Ионизационные волны

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ, области повышенной концентрации заряженных частиц, отделённые от слабоионизованной или неионизованной среды узкой поверхностью раздела - фронтом волны. Фронт ионизационных волн представляет собой переходную область, в пределах которой происходит резкое изменение концентрации заряженных частиц. Структура фронта ионизационных волн определяется процессами подвода энергии, ионизации и переноса частиц. Ионизационные  волны могут быть единичными и периодическими (так называемые страты), стационарными и движущимися. Ионизационные  волны наблюдаются в газе, на поверхности жидкости и твёрдого тела. При электрическом пробое конденсированных сред обычно сначала происходит образование газовой полости, в которой затем распространяется волна ионизации. На поверхности диэлектрика могут возникать ионизационные волны, движущиеся в электрическом поле по его поверхности (смотри Скользящий разряд).

Возникновение и распространение ионизационных волн связаны не с перемещением вещества, а с перемещением области интенсивной ионизации. Локальное возмущение плотности ионов или электронов в ионизационных волнах ведёт к возникновению пространственного заряда и появлению локального электрического поля, меняющего, в свою очередь, среднюю энергию электронов, скорость ионизации и концентрацию заряженных частиц. Все эти процессы приводят к распространению возмущения, причём возможно чередование положительных и отрицательных отклонений плотности электронов и других параметров плазмы от однородного состояния.

По характеру физических явлений в переходной области и механизму перемещения ионизационные волны во многих случаях близки к волнам горения (и в исключительных случаях - детонации) и отличаются от них механизмом подвода необходимой для ионизации энергии. В волнах горения источником энергии является энергия химической реакции, идущая в основном на нагрев газа. В ионизационных волнах энергия подводится извне и тратится на нагрев и ионизацию газа, а разгона среды обычно не происходит.

Способы подвода энергии очень разнообразны: непосредственное ускорение электронов внешним электрическим полем до энергий, достаточных для ударной ионизации; лазерное или другое ионизирующее излучение и пр. Различны и механизмы перемещения фронта ионизации: дрейф в электрическом поле, диффузия, перенос излучения и т. п. Кинетика процессов ионизации и рекомбинации и характер переноса весьма разнообразны в зависимости от рода газа, внешних электрических и магнитных полей и границ системы. Отсюда вытекает и разнообразие типов ионизационных волн, их свойств, скоростей и направлений их движения. Существуют ионизационные волны с фазовой скоростью, направленной противоположно групповой (так называемые обратные волны); прямые ионизационные волны с фазовой скоростью, большей или меньшей, чем групповая; ионизационные волны, направленные в сторону электрического поля и против него. Периодические ионизационные волны (страты) наблюдаются в плазме разного состава при давлениях от 10^-2 мм ртутного столба до десятков атмосфер (1-10⁶ Па). Скорости распространения ионизационных волн также могут меняться от нулевой (стоячие страты) до скоростей, близких к скорости света.

Наряду с ионизационными волнами, движущимися по холодному газу, существуют так называемые волны вторичного пробоя, распространяющиеся по каналу слабоионизованного газа. Такие волны возникают при электрическом пробое газовых промежутков, возвратном ударе молнии и в экспериментах по наносекундному пробою газа в длинных трубках. Перемещение волн вторичного пробоя связано с перераспределением электрического поля, обеспечивающего ионизацию. Во фронте ионизации таких волн концентрация заряженных частиц может возрастать на порядки. Скорость волн вторичного пробоя обратно пропорциональна давлению и может быть близка к скорости света.

На характер перемещения ионизационных волн может влиять магнитное поле, меняя коэффициент переноса. Так, например, в замагниченной неравновесной плазме благородных газов с добавкой (присадкой) щелочных металлов при развитии ионизационной неустойчивости возникают так называемые магнитные страты, природа которых связана с анизотропией протекания электрического тока, флуктуаций джоулева тепловыделения, переноса теплоты и процессов ионизации. В такой плазме в магнитном поле наряду с ионизационными волнами, движущимися по холодному газу, могут существовать также волны ионизации и рекомбинации присадки.

Лит.: Недоспасов А. В., Хайт В. Д. Колебания и неустойчивости низкотемпературной плазмы. М., 1979; Лагарьков А. Н., Руткевич И. М. Волны электрического пробоя в ограниченной плазме. М., 1989; Райзер Ю. П. Физика газового разряда. 2-е изд. М., 1992; Артемов В. И., Левитан Ю. С., Синкевич О. А. Неустойчивости и турбулентность в низкотемпературной плазме. М., 1994.