ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Ионизация в одноатомном газе из "Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений " При температурах за фронтом ударной волны порядка 15 ООО— 20 000° К газ заметно ионизован. Установление ионизационного равновесия при таких температурах является наиболее медленным из релаксационных процессов, и именно оно определяет ширину фронта волны ). [c.390] С точки зрения экспериментального изучения ионизации в ударной трубе особенно привлекательны одноатомные газы. Благодаря отсутствию ряда степеней свободы, которыми обладают молекулярные газы, в одноатомных газах легче достигаются высокие температуры - 15 ООО— 20 000° К. Одноатомные газы благоприятны и для проверки теории явления, так как ионизация (первая) является единственным релаксационным процессом, расширяющим фронт ударной волны. [c.390] Первое подробное исследование такого рода было проведено Петше-ком и Байроном [35] для аргона. [c.390] Толщина скачка уплотнения равна примерно двум-трем газокинетическим пробегам атомов. Перед фронтом ударной волны, а следовательно, и непосредственно за скачком уплотнения газ если и ионизован, то очень слабо. После ударного сжатия в высоконагретой частице газа начинается ионизация. Основным механизмом является ионизация электронным ударом (см. гл. VI). Однако для того чтобы ионизация развивалась путем электронных ударов с образованием электронной лавины, необходимо, чтобы в газе имелось некоторое начальное затравочное , количество злектронов. Одним из механизмов, которые могут привести к этой начальной ионизации, является ионизация при соударениях атомов друг с другом. Как отмечалось в гл. VI, эффективное сечение такого процесса чрезвычайно мало. Поэтому для образования затравочных электронов за счет атом-атомных столкновений требуется довольно значительное время. Соответственно зона за скачком уплотнения, где параметры газа отвечают ничтожно малой степени ионизации, т. е. равны д, р, Т, растягивается на весьма большое расстояние. [c.391] Лавинообразная ионизация начинается, когда скорость ионизации электронным ударом становится больше скорости ионизации ударами атомов ). Поскольку последняя чрезвычайно мала, лавинообразная ионизация начинается уже при очень малой затравке , при степени ионизации а 10 —10 . Оставим пока в стороне вопрос об образовании - затравочных электронов и рассмотрим основной процесс ионизации злектронным ударом, в результате которого степень ионизации вырастает от очень малых до равновесных значений (01 = 0,25 в приведенном выше примере). [c.391] При постоянной электронной температуре Те лавина нарастает по экспоненциальному закону типа а е / (см. И гл. VI) до тех пор, пока рекомбинация не начинает заметно компенсировать ионизацию. После этого степень ионизации постепенно приближается к равновесной, при которой рекомбинация в точности компенсирует ионизацию. [c.391] Потери энергии электронов на ионизацию восполняются благодаря передаче электронам энергии от нагретого в скачке уплотнения атомного таза. Однако обмен энергией между тяжелыми частицами и электронами вследствие большого различия их масс протекает крайне медленно, ж именно этот процесс обмена ограничивает скорость развития электронной лавины и определяет время достижения равновесной ионизации. [c.391] Электроны не только ионизуют, но и возбуждают атомы. Энергия первого возбужденного уровня атома аргона равна Е = 11,5 эв. [c.392] При значительных электронных концентрациях возбужденные атомы дезактивируются электронными ударами второго рода. Энергия возбуждения при этом вновь возвращается к электронному газу. Однако при электронных температурах порядка и, в особенности, больше 1 эв ионизация возбужденного атома при электронных ударах становится более вероятной, чем дезактйвация (для ионизации требуется не слишком большая энергия I — Е = 4,3 эв). Ионизация при этом протекает в две ступени сначала атом возбуждается, потом ионизуется. Затрата энергии на ионизацию при таком двухступенчатом процессе все равно остается равной потенциалу ионизации Е + I — Е ) = I. Возможны и многоступенчатые процессы, когда при столкновениях электронов с возбужденным атомом он ионизуется не сразу, а претерпевает один йли несколько актов повышения степени возбуждения (см. гл. VI). [c.392] Если ионизация возбужденных атомов происходит быстро по сравнению с дезактивацией и возбуждением невозбужденных атомов, то скорость ионизации по существу определяется только скоростью возбуждения (по формуле (6.79)). Именно такое предположение делали Петшек и Байрон [35], считая, что каждый атом мгновенно ионизуется вслед за актом возбуждения. Возбужденные атомы частично высвечивают свою энергию. Возникающий в результате высвечивания квант поглощается по соседству другим, невозбужденным, атомом (эффективное сечение поглощения резонансных квантов очень велико), который в свою очередь высвечивается и т. д. ). [c.392] Здесь д представляет собою алгебраическую сумму всех членов, описывающих возникновение и исчезновение свободных электронов в 1 см в 1 сек. В основной области q определяется ионизацией атомов электронным ударом. В рамках предположения Петшека и Байрона, например, д представляет собою в этой области скорость возбуждения атомов q = а п па, где константа скорости а дается формулой (6.79). В самом начале процесса, сразу за скачком уплотнения, ц определяется процессами, приводящими к образованию затравочных электронов (атом-атомными столкновениями и т. д. см. ниже). На последней стадии, в области приближения к равновесию, в д следует учитывать рекомбинацию. [c.393] Система дифференциальных уравнений (7.29) и (7.30) относительно а х). Те (х) и алгебраических уравнений (7.28) и (7.28 ), которые дают Г (а), п (а) с соответствующим образом определенной скоростью ионизации д, дает возможность найти распределения всех величин в зоне релаксации. Фактически скорости обмена и неупругих потерь Шеа и сог в значительной степени компенсируют друг друга а еа — сог С0еа так что в подавляющей части зоны релаксации уравнение баланса (7.30) сводится к алгебраическому соотношению а еа (о , которое позволяет выразить а в виде функции Тд. Именно так поступали Петшек и Байрон при расчете ширины зоны релаксации. [c.394] Приведем некоторые результаты измерения времени ионизационной релаксации в аргоне. [c.395] Опыт показывает, что 1п т, грубо говоря, линейно зависит от 1/Г, т. е. что т ехр ( onst/Г ). Константа в этом законе соответствует энергии активации примерно 11,5 эв. [c.396] Сопоставление опытных данных о распределении электронной плотности с расчетами лавинной ионизации показало, что лавина развивается только после того, как начальная ионизация достигает величины порядка 0,1 от равновесной, или абсолютной величины а 10- . Вопрос о природе начальной ионизации в работе [35] так и остался невыясненным. Оценки показали, что ионизация в результате атом-атомных соударений или фотоионизация квантами, рождающимися в равновесной зоне, не может обеспечить быстрое образование большого количества начальных электронов, которое нужно для объяснения опытных данных. Свидетельством недостаточности механизма атом-атомных соударений может служить, тот факт, что расчеты с учетом только этого механизма приводят к временам релаксации, которые в десятки раз больше экспериментальных [93]. [c.396] Отмечалась роль возбуждения атомов перед фронтом резонансным излучением, выходящим из равновесной области [94]. [c.396] Анализ различных механизмов ионизации в ударной волне в аргоне (и вообще одноатомных газов) содержится в уже цитированной выше работе Л. М. Бибермана и И. Т. Якубова [93]. Авторы исследовали влияние вариаций в выборе эффективных сечений ионизации ударами электронов и атомов, роль ступенчатых и радиационных процессов. Они пришли к выводу о том, что в ускорении образования начальных электронов решающую роль должно играть возбуждение атомов резонансным излучением, выходящим из равновесной зоны. Благодаря этому эффекту сильно повышается концентрация возбужденных атомов, которые легкО ионизуются электронным ударом. Учет этого позволил авторам значительно сократить расхождения между расчетными и экспериментальными значениями времени релаксации и добиться удовлетворительного согласия тех и других. Надо сказать, что в вопросе об ионизационной релаксации, в особенности о механизме начальной ионизации, полной ясности еще нет. Отметим работу [95], в которой изучалась релаксация в ксеноне, и работу [96] о влиянии излучения. [c.396] Вернуться к основной статье