаются перед ионизованной головкой благодаря поглощению испускаемых плазмой достаточно энергичных фотонов. Фотоэлектроны дают начало элементарным электронным лавинам, которые движутся в сильном поле положительно заряженной головки канала по направлению к ней. Если начальных электронов достаточно много, лавины перекрываются еще до окончания своего развития, т. е. до соприкосновения с головкой. В результате можно считать (для дальнейшего этого достаточно), что в области относительно слабого поля перед фронтом волны ионизации существует какая-то начальная плотность электронов, на много порядков меньшая конечной плотности за волной.

При исключительно малой скорости рождения затравочных электронов возникает вопрос о статистическом запаздывании момента начала прорастания канала, о возможной прерывистости его продвижения, о ветвлениях канала. Надо сказать, что вопросу о начальных электронах традиционно уделялось много внимания при анализе ионизационных волн, исследовались механизмы их зарождения. Считалось, что именно концентрацией начальных электронов определяются многие свойства волны. Если только электронов достаточно, чтобы не было запаздывания начала ионизации в любой точке трассы волны, их концентрация оказывает лишь незначительное влияние на процесс.

Роль волны ионизации  в искровом пробое

Уже самый первый подход к процессу искрового пробоя длинных  промежутков с экспериментальными цифрами в руках немедленно исключает  возможность прорастания в воздухе  длинного холодного канала типа стримерного. Для перекрытия промежутка длиной 100 - 200 м (это максимально длинные искры, полученные к настоящему времени) достаточно примерно 3-4 MB, т. е. среднее поле в канале искры составляет примерно 200 - 300 В/см. Ни о какой ионизации в столь слабом поле при нормальной плотности газа не может быть и речи. В холодном воздухе для этого требуется примерно 30 кВ/см. Промежуток в сотню метров искра пробегает за несколько миллисекунд (со средней скоростью 2-Зсм/мкс), тогда как в холодном воздухе электроны почти полностью исчезают за доли микросекунды. Если бы воздух в длинном канале действительно оставался холодным, это был бы просто рекомбинирующий ионный след, обладающий ничтожной проводимостью. Еще резче выражены эти противоречия в молнии, когда среднее поле в несколько раз меньше, а время прорастания канала на порядок больше, чем в самой длинной лабораторной искре.

Это дает основания полагать, что плазма в канале продвигающейся искры по основным характеристикам далека от холодной стримерной плазмы и много ближе к плазме стационарной электрической дуги. В положительном столбе воздушной дуги атмосферного давления напряженность поля заключена в пределах 10 - 100 В/см. В соответствии с падающей вольт-амперной характеристикой она тем ниже, чем больше ток. Верхнее значение дуговых градиентов потенциала близко к тому, что измерено в канале длинной искры во время ее формирования. Близость параметров тем заметнее, чем длиннее разрядный промежуток. В слабом электрическом поле нет механизмов, способных восполнить гибель электронов в холодном воздушном канале. Газ обязательно должен быть разогретым, причем благотворные последствия разогрева начинают проявляться при весьма умеренных температурах.

Все говорит о том, что  разогрев канала длинной искры неизбежен. Более того, каждый новый участок  растущего канала должен нагреваться  достаточно быстро, чтобы обогнать процессы, ведущие к потере проводимости. Именно здесь коренится главная  причина того, почему стримерный механизм чаще всего непосредственно привести к пробою не может.

Лидер

Начиная от первичных, затравочных  электронов, рождаемых в газе фотонами или в результате каких-то комплексных  процессов с их участием, первичная  плазма с весьма высокой плотностью электронов порядка 10¹²- 10¹⁴см^-3 рождается именно волнами ионизации. Это, конечно, не исключает возможности последующей ионизации уже в самом плазменном канале или в процессе превращения в плазму невозмущенных слоев газа около его боковой поверхности. Впрочем, последний процесс также имеет характер распространения волны ионизации. Вопрос о дополнительной ионизации, повышающей плотность плазмы до более высокого уровня, в данном случае не является столь принципиальным. Главное - плазма со степенью ионизации «первого» и весьма высокого уровня создается волнами ионизации, и потому они (или стримеры) являются первейшим структурным элементом искрового разряда.

Наиболее существенный вывод, который следует из анализа возможностей волны ионизации, заключается в  том, что произвести свободные электроны - это только половина дела, и не самая трудная. Их нужно еще сохранить. И, в сущности, пробивное напряжение для длинного промежутка определяется именно необходимыми условиями сохранения электронов и проводимости плазмы - возбудить волны ионизации в данном промежутке можно было бы и при меньшем напряжении.

Чтобы сохранить электроны, воздух с первых же моментов его превращения в плазму нужно нагреть хотя бы до нескольких тысяч градусов. Для этого в единице длины канала должна выделиться достаточно большая энергия, для чего через его сечение должен протечь достаточно большой заряд. Это тот самый заряд, что нагнетается в постоянно увеличивающуюся емкость растущего канала. (Если канал распространяется от анода, нагнетание положительного заряда происходит путем обнажения ионов при дрейфовом уходе электронов в сторону анода.) Единица длины канала должна обладать большой емкостью, которая в состоянии вместить в себя большой заряд, гораздо больший, чем размещается на единице длины одиночного стримера, где нагрев, как правило, невелик. При этом непосредственное увеличение радиуса проводящего цилиндрического канала, благодаря которому несколько увеличивается погонная емкость, положительного эффекта не дает. Напротив, плотность энерговыделения уменьшается, так как увеличение объема, в котором рассеивается энергия, пропорциональное r², значительно превышает эффект слабого логарифмического увеличения емкости.

Выход из создавшегося положения  природа нашла в объединении  токов многих индивидуальных стримерных каналов. Вообще говоря, емкость многих близко расположенных друг от друга каналов меньше суммы емкостей отдельных каналов. Однако неблагоприятный эффект с лихвой перекрывается положительным эффектом объединения токов многих стримеров в общий ток в достаточно тонком канале. Качественно эта энергетически наиболее эффективная схема процесса выглядит так. От заряженной головки горячего канала, которая является источником сильного поля, стартует множество первичных волн ионизации. Это процесс совершенно аналогичный зарождению стримера у анода в результате лавинно-стримерного перехода. Только в данном случае роль анода - носителя высокого потенциала и заряда играет головка горячего канала. Волны пробегают некоторое расстояние и останавливаются в области слабого поля. Ток каждого из стримеров не разогревает своего канала, и их проводимость во времени падает. Но суммарный ток всех стримеров, объединенный в тонком неразветвленном основании («стебле»), из которого прорастают стримеры («стримерные ветви») разогревает этот общий для всех них участок. Благодаря высокой проводимости нагретого участка электронный заряд головки быстро оттекает в сторону анода и длина горячего заряженного канала несколько увеличивается. Процесс многократно повторяется, создавая эффект квазинепрерывного движения нагретого плазменного канала с веером холодных стримеров перед своей головкой.

Поскольку волны ионизации  стартуют все время с большой  частотой, стримеры перед головкой имеют самые различные длины. Короткие стримеры еще сохраняют  свою проводимость и продолжают посылать ток в общий стебель. Длинные  стримеры, продвинувшиеся под углом  к оси канала и стебля, теряют проводимость и вклад в общий  ток дают очень малый, но заряд  свой, напротив, сохраняют и после  того, как головка общего горячего канала ушла далеко вперед. Таким образом, горячий канал по всей длине оказывается  окруженным относительно большой областью с сохранившимся пространственным зарядом, чехлом заряда. Это эквивалентно увеличению результирующей емкости по сравнению с относительно малой емкостью собственно тонкого горячего плазменного шнура. «Выгодность» такой схемы для нагрева состоит в том, что объединенный ток проходит через малое сечение собственно канала и плотность выделения энергии в канале велика. Между тем заряд нагнетается во множество длинных стримеров и размещается в большом объеме стримерной зоны перед головкой, которая впоследствии (когда головка продвигается вперед) превращается в чехол заряда вокруг канала. Емкость системы характеризуется при этом очень большим эффективным радиусом чехла, который близок к длине развивающихся стримеров.

Несмотря на логарифмическую  зависимость, емкость оказывается весьма большой по сравнению с емкостью проводящего тонкого канала. Между тем плотность энерговыделения в общем стримерном стебле обратно пропорциональна квадрату малого радиуса канала, и потому нагрев получается сильным Такая двухстадийная схема, в которой горячий канал прорастает с какой-то своей скоростью, примерно на порядок меньшей скорости разогревающих его стримеров, и представляет собой лидерный процесс. В классической интерпретации собственно лидером называют именно тот горячий канал, который движется в пространстве, заполненном первичными волнами ионизации - стримерами. Совокупность стримеров вокруг и перед головкой называют стримерной зоной. Область заряда, оставшегося от потерявших проводимость стримеров, и окружающую канал лидера, так и называют чехлом заряда лидера или просто чехлом.

Выводы:

Повторяем (ибо это наиболее принципиальный момент), главная обязанность  стримеров в стримерной зоне сводится к увеличению емкости лидера, благодаря чему возрастает энерговклад в лидерный канал; поперечный размер зоны, заполненной зарядом, может быть на несколько порядков больше радиуса канала лидера. Отсюда значительный эффект увеличения емкости, а значит и энерговклада в канал - он может возрасти более, чем на порядок и обеспечить разогрев плазмы при более низком напряжении, чем потребовалось бы для уединенного неразветвленного канала за первичной волной ионизации. Эффективность двухстадийной лидерной схемы формирования длинной искры подтверждается многими экспериментами. Развитие лидера наблюдали не только во всех обследованых электроотрицательных газах, но и в чистых электроположительных молекулярных газах, например, в азоте. Исключения возможны, главным образом, в случае чистых одноатомных электроположительных газов. Электроны за фронтом волны ионизации исчезают там настолько медленно, что даже относительно холодный канал сохраняет проводимость почти на исходном уровне в течение десятков микросекунд. Если за это время канал успевает пересечь промежуток, у него сохраняется реальная перспектива разогреться замкнувшимся током проводимости и перейти в «дугу». Шансы на разогрев сильно повышаются благодаря полному отсутствию потерь энергии на возбуждение колебаний.

Современные лаборатории  высоких напряжений располагают  генераторами напряжения в миллионы вольт. С их помощью в промежутках  с резко неоднородным электрическим  полем можно получать искры длиной в десятки и даже сотни метров.

Искровой разряд нашёл разнообразные применения в технике. С его помощью инициируют взрывы и процессы горения, измеряют высокие напряжения; его используют в спектроскопическом анализе, в переключателях электрических цепей, для высокоточной обработки металлов (Электроискровая обработка) и т. п.

Конечно, материал, который  изложен в этой работе не может подробно описать огромное количество газоразрядных процессов в искровом разряде, и сопоставить все множество экспериментальных данных.

Задача состояла в том, чтобы наметить ориентиры для  осмысленного освоения фактического материала  и дать, хотя бы на качественном уровне, представления о физике явления.