ионизационные волны

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ - области с повыш. концентрацией заряж. частиц, обычно отделённые от слабо ионизованной или неионизованной среды узкой поверхностью раздела - фронтом волны. Фронт И. в. представляет собой переходную область, в пределах к-рой происходит резкий скачок концентрации заряж. частиц. Структура волны определяется процессами ионизации и переноса частиц и энергии. И. в. могут быть как единичными, так и периодическими (т. н. страты), стационарными и движущимися. И. в. наблюдаются в газе, жидкости и твёрдом теле. При электрич. пробое жидкости обычно происходит сначала превращение её в газ, а затем по нему распространяется волна ионизации. Характерная особенность И. в. заключается в том, что их возникновение и распространение связаны не с перемещением вещества (как это имеет место в упругих волнах), а с перемещением области интенсивной ионизации. Так, напр., локальное возмущение плотности ионов или электронов в плазме ведёт к возникновению пространственного заряда и появлению локального электрич. поля, меняющего, в свою очередь, ср. энергию электронов. В связи с этим меняется скорость ионизации и, соответственно, концентрация заряж. частиц. Вся эта цепь процессов ведёт к распространению возмущения, причём возможно чередование положит, и отрицат. отклонений объёмной плотности электронов и др. параметров плазмы от однородного состояния. И. в. по характеру физ. явлений в переходной области и механизму перемещения во ми. случаях близки к волнам горения и детонации в газовой динамике и отличаются от них механизмом подвода необходимой для ионизации энергии. В волнах горения и детонации источником энергии является энергия хим. реакции, идущая в основном на нагрев и разгон (в волне детонации) газа. В И. в. энергия подводится извне и затем тратится на нагрев и ионизацию газа, а разгона среды обычно не происходит. Способы подвода энергии очень разнообразны: напр, непосредственное ускорение электронов внеш. электрич. полем до энергий, достаточных для ударной ионизации, лазерное или др. ионизирующее излучение и т. п. Различны и механизмы перемещения фронта ионизации: дрейф в электрич. поле, теплопроводность (электронная или турбулентная), диффузия (электронная, амбиполярная, турбулентная), перенос излучения и т. п. В зависимости от рода газов, внеш. электрич. и магн. полей и границ системы весьма разнообразны кинетика процессов ионизации и рекомбинации и характер переноса. Отсюда вытекает и разнообразие типов И. в., их свойств, скоростей и направлений их движения. Существуют И. в. с фазовой скоростью, направленной противоположно групповой (т. н. обратные волны); прямые И. в. с фазовой скоростью, большей или меньшей, чем групповая; И. в., направленные в сторону электрич. поля и против него. Периодич. И. в. (страты) наблюдаются в плазмах разнообразного состава при давлениях от 10^-2 мм рт. ст. до десятков атмосфер. Скорости распространения И. в. также могут меняться в широком диапазоне от нулевой (стоячие страты) до скоростей, близких к скорости света. Так, напр., распространение И. в., в к-рых электрич. поле направлено по нормали к плоской поверхности фронта ионизации (продольное электрич. поле), а электроны поступают в область перед фронтом за счёт диффузии, происходит со скоростью v_ф, определяемой в простейшем случае соотношением:

v_ф=(1+kT_e/E_и)m_еE₀.

Здесь Т_е - темп-pa электронов перед фронтом И. в., m_e - их подвижность, E_и - энергия ионизации, Е₀ - характерное значение напряжённости электрич. поля, определяемое структурой волны. Скорость движения И. в. по холодному газу в поперечном электрич. поле E_^ оценивается из выражения: Здесь Т_е(Е_^) - темп-pa электронов за фронтом волны, определяемая из баланса энергии электронов в приложенном поле Е_^, m_в - масса электрона. Наряду с волнами ионизации, движущимися по холодному газу, существуют т. н. волны вторичного пробоя, распространяющиеся по каналу слабоионизов. газа. Такие волны наблюдаются в возвратном ударе молнии и в экспериментах по наносекундному пробою газа в длинных трубках. Перемещение волн вторичного пробоя связано с перераспределением электрич. поля, обеспечивающего ионизацию. Во фронте ионизации таких волн концентрация заряж. частиц может возрастать на порядки. Скорость волн вторичного пробоя может быть близка к скорости света и оценивается по ф-ле: v_ф=Kam_ej, где a - первый коэф. Таунсенда (см. Электрические разряды в газах ),j - электрич. потенциал, К - численный коэф., определяемый тонкой структурой волны. Обычно скорость волн вторичного пробоя обратно пропорц. давлению. Существуют И. в., движущиеся в электрич. поле по поверхности диэлектрика (скользящий разряд). На характер перемещения И. в. может влиять магн. поле, меняя коэффициенты переноса. Так, напр., в замагнич. неравновесной плазме инертных газов с добавкой (присадкой) щелочных металлов при развитии иони-зац. неустойчивости возникают т. н. магн. страты, природа к-рых связана с анизотропией флуктуации джоулева тепловыделения, переноса тепла и процессов ионизации. В такой плазме в магн. поле наряду с И. в., движущимися по холодному газу, могут существовать также волны ионизации и рекомбинации присадки, перемещающиеся по частично ионизованному газу, по к-рому протекает электрич. ток. Для таких волн из-за Холла эффекта ток может течь не параллельно фронту волны, и суммарная скорость перемещения И. в. в этом случае вызывается как теплопроводностью (диффузией), так и конвективными механизмами. Если бы конвективная скорость носителей была постоянной перед фронтом и за ним, то скорость движения И. в. складывалась бы из скорости движения фронта и конвективной скорости носителей. Но конвективные скорости за фронтом ионизации и перед ним различны, т. к. нелинейно зависят от концентрации носителей. Если под действием диффуз. механизма волна всегда стремится распространяться в сторону более низкой концентрации, то при наличии конвекции носителей результирующая скорость может быть направлена как в сторону увеличения концентрации (тогда наблюдается волна рекомбинации присадки), так и в сторону понижения концентрации (волна ионизации присадки). Лит.: Недоспасов А. В., Страты, "УФН", 1968, т. 94, с. 439; Пекарек Л., Ионизационные волны (страты) в разрядной плазме, там же, с. 463; Недоспасов А. В., Xаит В. Д., Колебания и неустойчивости низкотемпературной плазмы, М., 1979; Ланда П. С., Мискинова Н. А., Пономарев Ю. В., Ионизационные волны в низкотемпературной плазме, "УФН", 1980, т. 132, с. 601; Руткевич И. М., Синкевич О. А., Волны и неустойчивости в низкотемпературной плазме, в кн.: Итоги науки и техники, сер. "Механика жидкости и газа", т. 14, М., 1981. О. А. Синкевич.

   <<      Предметный указатель      >>