Получению неравновесной плазмы способствуют понижения давления газа до р 0,1 сип и силы тока до I 1 а. В этих условиях различие температур электронного и нейтрального газов может быть очень большим: при температуре электронного газа в несколько десятков тысяч градусов нейтральный газ может иметь температуру, близкую к комнатной.

Уравнение термической ионизации может быть записано следующим образом:

Л° + е«=Л+ + 2е.(111.14)

Для поддержания равновесного состояния плазмы наряду с прямыми процессами, требующими затраты энергии, такими, как диссоциация, возбуждение и ионизация, необходимы и обратные процессы — молизация, переход в нормальное стационарное состояние, деионизация. Особо важное значение имеют процессы деиони-зации, т. е. перехода электрически заряженных частиц в электрически нейтральное состояние. Из процессов деионизации отметим рекомбинацию: Л+ -+- е = А°, т. е. объединение положительного иона с электроном с отдачей освободившейся энергии в виде излучения. Деионизации плазмы способствуют и другие процессы: нейтрализация заряженных частиц на электродах и диффузия заряженных частиц за пределы столба дуги.

Уравнение Сага. Для изотермической, или равновесной, плазмы индийский физик Сага (БаЬа) на основании теоретических рассуждений в 1921 г. вывел уравнение, определяющее степень ионизации плазмы. Вывод основан на учете необходимости равновесия прямых и обратных процессов в плазме. После подстановки численных значений входящих величин уравнение Сага получает следующий вид:

^ р = 2,4 • Ю-^Г^ехр (0) Г(III. 15)

где й2 = = — — квантовый коэффициент, образуемый из ста-

тистических весов электронов £е, ионов дс и нейтральных молекул £0. Веса определяются числом состояний с одинаковой энергией. Для электронов це = % соответственно двум возможным значениям спинов; ц{ и £(, могут быть вычислены из строения атомов. Проведенные подсчеты показали, что для различных атомов величина а2 может меняться от 1 до 4.

Кривые зависимости степени ионизации х от температуры, вычисленные по уравнению Сага, имеют 5-образный вид (рис. 31). В начальной части кривая х растет с температурой сравнительно медленно, почти по линейному закону, затем рост ускоряется, а при очень высоких температурах вновь замедляется, что выражается перегибом кривой. Это замедление объясняется уменьшением количества атомов, способных к ионизации, так как при очень высоких температурах степень ионизации приближается к единице, а\х — 1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.1 0.3 0.2 0.1

6000

№000

т.°к

Рис. 31. Кривые зависимости степени ионизации от температуры для различных элементов при атмосферном давлении.

6000 6000 10000 12000 Ш00 16000 16000 ГТК

К N Са Д| ЛМпГе 2х\

2000 3000 4000 5000 6000 7000 6000 Т.'К

Рис. 32. Начальные части кривых ионизации до степени ионизации х 0.2.