Газовая плазма. Ионизированная газовая среда. Продольная напряженность электрического поля

Газовой плазмой называется сильно ионизированная газовая среда, характеризующаяся почти полным равенством концентраций положительно и отрицательно заряженных частиц. Обычно в плазме беспорядочное движение частиц преобладает над их направленным движением под действием электрического поля или в результате диффузии.

В состоянии плазмы газ находится в столбе и фарадеевой темной области тлеющего и дугового разрядов, высокочастотном разряде, канале иск-рового разряда, в стволе молнии.

Плазма характеризуется следующими параметрами: - концентрации электронов и ионов; - температуры электронного, ионного и нейтрального газов (атомов или молекул); - плотности беспорядочных электронного и ионного токов; - плотности направленных электронного и ионного токов; - продольная напряженность электрического поля.

Для средних давлений газа связь между этими параметрами устанавливается с помощью диффузионной теории.

Температура электронного газа Те может быть найдена из выражения

где - потенциал ионизации газа; - давление газа, Па, приведенное к 273 К;

R - радиус разрядной трубки; -константа для данного газа; - средняя длина свободного пробега электронов при 1 Па; - подвижность ионов.

Значения коэффициентов а и s для некоторых газов приведены в табл. 3-19.

Таблица 3-19

Значения коэффициентов а и s для некоторых газов
Коэффициенты	Ne	Ar	Hg

Приведенное выше выражение показывает, что Те зависит от рода газа (коэффициент s) и, произведения давления на радиус разрядной трубки.

На рис. 3-28 приведен универсальный график зависимости температуры электронного газа от произведения .

Рис. 3-28

Универсальная зависимость температуры электронного газа Те от произведения давления газа ро на радиус разрядной трубки R (s - постоянная для данного газа).

Диаграмма относительного распределения потерь мощности в ртутном разряде в зависимости от давления пара р.

Продольная напряженность электрического поля в плазме может быть вычислена по формуле

где R - радиус разрядной трубки; Da - коэффициент двухполярной диффузии; Ui - потенциал ионизации; ke - подвижность электронов; hi - доля мощности разряда, расходуемая на ионизацию.

На рис. 3-29 приведена полученная Б. Н. Клярфельдом для ртутного разряда диаграмма распределения полной мощности , получаемой электронами от поля и теряемой в единице объема, на мощность , затрачиваемую на упругие столкновения, -на возбуждение резонансных и -нерезонансных уровней и - на ионизацию в зависимости от давления ртутного пара.

Рис. 3-29

На рис. 3-30, а приведены экспериментальные кривые зависимости продольной напряженности поля от давления газа для инертных газов при диаметре разрядной трубки R = 2 см, а на рис. 3-30,б - зависимости от давления паров ртути.

Распределение концентрации зарядов по сечению разрядной трубки характеризуется формулой

где - концентрация зарядов на расстоянии r от оси трубки; - концентрация зарядов

на оси; - число ионизации, производимых одним электроном в 1 с; -коэффициент двухполярной диффузии; - функция Бесселя нулевого порядка, причем

R - радиус разрядной трубки.

Средняя концентрация зарядов

Плотности беспорядочного электронного и ионного токов определяются из соотношений

где -средние концентрации электронов и ионов; - температуры электронного и ионного газов; - массы электрона и иона.

Соответственно

Плотность направленного электронного тока определяется как

Стенки разрядной трубки приобретают отрицательный потенциал по отношению к плазме из-за большей скорости электронов. Этот потенциал устанавливается таким, что плотности ионного и электронного токов на стенку выравниваются.

Перепад потенциала в ионной оболочке, создающейся у стенки, вычисляется по формуле

где - плотности беспорядочного электронного и ионного токов.

Толщина ионной оболочки у стенки определяется по закону "степени 3/2" для ионного тока:

Экспериментальное исследование параметров плазмы при средних давлениях, результаты которого были приведены выше, проводится по методу зондов Ленгмюра.

Для плазмы низкого давления диффузионная теория неприменима, и некоторые основные соотношения могут быть получены по теории Тонкса и Ленгмюра.

Теория плазмы высокого и сверхвысокого давления основана на том факте, что с ростом давления газа средняя кинетическая энергия заряженных частиц приближается к средней кинетической энергии частиц нейтрального газа, т. е. плазма становится по своим свойствам близкой к изотермической плазме .

Основными процессами в плазме высокого давления являются термическая ионизация и рекомбинация зарядов в объеме.

Степень ионизации газа характеризуется уравнением Сага:

где - степень ионизации ; р - давление газа, Па; ; Т - температура газа, К; - потенциал ионизации газа, В.

На рис. 3-31, а и б приведены графики зависимости .

Рис. 3-31
Зависимость степени термической ионизации от температуры Т.
а - для ртути при разных давлениях;
б - для паров Ag, Cu, Fe, Hg и газов Н2 и N2 при р=100 000 Па.

Внешний вид плазмы высокого давления (например, столба тлеющего или дугового разряда) отличается тем, что она не заполняет всего сечения разрядной трубки, а представляет собой узкий ярко светящийся шнур по оси трубки. Процесс отшнуровывания тем сильнее, чем выше давление и больше плотность тока. Так как в отшнурованном положительном столбе стенки разрядной трубки практически не играют роли, то дуга при атмосферном давлении может гореть на воздухе ("дуга Петрова"). Температура шнура в парах ртути оказывается равной 5000-6000 К при давлении 100 000 Па и достигает 8000-10 000 К при давлениях около 25 000 000 Па.

Зависимость продольной напряженности поля в плазме разряда от давления газа.