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.
Контракция газового разряда 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/Da (здесь N - плотность заряж. частиц в разряде,
- коэф. объёмной рекомбинации заряж. частиц, R0 - радиус разрядной
трубки, Da - 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
rе оказывается много меньше радиуса разрядной трубки R0.
Как следует из соотношения (1), радиус разрядного шнура rе 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/Na или от степени ионизации
N/Na (Е - напряжённость электрич. поля, Na - 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 р
10-50
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.
Контракция газового разряда 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).
Контракция газового разряда 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.
А. В. Елецкий
|
![]() |