Положительный столб.

Если в электрической цепи, изображенной на рис. 8.3 повышать ток, то в какой-то момент загорится разряд, причем между катодной обла­стью и анодом появится свечение с длиной волны, характерной для данно­го газа, и занимающее все сечение трубки. Это и есть положительный столб, причем на нем будет падение напряжения, U_пс =  - IR - U_к - U_а. Это единственная область разряда, которая может быть произвольной длины. Положительный столб представляет собой плазму с концентрацией частиц, убывающих от оси к стенкам, в нем идет интенсивный процесс ионизации и потери частиц на стенки, при этом положительный столб практически не дает ионов в катодную область. Уходящие на стенку элек­троны заряжают их отрицательно относительно оси, и ионы ускоряются на стенку, т. е. происходит амбиполярная диффузия. В итоге электроны и ионы на стенках рекомбинируют. Наличие радиального градиента приво­дит к тому, что эквипотенциали имеют выпуклую форму. Особенно отчет­ливо это видно при возникновении в положительном столбе за счет коле­бательных процессов стоячих или бегущих страт. Процесс образования положительного столба довольно сложный, хотя его «назначение» — со­единить катодный и анодный слои. Столб электрически нейтрален, так что плотности электронов и ионов (однозарядных) равны, а токи, соответст­венно, сильно различаются. Температура основной массы электронов Т_е = 1  2 эВ, а ионов практически равна температуре стенок (ионы быстро обмениваются поступательной энергией с газом), так что положительный столб термодинамически сильно неравновесен. Он очень неравновесен и в ионизационном отношении — для него справедлива формула Эльверта. Сближая катод и анод, можно ликвидировать положительный столб, но разряд будет гореть. Более того, анодным слоем можно пройти темное фарадеево пространство, но как только он соприкоснется с тлеющим сло­ем — отрицательное тлеющее свечение разряда погаснет. Сравнительно недавно было доказано, что свечение столба поддерживают относительно быстрые электроны (20  30 эВ), ускоренные в катодной области и посту­пающие из катодного столба в количестве, как раз достаточном для ком­пенсации потерь электронов в нем и обеспечения возбуждения газа. В рекламных трубках положительный столб следует за всеми их изгибами, что объясняется образованием поверхностных зарядов на внутренних стенках трубок и появлением соответствующих поперечных электриче­ских полей. Если увеличивать давление, то происходит сжатие положи­тельного шнура, температура и проводимость возрастают, ток растет, вы­зывая дополнительный разогрев. В результате роста температуры может начаться термическая ионизация и тлеющий разряд может перейти в дуго­вой. Так как это очень важная неустойчивость, рассмотрим ее механизм, правда, несколько упрощенно.

Неустойчивости положительного столба

Часто положительный столб «стратифицирован» — состоит из светлых и темных полос, обычно бегущих с такой скоростью, что визу­ально столб воспринимается сплошным. Это одна из неустойчивостей по­ложительного столба, но не самая неприятная. Наиболее важная — так на­зываемая «контракция» или «шнурование». При некотором предельном значении тока (предел зависит от многих конкретных условий) разряд в трубке собирается в тонкий ярко светящейся шнур, очень похожий на шнур дугового разряда (в англоязычной литературе называют arcing, «дугование»), но это еще не дуга, хотя температура ионов Т_i поднимается до десятых долей электрон-вольт, так что отрыв Т_e от Т_i существенно умень­шается. Предположим, что флуктуативно произошло местное повыше­ние плотности электронов n_e , как следствие вырастает плотность тока j  (j =n_eev), проводимость   ( = п_eе² /) и энерговыде­ление w  (w = j² /). В результате возрастет температура газа T_g , уменьшится его плотность n_g  (так как давление p_g = n_g T_g выравнивает­ся быстро и его можно считать постоянным), возрастает отношение e / n_g, вырастает частота ионизации Y_i , возрастает n_e  — цепочка замкнулась:

n_e   j   w   T_g   n_g   e / n_g  Y_i   n_e   ... (8.25)

идет рост j и T_g, образуется шнур. Неустойчивость называют «ионизационно-перегревной» (цепочка может начаться и со случайного локального

возрастания температуры газа T_g ).