4. Почему степень ионизации в стабионизированной газоразрядной плазме сильно неравновестна.

В диффузном положительном столбе тлеющего разряда (диффузным называется столб не контрагированный, заполняющий все сечения трубки) плотности электронов имеют порядки n_e~10⁸-10¹¹, max 10¹² см^-3. При p~1-10 торр, N~3·10¹⁶- 3·10¹⁷ см^-3 степени ионизации газа составляют 10^-8-10^-7. Между тем, фактическим электронным температурам T_e ≈1-3 эВ отвечают термодинамически равновесные степени ионизации 10^-2-1. Причина такого несоответствия состоит в том, что резко нарушено первейшее требование, которое обуславливает достижение термодинамического равновесия: в главных реакциях прямые и обратные процессы должны быть уравновешены.

В тлеющем разряде атомы ионизируются преимущественно электронным ударам, часто – из основного состояния. Гибнут же заряды в холодном разряженном газе на стенках или путем диссоциативной рекомбинации. Поле и электронная температура, подстраиваясь к потерям, обеспечивают такую же скорость ионизации. Но рекомбинация в тройных столкновениях с захватом электрона в основное состояние атома, которая обратная процессу ионизации, дает в этом случае частоту гибели 10^-10 с^-1. Это на 13 порядков меньше. Быстро происходящей гибели (диффузной, диссоциативной) не противопоставлены соответствующие обратные процессы ионизации. Так ассоциативная ионизация не идет, если газ холодный и не возбужден. Потому плотность электронов и не вырастает.

Другое дело – плотная. Сильноионизованная равновесная плазма. Там диффузия и диссоциативная рекомбинация не существенны, потому что газ плотный, горячий, мало молекулярных ионов. Плотность зарядов велика, и преобладает ударно – радиационная рекомбинация с захватом электронов на верхние уровни. Ионизируются атомы в результате обратного ей процесса – ступенчатой ионизации из возбужденных состояний. Так достигается термодинамически равновесная ионизация.

5. Стабилизация.

В столбе дуги выделяется значительная мощность, например, в воздухе при p= 1атм и токе i=10А поле E=20В/см. Значит, в 1см длины выделяется W=Ei=200 Вт/см. Чтобы процесс был стационарным, эта энергия должна отводиться от разряда. Непосредственно из токового канала джоулево тепло выносится теплопроводностью (при сверхвысоких давлениях - излучением). Дальнейшая судьба теплового потока зависит от организации разряда. Если как это часто бывает при исследованиях, дуга заключена в трубку, заполненную газом, тепло поступает в стенки, которые необходимо охлаждать, дабы предотвратить от разрушения. Во многих экспериментах и приложениях столб дуги обдувают потоком холодного газа (бывает и жидкости), который уносит энергию. Особенно эффективно действует закрученный поток; он надежно отжимает столб нагретого газа от стенок. Когда дуга горит в свободной атмосфере, тепло рассасывается в пространстве благодаря возникающим конвективным течениям. В короткой дуге энергия поступает в основном в электроды, которые в случае необходимости охлаждают. О перечисленных вариантах осуществления стационарного состояния говорят: дуга стабилизирована стенками, потоком, электродами.