Контракция газового разряда

Контракция (сжатие) газового разряда — одно из проявлений пространственной неоднородности газовых разрядов. Это явление исследовалось в газоразрядных трубках, поскольку они обладают идеальной симметрией и осуществлять повторяющиеся наблюдения перехода диффузного тлеющего разряда к образованию шнуров в центре трубок легко с экспериментальной точки зрения. Контракцию газового разряда относят к критическим явлениям в низкотемпературной плазме.

Суть явления состоит в изменении характера протекания газового разряда и резком сужении поперечного размера области разряда (много меньше диаметра газоразрядной трубки) при превышении определённых пороговых значений давления газа или разрядного тока в трубке. Происходит уменьшение использования объёма газоразрядной трубки, газовый разряд становится пространственно неоднородным, а плазма разряда — неравновесной. Объёмная плотность энергии, выделяющейся в контрагированном газовом разряде, намного выше, чем в диффузном, интенсивность свечения и спектр испускаемого излучения изменяются. Изучение причин, механизмов и параметров перехода к контракции газового разряда необходимы для конструирования МГД-генераторов, газовых лазеров, плазмотронов и других приборов, использующих особенности газового разряда. В этой связи важной задачей является установление радиальных распределений параметров газовой плазмы — плотности электронов, температуры, давления и др.

На рисунке показаны вольт-амперные характеристики (ВАХ) положительного столба диффузного газового разряда (слева), подвергшегося контракции (кривые справа). ВАХ понижается из-за разогрева газа при высоких протекающих токах, достигая критического значения вблизи значений тока ~(100—130) мА. В этой области происходит контрактация, напряжение уменьшается резким скачком при плотности тока около 5,3 мА/см². Эффективный радиус шнура уменьшается приблизительно в 20 раз.

Для контрактации газового разряда необходимы следующие условия:

1. Существование градиента образования заряженных частиц (электронов) от максимального вблизи оси трубки до минимального у её стенок; характер спадания эффективности генерации должен быть очень резким;
2. Время диффузии носителей заряда от оси к стенке должно быть гораздо больше времени объёмной рекомбинации заряженных частиц (электронов), величина тока достаточно велика, а концентрация заряженных частиц высока.
3. Радиус токового шнура ${\displaystyle r_{e}}$ при выполнении этих условий должен составлять величину порядка ${\displaystyle r_{e}={\sqrt {\frac {D}{\alpha \left\langle N\right\rangle }}}}$, где ${\displaystyle D}$ — коэффициент диффузии, ${\displaystyle \alpha }$ — коэффициент объёмной рекомбинации, ${\displaystyle \left\langle N\right\rangle }$ — среднее значение плотности заряженных частиц (электронов). Радиус шнура должен быть гораздо меньше радиуса газоразрядной трубки.

В этом случае основной причиной контракции газового разряда является радиальная неоднородность темпа образования заряженных частиц (электронов).

Контракция газового разряда считается вредным, паразитным явлением при работе газовых приборов, что ограничивает области давлений и температур используемых газов и газовых смесей в действующих приборах и устройствах.