ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11
Текст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.19
УДК: 537.5; 537.8
17-я Международная конференция
«Газоразрядная плазма и ее применения»
Екатеринбург, Россия, 8-12 сентября 2025
Размеры прикатодных плазменных областей –
источников убегающих электронов –
в условиях резко неоднородного электрического поля
Н.М. Зубарев 1,2, О.В. Зубарева 1, М.И. Яландин 1,2
1 Институт электрофизики УрО РАН, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106
2 Физический институт им.П.Н. Лебедева РАН, 119991, Москва, Ленинский пр., 53
Статья поступила в редакцию 2 октября 2025 г.
Аннотация. Анализируются результаты экспериментов по условиям убегания электронов в воздушных диодах со слабо- и сильнонеоднородными распределениями электрического поля, обусловленными использованием графитовых катодов различной формы: конуса с углом раствора в ~100° и тонких игл. Для интерпретации данных о пороговых для генерации убегающих электронов напряжениях потребовалось принять, что основной поток электронов испускается с внешней границы формирующейся прикатодной плазменной области. Сделаны оценки для размеров этой области, которые, как оказалось, коррелируют с наблюдаемыми поперечными масштабами замагниченных пучков убегающих электронов на аноде. Для конического катода размер составляет десятки микрометров, а для игольчатых катодов на порядок больше – сотни микрометров. Столь существенное различие объясняется разной природой плазменных областей. Для конуса, т.е. в сравнительно слабонеоднородном поле, появление плазмы обусловлено развитием таунсендовских лавин тепловых электронов. Для игл, т.е. в резко неоднородном поле, появление существенно более протяженного плазменного слоя можно связать с «незавершенным» убеганием электронов. Они начинают убегать вблизи катодного острия на переднем фронте импульса напряжения – задолго до достижения пика, но затем теряют энергию и превращаются в тепловые на некотором от удалении от катода, инициируя при этом формирование плазмы.
Ключевые слова: воздушный диод, убегающие электроны, конические и игольчатые катоды, прикатодная плазма.
Автор для переписки: Зубарева Ольга Владимировна, olga@iep.uran.ru
Литература
1. Wilson C.T.R. The electric field of a thundercloud and some of its effects // Proceedings of the Physical Society of London. – 1924. – V. 37. – № 1. – P. 32D. https://doi.org/10.1088/1478-7814/37/1/314
2. Dreicer H. Electron and ion runaway in a fully ionized gas. I // Physical Review. – 1959. – V. 115. – № 2. – P. 238. https://doi.org/10.1103/PhysRev.115.238
3. Гуревич А.В. К теории убегающих электронов // ЖЭТФ – 1960. – Т. 39. – №. 5. – С. 1296.
4. Станкевич Ю.Л., Калинин В.Г. Быстрые электроны и рентгеновское излучение в начальной стадии развития импульсного искрового разряда в воздухе // ДАН СССР – 1967. – Т. 177. – №. 1. – С. 72-73.
5. Месяц Г.А., Бычков Ю.И., Кремнев В.В. Импульсный наносекундный электрический разряд в газе // УФН – 1972. – Т. 107. – №. 6. – С. 201–228. https://doi.org/10.3367/UFNr.0107.197206b.0201
6. Dwyer J.R., Smith D.M., Cummer S.A. High-energy atmospheric physics: Terrestrial gamma-ray flashes and related phenomena // Space Science Reviews. – 2012. – V. 173. – № 1. – P. 133-196. https://doi.org/10.1007/s11214-012-9894-0
7. Бабич Л.П., Лойко Т.В., Цукерман В.А. Высоковольтный наносекундный разряд в плотных газах при больших перенапряжениях, развивающийся в режиме убегания электронов // УФН – 1990. – Т. 160. – №. 7. – С. 49-82. https://doi.org/10.3367/UFNr.0160.199007b.0049
8. Babich L.P. High-energy phenomena in electric discharges in dense gases: Theory, experiment, and natural phenomena. – Futurepast Incorporated, 2003.
9. Зубарев Н.М., Месяц Г.А., Яландин М.И. Условия убегания электронов в газовом диоде с сильно неоднородным электрическим полем // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2017. – Т. 105. – №. 8. – С. 515-520. https://doi.org/10.7868/S0370274X17080124
10. Зубарев Н.М., Зубарева О.В., Яландин М.И. Особенности убегания электронов в газовом промежутке с коническим катодом // Доклады РАН. Физика, технические науки – 2023. – Т. 512. – №. 1. – С. 5-10. https://doi.org/10.31857/S2686740023050140
11. Kozyrev A.V. et al. Local and nonlocal conditions for electron runaway in a gas gap with a conical cathode with a variable opening angle // Physics of Plasmas. – 2024. – V. 31. – № 10. – P. 103109. https://doi.org/10.1063/5.0225881
12. Зубарев Н.М., Месяц Г.А., Яландин М.И. Условия генерации убегающих электронов в воздушном зазоре с неоднородным электрическим полем: теория и эксперимент // Успехи физических наук. – 2024. – Т. 194. – №. 8. – С. 853-864. https://doi.org/10.3367/UFNr.2023.11.039608
13. Беломытцев С.Я. и др. О начальной стадии пробоя газового промежутка в неоднородном поле // Письма в журнал технической физики. – 2008. – Т. 34. – №. 9. – С. 10-16. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/12046
14. Levko D. et al. Numerical simulations of runaway electron generation in pressurized gases // Journal of Applied Physics. – 2012. – V. 111. – № 1. – P. 013303. https://doi.org/10.1063/1.3675527
15. Mesyats G.A. et al. How short is the runaway electron flow in an air electrode gap? // Applied Physics Letters. – 2020. – V. 116. – № 6. – P. 063501. https://doi.org/10.1063/1.5143486
16. Zubarev N.M. et al. Mechanism and dynamics of picosecond radial breakdown of a gas-filled coaxial line // Plasma Sources Science and Technology. – 2020. – V. 29. – № 12. – P. 125008. https://doi.org/10.1088/1361-6595/abc414
17. Yalandin M.I. et al. High peak power and high average power subnanosecond modulator operating at a repetition frequency of 3.5 kHz // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2002. – V. 30. – № 5. – P. 1700-1704. https://doi.org/10.1109/TPS.2002.805383
18. Shpak V.G., Shunailov S.A., Yalandin M.I. The 40 years to RADAN – compact multi-purposed sources for various pulsed power investigations // J. Phys.: Conf. Ser. – 2021. – V. 2064. – P. 012002. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012002
19. Tarakanov V.P. Code KARAT in simulations of power microwave sources including Cherenkov plasma devices, vircators, orotron, E-field sensor, calorimeter etc // EPJ Web of Conferences. – EDP Sciences. – 2017. – V. 149. – P. 04024. https://doi.org/10.1051/epjconf/201714904024
20. Yalandin M.I. et al. Picosecond resolution collector sensor for diagnostics of subrelativistic electron bunches // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 2023. – V. 72. – P. 1008808. https://doi.org/10.1109/TIM.2023.3307183
21. Taylor G.I. Disintegration of water drops in an electric field // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. – 1964. – V. 280. – № 1382. – P. 383-397. https://doi.org/10.1098/rspa.1964.0151
22. Zubarev N.M. The effect of viscosity on the self-similar growth of conic cusps on the surface of a conducting liquid in an electric field: Limiting cone angle // Physics of Fluids. – 2024. – V. 36. – № 4. – P. 042102. https://doi.org/10.1063/5.0200820
23. Тиунов М.А., Фомель Б.М., Яковлев В.П. SAM – интерактивная программа для расчета электронных пушек на мини-ЭВМ – Препринт № 89-159, Новосибирск: ИЯФ СО АН СССР, 1989.
24. Bethe H. Zur theorie des durchgangs schneller korpuskularstrahlen durch materie // Annalen der Physik. – 1930. – V. 397. – № 3. – P. 325-400. https://doi.org/10.1002/andp.19303970303
25. Peterson L.R., Green A.E.S. The relation between ionization yields, cross sections and loss functions // Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics. – 1968. – V. 1. – № 6. – P. 1131. https://doi.org/10.1088/0022-3700/1/6/317
26. Месяц Г.А. Законы подобия в импульсных газовых разрядах // УФН. – 2006. – Т. 176. С. 1069-1091. https://doi.org/10.3367/UFNr.0176.200610d.1069
27. Mamontov Y.I., Yalandin M.I., Zubarev N.M. Simulation of runaway electron kinetics in magnetized gas diodes with a strongly inhomogeneous electric field // Physics of Plasmas. – 2025. – Т. 32. – №. 5. – P. 053502. https://doi.org/10.1063/5.0273887
Для цитирования:
Зубарев Н.М., Зубарева О.В., Яландин М.И. Размеры прикатодных плазменных областей – источников убегающих электронов – в условиях резко неоднородного электрического поля // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.19