Електричного розряду в газі фізика

ЕЛЕКТРИ́ЧНОГО РОЗ­РЯ́ДУ В ГА́ЗІ ФІ́ЗИКА — роз­діл фізики, що ви­вчає проходже­н­ня електричного струму через газове середовище під впливом електричного поля. Засади Е. р. в г. ф. закладено у 19 ст. На основі результатів екс­перим. дослідж. електрич. роз­рядів у газах (ЕРГ) створ. атомну фізику. У звичай. умовах газ є ізолятором, що до­зволяє пере­давати електричну енергію на великі від­стані повітр. лініями електропередач. Проте навіть в атмо­сфері на рівні моря під впливом косміч. променів чи природ. радіо­активності щосекунди іонізується (та рекомбінує) 1–10 частинок в 1 см³, що зумовлює концентрацію зарядів у повітрі бл. 10³ см³. Їх можна виявити у т. зв. газорозряд. трубках (за­звичай скляні діаметром ~1 см), у які вварено метал. електроди (катод та анод) на від­стані d ~ 1–10 см між собою, а обʼєм наповнено газом при за­даному тиску. За напруги на електродах U кілька десятків вольт струм є виключно слабким I ~ 10^–15 А/см². Це т. зв. тихий роз­ряд у несамо­стійному режимі, де струм ви­значає зовн. іонізатор, що дає змогу використовувати його для вимірюва­н­ня потоків іонізуючого агента (напр., рівня радіо­активності) або ж фіксувати появу в між­електрод. проміжку зарядж. частинок, напр., під впливом лазер. ви­промінюва­н­ня з частотою, характер. для конкрет. атомів, та ідентифікувати навіть одиничні з них. При під­вищен­ні U струм I тихого роз­ряду спершу теж зро­стає, бо щоразу більшість зарядж. частинок вдається витягнути на електроди до того, як вони встигнуть рекомбінувати. Лише ця вузька область параметрів від­повід­ає ліній. залежності струму від напруги (закону Ома), властивій металам. При подальшому збільшен­ні U струм спершу насичується, повільно збираючи на електродах усі зарядж. частинки, які виникають (це від­повід­ає повному збиран­ню на електродах усіх зарядж. частинок, викликаних дією іонізатора), а потім знову зро­стає — це стадія електрич. пробою газу. Пробій спричиняють електрони в умовах несамо­стійного роз­ряду, але при до­стат. величині електрич. поля E електрони роз­множуються лавиноподібно і роз­ряд стає само­стійним, не маючи більше потреби під­тримки іонізатором. Протікає лавин­на стадія дуже швидко: за 10^–7–10^–3 сек. газ іонізується й електрич. струм зро­стає на порядки. Власне, цей процес дав назву явищу ЕРГ, яке повʼяз. з роз­рядом конденсатора через газ між електродами. При високій напрузі унаслідок пробою він стає провід­ником і конденсатор роз­ряджається. Згодом роз­рядом почали називати будь-який процес протіка­н­ня електрич. струму через іоніз. газ, а оскільки він за­звичай су­проводжується ви­промінюва­н­ням, стали говорити: «роз­ряд запалюється, горить, гасне». При d = 1 см і тиску р ~ 10^–3 атм напруга пробою (або запалюва­н­ня) становить ≥ 100 В залежно від сорту газу, а для повітря при р = 1 атм — понад 30 кВ. У однорід. полі вона залежить від газу й від добутку величин рd та описується т. зв. законом Пашена (1889). Його характерна особливість — мін. значе­н­ня напруги запалюва­н­ня при певному значен­ні (рd)_min, (для більшості газів становить ≥ 0,5 Тор∙см), що від­повід­ає оптим. умовам іонізації газу як ком­промісу щодо довжини вільного пробігу електронів, яка повин­на бути не надто малою, щоб електрони встигали на­брати до­статню енергію в електрич. полі, та не надто великою, щоб вони не «проковзували» роз­ряд. проміжок без зі­ткнень. Попри те, що після пробою газ. проміжок стає провід­ником, фіз. процеси, які су­проводжують протіка­н­ня струму, тут набагато складніші, ніж у метал. провід­никах. У металах електрони, рухаючись під впливом поля E, за­знають зі­ткнень з іонами кри­стал. ґратки та збуджують її колива­н­ня, які пере­творюються на тепло — це й ви­значає електрич. опір провід­ника. У роз­ряді ж утворюється плазма — іоніз. газ, в якому ступ. іонізації є до­стат., щоб електричні сили притяга­н­ня, що діють між зарядами, пере­шкоджали їх поміт. роз­ділен­ню, тобто плазма є електрично нейтрал. у кожному малому обʼємі (див. Низькотемпературної плазми фізика). Іони в плазмі є рухомими, тому вони можуть накопичуватися у певних зонах роз­ряду та створювати позитив. простор. заряд так, що напруженість E уздовж роз­ряду пере­стає бути по­стій., як у металах, і може навіть змінювати знак. Оскільки маса іона M є набагато більшою, ніж електрона m (навіть для найлегшого іона водню M/m = 1836,5), то електрони після кожного зі­ткне­н­ня значно легше набирають швидкість. Крім того, здатність частинок обмінюватися енергією в пруж. зі­ткне­н­нях з атомами ви­значається т. зв. коефіцієнтом акомодації, який складає для електронів α = 2m/M, а для іонів ~ 1. Отже, електрони ще й від­носно слабо втрачають набуту за рахунок поля E тепл. енергію. Тому при малих тисках іони та атоми мають близьку до кімнат. температуру, а електрони — понад 10⁴ К і, як правило, ви­значають електро- та тепло­провід­ність плазми. Оскільки загалом збільшен­ню струму в роз­ряді від­повід­ає зро­ста­н­ня концентрації зарядів (тобто електрич. опір стає меншим), то залежність I = f(U) є нелінійною, а в певних режимах роз­рядів демонструє спад. характер. Непружні зі­ткне­н­ня у плазмі електронів з атомами зумовлюють їх збудже­н­ня та іонізацію, активацію ви­промінюва­н­ня, яке натомість може по­глинатися в ін. областях плазми, що може істотно впливати на енергетику процесів в ЕРГ. Згідно з квант. теорією, атом може пере­бувати в одному з дис­крет. енергет. станів, у результаті непруж. зі­ткнень з електронами за умови їх до­стат. швидкості він може бути збудж. до одного з дис­крет. енергет. станів (чи може змінити цей стан) або ж іонізованим. Цей процес є статич. і за певних умов рівноважним щодо роз­поділу концентрації атомів за станами збудже­н­ня подібно до того, як на макрорівні екс­поненційно роз­поділені молекули повітря уздовж висоти атмо­сфери. Проте встановлен­ню рівноваги найчастіше заважає ви­промінюва­н­ня: атом зі збудж. стану спонтан­но повертається в осн. стан за tв ~ 10^–8 сек., порушуючи тенденцію до рівноваги, яка можлива у щільній плазмі, де заселе­н­ня енергет. станів атомів унаслідок зі­ткнень пере­важає над ви­промінювальним і, крім того, мін. є дифузійні втрати зарядів на стінках, що порушують іонізац. рівновагу. Найважче досягти рівноваж. заселе­н­ня атомів у резонанс. стані, інтенсивність ви­промінюва­н­ня якого є найбільшою. Вважають, що рівноваж. стану від­повід­ає щільна плазма електрич. дуги при атмо­сфер. тиску. Окрему роль в ЕРГ ві­ді­грають т. зв. мета­стабіл. енергет. стани, для яких tв ~ 0,1 сек. Маючи значну енергію збудже­н­ня, що на­ближається до резонанс. стану, вони здатні, напр., іонізувати в суміші газів домішк. компоненту, потенціал іонізації якої є меншим, ніж енергія збудже­н­ня мета­стабіл. стану. Це до­зволяє зменшити напругу запалюва­н­ня роз­ряду в осн. газі (ефект Ф. Пенінґа, 1928).

Однією з ключових для під­трима­н­ня ЕРГ є про­блема замика­н­ня струму на електроди, особливо на катод, бо малорухомі іони не спроможні забезпечити паритет роз­ряд. струму з плазми на цей електрод. Разом із про­блемою іонізації газу в роз­ряд. проміжку вони ви­значають осн. типи ЕРГ, які демонструють роз­маї­т­тя конкрет. форм та супут. ефектів залежно від тиску, напруги, геометрії роз­ряд. проміжку та ін. умов. За малих р ~ 10^–3–10^–2 атм і великого зовн. опору електрич. кола, який обмежує наро­ста­н­ня струму, в результаті пробою запалюється т. зв. жевріючий роз­ряд (ЖР) — один із найпоширеніших типів ЕРГ, для якого характерні невелика густина струму (10^–6–10^–1 А/см²) і досить висока напруга (на рівні пробійної — 10²–10³ В). При не надто малих d ~ 10 см у трубці утворюється світний стовп, колір якого залежить від роду газу (в неоні — червоний, у азоті — синій, що активно використовують у реклам. технологіях). Унаслідок накопиче­н­ня позитив. простор. заряду у більшій частині роз­ряд. проміжку в його прикатод. області локалізується осн. частина U та формується сильне поле E, де іони рухаються до катода та вибивають з його поверх­ні електрони. Цьому процесу т. зв. вторин. електрон. емісії сприяють також фотони і мета­стабіл. атоми з плазми. Вторин­ні електрони, при­скорюючись у цьому ж полі, іонізують атоми газу і знову утворюють іони та електрони, які продовжують процес, — отже, він є само­стійним. Здебільшого у такому роз­ряді світиться лише частина поверх­ні катода, при збільшен­ні струму I ця частина роз­ширюється, густина струму та U при цьому не змінюються. Такий роз­ряд є норм. ЖР, який забезпечує ефект стабілізації напруги в електрон. техніці. Коли вся поверх­ня катода починає брати участь у роз­ряді, то збільше­н­ня I су­проводжується під­вище­н­ням U (аномал. ЖР), — таку форму роз­ряду за­стосовують у технологіях модифікації поверх­ні кон­струкц. матеріалів, напр., їх азотува­н­ня (якщо виріб має складну форму, то при викори­стан­ні його у ролі катода вдається максимально рівномірно локалізувати аномал. ЖР в азоті на поверх­ні виробу). Осн. ж область ЖР — це т. зв. позитив. стовп, у якому утворюється неізотермічна та нерівноважна (ступ. іонізації ~10^–8–10^–6) плазма, де поле E слабке, хаотич. рух частинок пере­важає над направленим. За умови балансу зарядж. частинок у роз­ряді (іонізація — електрон. ударом атома, рекомбінація — у дифузій. процесі на стінках) легко ви­значити температуру електронів. Проте концентрація зарядж. частинок випадає з балансу, тому її важко роз­рахувати. При зро­стан­ні тиску позитив. стовп стягується у вузький шнур (т. зв. контракція) унаслідок зро­ста­н­ня ролі обʼєм. рекомбінації. Струм на анод замикається хаотич. потоком електронів із плазми, і якщо він пере­вищує або, навпаки, є недо­стат. для замика­н­ня роз­ряд. струму, то перед ним формується поле E від­повід. знаку, яке частково гальмує або ж сприяє додатк. генерації потоку електронів на анод (т. зв. анодне паді­н­ня потенціалу). Цей тип роз­ряду від­крив 1831–35 англ. фізик М. Фарадей, працюючи з трубками, що від­качувалися до р ~ 10^–3–10^–2 атм при напрузі не більше 10³ В, і установив його шарувату структуру: між катодом та позитив. стовпом є світлі й темні зони, що чергуються, цей склад. роз­поділ світі­н­ня зумовл. неоднак. характером руху електронів у різних областях роз­ряду — проте цей висновок став можливим після встановле­н­ня природи пере­несе­н­ня електрики в газах, досліджув. на основі явища т. зв. катод. променів (КП) у ЖР при р ~ 10^–5 атм. Нім. фізик Й.-В. Гіт­торф 1869 встановив, що КП від­хиляються магніт. полем, а англ. фізик і хімік В. Крукс 1874 перед­бачив, що КП є елементар. частинками атомів. Знач. внесок у ви­вче­н­ня ЖР та роз­виток екс­перим. техніки для досліджень ЕРГ зробив 1880–82 І. Пулюй, котрий здійснив ретельні дослідж. КП, критично аналізував роботи попередників та довів — усупереч пошир. тоді дуаліст. теорії електрич. струму, — що всі ефекти в ЖР можуть бути пояснені на основі існува­н­ня «єдиної рухомої рідини» (електрони на той час ще не були від­криті); також стверджував, що електричні явища є фактором взаємодії небес. тіл у косміч. мас­штабах подібно до гравітації, ви­промінюва­н­ня світла і тепла. Великий досвід екс­перим. дослідж. ЕРГ і вакуум. електроніки дав змогу І. Пулюю вже за 2 міс. після доповіді В. Рентґена 1895 про від­кри­т­тя Х-променів опублікувати найвищої якості рентґенів. знімки, зокрема мед., а також показати іонізуючі властивості цих променів. У 1-й пол. 20 ст. британ. фізик Дж. Таунсенд, нім. А. Енґель та М. Штеєнбек роз­винули класичну теорію ЖР, яка доволі про­зоро описала процеси, що його су­проводжують, та практично спів­пала з екс­перим. результатами. Проте при малих тисках важко врахувати вплив поля E на ефективність іонізації електронами нейтрал. частинок, оскільки їх одно­значна від­повід­ність є можливою, якщо величина E залишається практично не­змін­ною на від­стані багатьох вільних пробігів електрона, тому в цьому випадку катодне паді­н­ня та U є фактично меншими, ніж роз­рахункові. Ці т. зв. нелокал. ефекти нині є предметом актив. дослідж. вчених світу на основі методів чисел. моделюва­н­ня. В Україні властивості ЖР у звʼязку з його технол. за­стосува­н­нями ви­вчають в Ін­ституті газу НАНУ (В. Жовтянський, Ю. Лелюх, В. Назаренко, В. Хомич), Нац. тех. університеті України «Київ. політех. ін­ститут» (С. Денбновецький, А. Кузьмичов, І. Мельник) та Хмельн. університеті (В. Каплун, І. Пастух).

Якщо тиск газу високий (р ~ 1 атм), а опір зовн. кола малий на­стільки, що може пропустити сильний струм, то після пробою запалюється дуговий роз­ряд (ДР), який є основою багатьох енерготехнол. за­стосувань плазми (див. Плазмові технології). ДР від­крив 1802 рос. фізик В. Петров при зведен­ні й на­ступ. роз­веден­ні вугіл. електродів, при­єдн. до електрич. батареї. Пізніше дугу в повітрі незалежно досліджував англ. хімік Г. Деві (1810). ДР має характерну дугоподібну форму, якої набуває при горизонт. роз­міщен­ні електродів в атмо­сфері, що від­повід­ає умовам оптим. від­веде­н­ня тепла від роз­ряд. ка­налу під впливом конвектив. потоку, зумовл. сплива­н­ням на­грітого в роз­ряді повітря: нижня частина роз­ряду, яка омивається холод. повітрям, зменшує свою поверх­ню, через яку здійснюється тепловід­дача, а верх­ня, контактуючи з на­грітим повітрям, збільшує, набуваючи форми дуги. Сліпучий канал між електродом і металом під час електродуг. зварюва­н­ня — приклад ДР в атмо­сфері. У ДР катодне паді­н­ня потенціалу є невеликим, бл. до потенціалу іонізації атомів (~ 10 В), а струми — значні (~ 1–10⁵ А). На катоді в умовах сильного локал. на­гріва­н­ня зʼявляються т. зв. катодні плями, де густина струму складає 10⁵–10⁷ А/см², і електрони ніби випаровуються з його поверх­ні, — від­бувається їх емісія з еродов. матеріалу катода. Отже, струм з катода замикається без­посередньо електронами. Властивість ерозії електродів дає змогу генерувати плазмотвірне середовище у т. зв. вакуум. дугах, які широко за­стосовують для нанесе­н­ня покрит­тів у технологіях модифікації поверх­ні. Фіз. дослідж. цих дуг та тех. роз­робки на їх основі провадять у ННЦ «Харків. фіз.-тех. ін­ститут» (І. Аксьонов, В. Білоус, В. Падалка, С. Саблєв, В. Толок, В. Хороших та ін.) й Ін­ституті ядер. досліджень (В. Саєнко) НАНУ. Позитив. стовп (або канал) ДР — щільна, на­ближ. до рівноваж. та ізотерміч. стану плазма з т-рою ~10⁴ К, якій від­повід­ає ступ. іонізації ~10^–3–10^–2. У практич. за­стосува­н­нях ДР можуть споживати потужність ~1 МВт, отож актуал. є про­блема під­вище­н­ня енергоефективності, один зі шляхів виріше­н­ня якої — викори­ста­н­ня нерівноваж. ефектів плазми ДР, зумовл. пере­несе­н­ням ви­промінюва­н­ня з осьової, найбільш гарячої області ка­налу дуги, на її периферію, що спричиняє пере­населе­н­ня резонанс. стану плазмотвір. атомів. Це можна трактувати як зменше­н­ня ефектив. потенціалу іонізації атомів, що від­повід­ає зменшен­ню електрич. опору ка­налу ДР — він ніби «просвітлюється» для пропуска­н­ня струму. Процеси, властиві рівноваж. плазмі ДР, успішно моделюють в Ін­ституті електрозварюва­н­ня (В. Гвоздецький, І. Кривцун) та Ін­ституті ядер. досліджень (П. Порицький) НАНУ, а нерівноважні властивості плазми ДР ви­вчають в Ін­ституті газу НАНУ (В. Жовтянський, Ю. Лелюх). Функціонува­н­ня ДР вимагає від­веде­н­ня знач. теплових потоків; послідовне виріше­н­ня цієї про­блеми привело до створе­н­ня плазмотронів — при­строїв, які формують плазм. струмінь у потоці газу, що обдуває дугу. Їх потужність може сягати 10 МВт, і нині вони є основою багатьох плазм. технологій. Більшість вітчизн. плазмотронів роз­роблено в Ін­ститутах газу (М. Грінченко, І. Карп, С. Петров) та електрозварюва­н­ня (Е. Есибян та ін.) НАНУ і Сх.-укр. університеті (В. Дзюба). До ДР належать також ЕРГ низького тиску з катодом, що роз­жарюється від сторон­нього джерела, який є зруч. обʼєктом для ви­вче­н­ня властивостей низькотемператур. плазми. Здатність електрода здійснювати емісію електронів характеризує робота виходу: якщо вона для катода є більшою, ніж анода, то можна спричинити від­ʼємну повну напругу на такому ДР, тобто він стане джерелом електрич. енергії, отримув. на основі тепл. енергії катода, — на цьому ґрунтується метод прямого термоемісій. пере­творе­н­ня тепл. енергії в електричну. Його активно роз­робляли у варіанті короткого діода з вольфрам. термокатодом у присутності парів цезію при дослідж. сукупності фіз. процесів, повʼяз. з явищами на катоді (емісійні, катодне роз­пороше­н­ня, поверх­нева іонізація атомів), під керівництвом засн. київ. наук. школи фіз. електроніки Н. Моргуліса в Ін­ституті фізики НАНУ (М. Гуртовий, В. Коваленко, А. Наумовець) та Київ. університеті (Д. Городецький, Ю. Корчевой, М. Находкін). Вагомі дослідж. ЕРГ низького тиску виконано у Ін­ституті вугіл. енерготехнологій НАНУ (Ю. Корчевой, В. Лукашенко, В. Макарчук). Знач. технол. проривом стало викори­ста­н­ня як джерела зарядж. частинок плазм. катодів на основі допоміж. роз­ряду зі щільною плазмою, яка може проникати через спец. діафрагму у вакуум чи між­електрод. проміжок осн. роз­ряду, за­пропонов., а потім екс­периментально і теоретично роз­винене в Ін­ституті фізики НАНУ (М. Габович, І. Солошенко, А. Щедрін) як екон. джерело інтенсив. протон. пучків та негатив. іонів водню. Значні пере­ваги мають порожнин­ні катоди, в яких емісія від­бувається з поверх­ні порожнини, що охоплює роз­ряд. обʼєм (напр., довгого отвору): за­звичай, струм роз­ряду з порожнин. катодом є значно більшим, ніж із плоским катодом. Ефект зумовл. більш ефектив. викори­ста­н­ням у за­мкненому просторі порожнин. катоду високо­енергет. електронів у випадку ЖР та іон. компоненти у випадку ДР. У тому ж Ін­ституті роз­роблено ефективні плазмооптичні системи для фокусува­н­ня інтенсив. іон­них пучків на основі роз­рядів у схрещених електрич. і магніт. полях (О. Гончаров) та систему для плазм. стерилізації біол. обʼєктів на основі ЖР з порожнин. катодом (І. Солошенко). Особл. формою ЕРГ є роз­ряд у рідині, де плазма утворюється в її паровій фазі, що за­стосовний у технологіях обробле­н­ня металів (у варіанті з іскровим роз­рядом, ІР) та під­вод. зварюва­н­ня, а остан. часом — також для зне­шкодже­н­ня рідин зі шкідл. домішками орган. походже­н­ня (в обох випадках — ДР). Знач. внесок у їх дослідж. зробили вчені Ін­ститутів електрозварюва­н­ня (К. Хрєнов), імпульс. процесів і технологій (Г. Гулий, О. Вовченко) та ядер. досліджень (Л. Пасічник, П. Старчик) НАНУ; у Київ. університеті (В. Черняк) проводять дослідж. маловивч. донині ЕРГ між твердим та рідин. електродами, орієнтовані на викори­ста­н­ня нерівноваж. ефектів у плазмі такого роз­ряду в технологіях конверсії палив, при цьому використовують несамо­стійний роз­ряд, який під­тримується додатк. плазм. потоком.

Крім стаціонар. ЕРГ, осн. характеристики яких не залежать від часу, є широкий клас нестаціонар. (імпульс.) роз­рядів як за природою свого походже­н­ня, так і створ. спеціально в дослідниц. чи технол. цілях. Напр., ЖР і ДР можуть формуватися в імпульс. режимі, що дає змогу досягнути екс­трем. параметрів роз­ряду навіть в умовах обмеж. енергет. чи технол. можливостей, а з ін. боку — роз­ділити у часі ефекти, які принципово не можуть бути роз­діл. у стаціонар. процесі (це є виключною пере­вагою у фіз. дослідж. ЕРГ). Вагомий досвід таких дослідж. отримали учені Київ. університету (В. Жовтянський, О. Новик, Ю. Чутов) та ННЦ «Харків. фіз.-тех. ін­ститут» НАНУ (Я. Волков, І. Гаркуша, О. Павличенко, В. Терешин, О. Царенко). Імпульсні роз­ряди мають виключні пере­ваги для формува­н­ня актив. середовища у лазерах, якому характерне значне пере­населе­н­ня верх. збудж. стану лазер. пере­ходу від­носно нижнього (т. зв. інверсна заселеність). В роз­рядах у парах металів цим умовам часто від­повід­ає пере­хід між резонанс. та мета­стабіл. станами, який на початк. стадіях імпульс. роз­ряду взагалі є незаселеним. Цикли дослідж. ЕРГ для лазерів виконали науковці Ужгород. університету (І. Запісочний, О. Малінін, І. Опачко, В. Шевера, Л. Шимон, О. Шуаїбов) та Ін­ституту електрон. фізики НАНУ (В. Кельман). Принципово нестаціонар. є іскровий (ІР) та корон­ний (КР) роз­ряди, повʼяз. з фазою пробою газу при p ≥ 1 атм і d ≥ 1 см. Характерні особливості ІР — від­сутність залежності напруги пробою від матеріалу катода та швидкий роз­виток пробою, час якого є на два порядки менший, ніж тривалість проходже­н­ня іонами роз­ряд. проміжку. Ці явища пояснює механізм формува­н­ня ІР на основі стримера — іоніз. тонкого ка­налу після проходже­н­ня первин. електрон. лавини, який потім проро­стає до одного чи обох електродів. Ви­значал. у формуван­ні стримера є роль фотоіонізації та вплив позитив. обʼєм. заряду, який втягує у цей же канал вторин­ні лавини, що формуються внаслідок фотоіонізації — так росте стример; після досягне­н­ня електродів він від­криває можливість різкого під­силе­н­ня іонізації та струму — тобто власне ІР. Оскільки фотони вилітають і по­глинаються хаотично, то можливі ситуації, коли виникає новий пере­важ. напрямок, що пояснює зигзагоподібну структуру ІР. Цей механізм дає змогу доволі точно ви­значити напругу пробою для атмо­сфер. повітря. Різновидом ІР є блискавка, макс. сила струму якої може сягати сотень тисяч ампер. Проходже­н­ня осн. струму через ка­нали су­проводжується знач. іонізацією, виділе­н­ням тепла, зро­ста­н­ням тиску в ка­налі та формува­н­ням удар. хвиль, що пояснює тріск ІР або ж утворе­н­ня грому від блискавки. Вважають, що стадія існува­н­ня ІР ви­значається швидким (у межах 10^–3 сек.) паді­н­ням напруги на роз­ряд. проміжку нижче величини погаса­н­ня роз­ряду, в ін. випадку він пере­ходить у ДР. Процеси формува­н­ня стримерів досліджують у ННЦ «Харків. фіз.-тех. ін­ститут» НАНУ (В. Карась). КР виникає при знач. неоднорідності поля E біля одного з електродів, напр., вістря, внаслідок його великої кривини, тому запалюва­н­ня роз­ряду можливе лише на обмеж. від­стані від провід­ника до поля області, де E вже недо­статнє для його під­тримки. КР є багаторазово по­вторюв. процесом запалюва­н­ня як незаверш. пере­хід. етап до ІР. При під­вищен­ні напруги U КР пере­ходить у китичний — велику кількість світних ка­налів, які не досягають другого електрода (цей вид КР ві­домий також як вогні Ельма; назва походить від церкви св. Ельма, на вежах якої вони часто виникали; спо­стерігаються також на мачтах, одиноких деревах, гострих вершинах скель). Подальше під­вище­н­ня U призводить до виникне­н­ня ІР. Цикл дослідж. КР виконано в Нац. університеті «Львівська політехніка» (В. Чигінь). Принципово нестаціонар. є також барʼєр. роз­ряд, що виникає у газ. проміжку в умовах, коли принаймні один із електродів є ді­електриком, при накла­дан­ні на нього змін. напруги не надто високої частоти, до­стат. для пробою цього проміжку. В остан­ні роки цей процес за­стосовують для очище­н­ня газів пром. походже­н­ня від оксидів азоту та модифікації поверх­ні полімер. матеріалів. У барʼєр. роз­ряді внаслідок кожного пробою роз­ряд. проміжку на електродах осідають заряди з плазми, які компенсують зовн. напругу, а роль фото­електрон. та вторин. іонно-електрон. емісії є ви­значал. щодо властивостей нестаціонар. роз­ряду. Ґрунт. дослідж. цих роз­рядів при p = 10^–2–10^–1 атм виконані у Київ. (Ю. Чутов) та Ужгород. (О. Шуаїбов) університетах, а при p = 1 атм — в Ін­ституті фізики НАНУ (І. Солошенко, А. Щедрін).

В ЕРГ високої частоти ≥ 10⁵ Гц (ВЧ) ви­значал. роль катод. процесів втрачається — вони можуть існувати і без електродів. Уперше ВЧ роз­ряд спо­стерігав 1891 серб.-амер. винахідник Н. Тесла. Такі роз­ряди за своїми властивостями часто схожі на ЕРГ по­стій. струму і теж мають кілька модифікацій: ДР, ІР, факельний — різновид ВЧ КР при частоті понад 1 МГц і при р ≥ 1 атм, що має форму, подібну до полумʼя свічки. Без­електродні ВЧ ЕРГ поділяють на E-роз­ряди, у яких поле аналог. полю конденсатора створюється прикладе­н­ням ВЧ потенціалу до електродів за межами роз­ряду, і H-роз­ряди — у змін. магніт. полі, що створює вихр. електричне поле, де поле генерується зовн. ВЧ струмами. Прикладом остан­нього є, зокрема, гелікон. роз­ряд, що генерується в умовах резонатора — індукц. котушки всередині циліндр. екрана зі збудже­н­ням плазм. хвиль (геліконів) антенами в ді­електрич. камері з магніт. полем. Досить роз­винені дослідж. ін. варіанта цього роз­ряду — у торі, поміщ. у змін­не магнітне поле, силові лінії якого спрямов. по осі тора, що став основою для роз­витку методів керов. термоядер. синтезу. Роз­роблені також ВЧ плазмотрони на роз­рядах обох типів.

При малих p і, від­повід­но, невеликих концентраціях зарядів та їх високій т-рі роль зі­ткнень частинок у плазмі стає не­значною, натомість важливо враховувати їх взаємодію з електромагніт. хвилями. Ці процеси особливо актуал. для керов. термоядер. синтезу та є предметом дослідж. фізики плазми. Вони проявляються також у плазм.-пучк. роз­ряді — різновиді ЕРГ, у між­електрод. про­стір якого вводять при­скор. електрон. пучок і плазма ро­зі­грівається гол. чином унаслідок пере­дачі енергії пучка через роз­качува­н­ня ВЧ коливань електронами плазми. Важливою при цьому є роль магніт. полів, які утримують зарядж. частинки роз­рідж. плазми від втрат на стінках роз­ряд. камери. Напр., для під­трима­н­ня ЖР при дуже малих p на нього накладають пов­здовжнє магнітне поле (т. зв. роз­ряд Ф. Пенінґа, 1937), що закручує електрони уздовж спірал. траєкторій навколо силових ліній магніт. поля та ефективно зменшує «проковзува­н­ня» ними роз­ряд. проміжку. Заг. властивості ВЧ та плазм.-пучк. роз­рядів дослідж. у Київ. університеті (І. Анисимов, С. Левитський, І. Шашурін). Значні цикли дослідж. фіз. властивостей ВЧ та замагніч. роз­рядів виконали спів­роб. Ін­ституту ядер. досліджень НАНУ: особливостей дифузій. процесів (Л. Пасічник, В. Ягола), релаксації іон. пучків у плазмі ВЧ роз­ряду (Г. Кириченко), механізмів по­глина­н­ня ВЧ потужності в плазмі гелікон. роз­ряду (К. Шамрай). Активно функціонує харків. наук. школа фізики плазми, яка досліджує ВЧ та замагніч. роз­ряди з метою виріше­н­ня фундам. про­блеми керов. термоядер. синтезу (К. Степанов та ін.), ґрунт. дослідж. здійснено і в Ін­ститутах теор. фізики (А. Загородній, В. Засенко, О. Ситенко) та ядер. досліджень (Я. Колесниченко) НАНУ. За цикл дослідж. щодо проникне­н­ня електромагніт. хвиль крізь плазм. барʼєри в неоднорід. плазмі роз­ряду Пенінґа укр. вчені від­знач. 1979 Державною премією УРСР в галузі науки і техніки — О. Водяницький, М. Єрохін, В. Лісітченко, С. Мойсєєв, В. Муратов, В. Ораєвський, Л. Романюк, М. Свавільний, В. Усталов, В. Філіпенко. Завдяки роз­витку ідей, повʼяз. з організацією взаємодії електромагніт. полів зі щільною плазмою ЕРГ, створ. плазм. при­скорювачі та плазм. ре­активні двигуни, швидкість потоку в яких істотно пере­вищує тепл. швидкість, характерну для хім. двигунів. У ННЦ «Харків. фіз.-тех. ін­ститут» НАНУ роз­робили та досліджують т. зв. квазістаціонарні плазм. при­скорювачі, пере­вагою яких є генерація потоків високо­енергет. щільної плазми упродовж тривалого періоду, що дало змогу використовувати їх для модифікації поверх­ні матеріалів та створе­н­ня джерел ви­промінюва­н­ня з високою т-рою (І. Гаркуша, В. Таран, В. Терешин, В. Чеботарьов). Тривалий час досліджують та удосконалюють плазм. ре­активні двигуни у Дні­проп. університеті (О. Петренко, І. Стаценко) та Нац. аерокосміч. університеті «Харків. авіац. ін­ститут» (М. Білан). За своєю глибин. природою до ЕРГ близькі також оптичні роз­ряди, які під­тримуються ви­промінюва­н­ням потуж. лазерів. Цей напрям дослідж. ЕРГ роз­вивається кілька десятків років, проте вже знаходить практичне за­стосува­н­ня. Так, в Ін­ституті електрозварюва­н­ня НАНУ досліджують комбінов. лазерно-дугові процеси та роз­вивають їх практичне за­стосува­н­ня для зварюва­н­ня й модифікації поверх­ні матеріалів (І. Кривцун). Публікації з питань Е. р. в г. ф. в Україні друкують у ж. «Український фізичний журнал», «Автоматическая сварка», «Во­просы атомной науки и техники»; від­буваються між­нар. наук. конф. у галузях фізики низькотемператур. плазми, фізики плазми і керов. термоядер. синтезу та ін., що включають ці пита­н­ня.

Завантажити статтю