1. Сильноточная стадия импульсного разряда.

В начальной стадии развития разряда до образования стримера распределение всех физических характеристик однородно, а пространственное перемещение ионов и атомов несущественно вследствие их малой подвижности (перемещаются главным образом электроны и фотоны). Процесс развития тока на этой стадии обычно не зависит от параметров питающего разрядного контура за исключением величины питающего напряжения. В ходе дальнейшего развития разряда процессы значительно усложняются и характеризуются быстро меняющимися во времени взаимосвязанными параметрами, такими как радиальное распределение температуры, плотности газа, степени его ионизации и плотности тока, расход энергии в окружающее пространство за счет излучения и теплопроводности, силы тока и продольного распределения напряженности электрического поля. Нарастание плотности тока в начале пробоя осуществляется за счет ряда вступающих в действие все более быстрых ступенчатых процессов: ударной ионизации электронами (- ионизация), вторичная эмиссия электронов с катода, усиление ионизации вследствие формирования объемного заряда, фотоионизация атомов в объеме газа и вблизи головки стримера и др.

В образующемся после прохождения фронта стримера шнуре ионизованного газа (канале плазмы) устанавливается продольная напряженность электрического поля. Если источник питания разряда обладает достаточной мощностью, то в канале под действием продольного градиента потенциала осуществляется интенсивная ионизация, присущая высокой плотности тока. Быстрый рост ионизации атомов обеспечивается высокой степенью возбуждения и, как следствие, участием ступенчатых процессов. Такой процесс способен за наносекунды (10^-9 с) привести к первичному нарастанию тока на несколько порядков по величине. В трубчатых ИЛ под действием вспомогательного высоковольтного импульса возникает узкий канал разряда, который примерно за 10^-5 с расширяясь заполняет все внутреннее сечение трубки. При достаточно большой емкости питающего конденсатора время расширения канала мало по сравнению с остальной длительностью разряда, в течении которого характеристики канала меняются весьма медленно и разряд можно рассматривать как квазистационарный. Благодаря применению зажигания вспомогательным высоковольтным импульсом, особенно эффективном в инертных газах, в трубчатых ИЛ длина разряда существенно увеличена, что позволяет увеличивать энерговклад и интегрированный по времени световой поток излучения.

Рассмотрим подробнее картину расширения канала разряда, а точнее начало расширения. Наиболее нагретая область газа, возникающая обычно вдоль стенки трубки (в месте расположения внешнего поджигающего электрода), быстро расширяется до тех пор, пока не заполнит все сечение трубки. Быстрый нагрев газа приводит к образованию фронта повышенного давления (фронт ударной волны), распространяющегося в радиальном направлении и проявляющегося звуковым эффектом (аналог грома, сопровождающего молнию). Граница канала ионизованного газа (проводящего столба) в начале развития разряда почти совпадает с фронтом ударной волны, а затем “отшнуровывается от него расширяясь с меньшей скоростью. Между границей ионизованного столба и фронтом ударной волны по мере снижения давления появляется зона обратного скачка плотности, которая расширяется с промежуточной скоростью. Внутри проводящего столба плотность газа резко уменьшается, вследствие чего на оси разряда образуется область с пониженной проводимостью. Расширение зон протекает с постепенно убывающими скоростями, начальные значения которых слабо увеличиваются с уменьшением начальной плотности газа, увеличением мгновенной мощности и полной энергии, рассеиваемой в канале разряда. Проводящий столб вначале расширяется со скоростью, зависящей только от введенной в него электрической энергии:

, (1)

где: W(t) - введенная в разряд электрическая энергия;

i - сила тока в разряде;

U_л - напряжение на лампе.

На начальном этапе скорость расширения канала разряда не зависит от внутреннего диаметра трубки d_i, а после достижения продолжает расширяться значительно медленнее.

d_крит = 0,7 · d_i^1,15, (2)

Изменение диаметра столба d_c во времени описывается в эти два периода соответственно:

d_c(t) = 1,5 (W(t)/l_л)^0,6, (3)

d_c(t) = 0,77 (W(t)/l_л)^0,077, (4)

где l_л – длина разряда.

Критическая объемная плотность выделенной в канале разряда энергия W_кр, при которой расширение канала начинает сдерживаться влиянием диэлектрических стенок, равна:

4W_кр/ πd_i²l_л = 0,36d_i^-0,09, (5)

Для низких концентраций энергии и малых длительностей, при которых d_c до конца разряда остаётся значительно меньше, чем d_i , весь цикл разряда происходит при малой плотности частиц (т.к. при расширении столба значительная часть газа “прижимается” к стенкам трубки, а плотность тяжелых частиц (атомов и ионов) в столбе существенно снижается по сравнению с первоначальной), что в известной мере определяет низкий излучательный уровень (КПД) таких разрядов. Скорость расширения столба:

dr_c/dt = 390 · (αl/δL)^0,25V₀^0,32/l^0,5, (6)

где: r_c - радиус столба,

L - индуктивность разрядного контура,

 - коэффициент объемной ионизации газа электронами,

 - коэффициент поверхностной ионизации.

Однако, при концентрациях энергии, значительно превышающих критическую, определенную из (5), а также при больших длительностях (около 10^-3 с) значительная доля газа уходит в холодные заэлектродные области и плотность частиц к концу импульса всегда остается меньшей (для ИЛ с l>10 см обычно в два - три раза ) начальной концентрации n₀. Скорость ухода газа в холодные заэлектродные области составляет около 5 · 10⁴ см/с, что соответствует скорости звука. Отсюда можно оценить время установления газодинамического равновесия _у, которое должно существенно зависеть от длины разрядного промежутка:

_у = l · (1-n(∞)/n₀)/2v_y, (7)

где: n() - плотность тяжелых частиц при t ,

v_у - скорость ухода частиц в заэлектродные области.

На протяжении всего периода спада тока концентрация тяжелых частиц практически не изменяется (изменяется число ионов и нейтральных атомов с сохранением их суммы постоянной), что указывает на отсутствие заметных перемещений газа в трубке. После окончания разряда первоначальная плотность восстанавливается за время 100 мс.

Максимальная во времени и в пространстве яркость разряда L_v при больших напряженностях электрического поля (порядка сотен В/см) и давлениях (порядка сотен мм.рт.ст. и более) увеличивается при повышении концентрации ионизованных частиц (повышением напряжения питания или уменьшением индуктивности) лишь до определенного предела. Такое же явление насыщения яркости наблюдается при повышении давления наполняющего лампу газа. Полученное путем изменения какого-либо параметра значения яркости насыщения L_vнас может дополнительно возрастать при изменении других параметров в направлении концентрации мощности в столбе разряда, а затем перестает зависеть от них. Достигнутая при этом максимальная яркость L_vнас = L_vабс характерна для данного газа как предельная тем выше, чем меньше атомная масса газа, но для более тяжелых газов достижение L_vнас= L_vабс наступает при параметрах разрядного контура, соответствующих меньшей концентрации мощности. Насыщение спектральной яркости L_v() раньше наступает в длинноволновой области спектра.