контракция газового разряда

КОНТРАКЦИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА (сжатие газового разряда) - резкое, скачкообразное уменьшение поперечного размера области, заполненной разрядным током, возникающее при превышении нек-рого критич. значения давления газа или разрядного тока. При К. г. р. в неск. раз возрастает объёмная плотность энергии в плазме столба и поэтому резко увеличивается общая яркость свечения и изменяется его спектральный состав. Это явление, характерное для всех типов газового разряда, ограничивает возможность практич. использования газоразрядных устройств областью относительно малых давлений и разрядных токов.

К. г. р. происходит при одновременном выполнении двух условий: 1) эффективность образования заряж. частиц резко спадает от оси к стенкам разрядной трубки; 2) характерное время объёмной рекомбинации (нейтрализации) заряж. частиц много меньше времени их диффузии на стенки разрядной трубки R²₀/D_a (здесь N - плотность заряж. частиц в разряде, - коэф. объёмной рекомбинации заряж. частиц, R₀ - радиус разрядной трубки, D_a - коэф. амбиполярной диффузии). За время рекомбинации заряж. частицы в процессе диффузии к стенкам разрядной трубки проходят расстояние

к-рое характеризует размер области, заполненной разрядным током. При выполнении указанных выше условий r_е оказывается много меньше радиуса разрядной трубки R₀. Как следует из соотношения (1), радиус разрядного шнура r_е уменьшается с ростом давления или разрядного тока. К. г. р. происходит вследствие возникновения радиальной неоднородности скорости образования заряж. частиц и объёмной нейтрализации заряж. частиц, механизмы к-рых различны в каждой конкретной ситуации.

В разряде инертного газа резкая радиальная неоднородность скорости ионизации атомов электронным ударом связана с тепловым механизмом - повышенным джоулевым нагревом газа вблизи оси трубки, где даже в диффузном состоянии плотности электронов и тока выше, чем на периферии. Выше плотность - больше джоулев нагрев - выше ионизация. Скорость ионизации, зависящая от отношения E/N_a или от степени ионизации N/N_a (Е - напряжённость электрич. поля, N_a - плотность атомов), оказывается нелинейной при плотностях N10¹¹ см^-3 и уже при весьма малых энерговкладах Вт/см (i - разрядный ток), когда объёмная нейтрализация заряж. частиц ещё несущественна. Поэтому для К. г. р. в инертных газах необходимо преобладание объёмной рекомбинации ионов и электронов над пристеночной. Это условие выполняется при достаточно высоких давлениях р10-50 тор, когда основным сортом ионов становится молекулярный ион А₂⁺, эффективно рекомбинирующий в объёме в результате диссоциативной рекомбинации

С ростом энерговклада темп-pa газа в разряде поднимается, при энерговкладах 10-100 Вт/м это приводит к термич. разрушению молекулярных ионов и уменьшению эффективности объёмной рекомбинации заряж. частиц. Возникает явление, обратное К. г. р.- расконтрагирование, к-рое проявляется в возрастании поперечного размера токового шнура с ростом разрядного тока.

В разряде молекулярного газа практически всегда преобладают молекулярные ионы, эффективно нейтрализующиеся в объёме в результате диссоциативной рекомбинации. Подавляющая часть энергии, вводимой в разряд, расходуется на возбуждение молекулярных колебаний. Поэтому термич. неоднородность, наличие к-рой является необходимым условием К. г. р., возникает в случае, когда объёмная столкновит. дезактивация колебательно возбуждённых молекул преобладает над их диффузионным уходом на стенки разрядной трубки. Переход от стеночного механизма дезактивации колебательно возбуждённых молекул к объёмному происходит при превышении определённого значения давления газа. Резкий, лавинообразный характер такого перехода обусловлен резкой температурной зависимостью скорости колебательной релаксации молекул.

К. г. р. в электроотрицательных газах происходит существенно легче за счёт нейтрализации заряж. частиц при образовании отрицат. ионов с последующей ион-ионной рекомбинацией. К. г. р. облегчается также под воздействием внеш. или собств. магн. поля, к-рое подавляет диффузию заряж. частиц (П инч-эффект).

К. г. р. ограничивает выходные характеристики газоразрядных источников света, газовых лазеров, плазмо-химич. и магнитогидродинамич. установок. Эффективным средством подавления этого вредного явления служит конвективная прокачка или турбулизация газа, снижающая термич. неоднородность разряда и уменьшающая время ухода заряж. частиц из разряда.

Лит.: Елецкий А. В., Механизмы сжатия тлеющего разряда, в сб.: Химия плазмы, под ред. Б.М.Смирнова, в. 9, М., 1982, с. 151; Райзер Ю. П., Физика газового разряда, М., 1987. А. В. Елецкий.

   <<      Предметный указатель      >>