Avalancha relativista de electrones descontrolada
Una avalancha relativista descontrolada de electrones ( RREA ) es un crecimiento en avalancha de una población de electrones relativistas impulsados a través de un material (típicamente aire) por un campo eléctrico. Se ha planteado la hipótesis de que RREA está relacionado con la iniciación del rayo , [1] destellos de rayos gamma terrestres , [2] rayo de sprites , [3] y desarrollo de chispas . [4] RREA es único ya que puede ocurrir en campos eléctricos de un orden de magnitud menor que la rigidez dieléctrica del material.
Cuando se aplica un campo eléctrico a un material, los electrones libres se desplazarán lentamente a través del material como lo describe la movilidad de los electrones . Para los electrones de baja energía, las velocidades de deriva más rápidas dan como resultado más interacciones con las partículas circundantes. Estas interacciones crean una forma de fricción que ralentiza los electrones. Por tanto, para los casos de baja energía, las velocidades de los electrones tienden a estabilizarse.
A energías más altas, por encima de aproximadamente 100 keV , estos eventos de colisión se vuelven menos comunes a medida que aumenta el camino libre medio del electrón. Estos electrones de mayor energía ven menos fuerza de fricción a medida que aumenta su velocidad. En presencia del mismo campo eléctrico, estos electrones seguirán acelerándose, "escapando".
A medida que los electrones descontrolados obtienen energía de un campo eléctrico, ocasionalmente chocan con los átomos del material, eliminando electrones secundarios. Si los electrones secundarios también tienen suficiente energía para huir, también se aceleran a altas energías, producen más electrones secundarios, etc. Como tal, el número total de electrones energéticos crece exponencialmente en una avalancha.
El mecanismo RREA anterior solo describe el crecimiento de la avalancha. Se necesita un electrón energético inicial para iniciar el proceso. En el aire ambiente, estos electrones energéticos normalmente provienen de los rayos cósmicos . [5] En campos eléctricos muy fuertes, más fuertes que la fuerza de fricción máxima experimentada por los electrones, incluso los electrones de baja energía ("fríos" o "térmicos") pueden acelerar a energías relativistas, un proceso denominado "fuga térmica". [6]
Las avalanchas RREA generalmente se mueven en dirección opuesta a la del campo eléctrico. Como tal, después de que las avalanchas abandonan la región del campo eléctrico, las fuerzas de fricción dominan, los electrones pierden energía y el proceso se detiene. Sin embargo, existe la posibilidad de que los fotones o positrones producidos por la avalancha regresen al lugar donde comenzó la avalancha y puedan producir nuevas semillas para una segunda generación de avalanchas. Si la región del campo eléctrico es lo suficientemente grande, el número de avalanchas de segunda generación superará el número de avalanchas de primera generación y el número de avalanchas en sí aumentará exponencialmente. Esta avalancha de avalanchas puede producir poblaciones extremadamente grandes de electrones energéticos.Este proceso finalmente conduce a la caída del campo eléctrico por debajo del nivel en el que es posible la retroalimentación y, por lo tanto, actúa como un límite para la intensidad del campo eléctrico a gran escala.[7]
