Контрагированный разряд

КОНТРАГИРОВАННЫЙ РАЗРЯД (от латинского contraho - сжимать), электрический разряд в газе, при котором диаметр столба разряда значительно меньше диаметра разрядной трубки, разрядный ток сжат к центру. Контрагированный разряд возникает при превышении некоторого критического значения давления газа или разрядного тока. В этих случаях разряд с относительно однородным распределением плотности тока и интенсивности свечения по сечению разрядной камеры переходит в разряд с резко уменьшенным поперечным размером области, заполненной разрядным током, в несколько раз возрастает объёмная плотность энерговыделения, увеличивается интенсивность свечения, изменяется его спектральный состав - происходит контракция газового разряда. Это явление, характерное для всех типов разрядов, ограничивает возможность практического использования газоразрядных устройств областью относительно невысоких токов и давлений.

Контракция разряда происходит при одновременном выполнении двух условий: 1) эффективность образования заряженных частиц резко уменьшается от оси к стенкам разрядной трубки; 2) время объёмной рекомбинации (нейтрализации) заряженных частиц значительно меньше времени их диффузии к стенке разрядной трубки. При выполнении этих условий радиус re области, заполненной током, много меньше радиуса разрядной трубки и оценивается как

Реклама

Контрагированный разряд

(Здесь (N) - среднее значение плотности заряженных частиц; α - коэффициент объёмной рекомбинации; D - коэффициент диффузии.) Контракция разряда происходит вследствие возникновения радиальной неоднородности скорости образования заряженных частиц и их объёмной рекомбинации.

Радиальная неоднородность скорости образования заряженных частиц в газовом разряде связана с термической неоднородностью разрядного столба. Вследствие омического нагрева газа разрядным током температура на оси разрядной трубки больше, чем на периферии. Поэтому частота ионизации нейтральных частиц газа электронным ударом также больше на оси и резко убывает к стенкам разрядной трубки.

Резкая радиальная зависимость частоты ионизации электронным ударом определяется и видом функции распределения электронов по энергиям, зависящим от степени ионизации плазмы. При малых степенях ионизации вид этой функции определяется в основном упругими соударениями электронов с атомами. С ростом степени ионизации растёт число соударений электронов друг с другом, что приближает их спектр к максвелловскому, который обогащён высокоэнергичными электронами по сравнению со спектром, соответствующим столкновениям электронов только с атомами. Это приводит к возрастающей зависимости скорости ионизации от степени ионизации газа, что реализуется в разрядах инертного газа.

Наиболее значимый механизм объёмной нейтрализации заряженных частиц связан с рекомбинацией молекулярного иона и электрона. Поэтому контракция разряда происходит обычно, когда преобладают молекулярные ионы. Для инертного газа это выполняется при относительно низких температурах (Т < 500-800 К) и давлениях р > 10-20 гПа. В разряде молекулярного газа основная часть энергии, получаемой электронами от электрического поля, идёт на возбуждение молекулярных колебаний. Эта энергия превращается в теплоту в результате колебательной релаксации молекул при столкновениях. Для контракции разряда в молекулярном газе необходимо, чтобы время колебательной релаксации молекул было меньше времени их диффузионного ухода на стенку разрядной трубки.

Контракция разряда ограничивает выходные характеристики газоразрядных источников света, газовых лазеров, плазмохимической и магнитогидродинамической установок и т. п. Подавляют это явление с помощью конвективной прокачки или турбулизации газа, которые препятствуют образованию температурной неоднородности разряда.

Лит.: Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М., 1987; Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Неоднородная газоразрядная плазма // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 11.

А. В. Елецкий.