Напомню, я занимался экспериментальным изучением сильноточных разрядов, создаваемых в кварцевых трубках при пропускании через них прямоугольных импульсов тока большой амплитуды. Внутренний диаметр трубок мог варьироваться от 10 до 60 мм, а длина - от 60 до 400 мм. Трубки с размерами, не выходящими за пределы указанных, устанавливались в одну и ту же разрядную систему, при этом менялись лишь уплотняющие шайбы и резиновые кольца. Чертеж конструкции разрядной системы и ее фотографию можно посмотреть здесь.

   Трубки могли заполняться чистыми газами, их смесью, парами различных жидкостей и разными аэрозолями.
  Заполнение трубок аэрозолями применялось для получения плазмы твердых веществ, которые допускали предварительное измельчение в мельчайший порошок. Для получения аэрозоли использовались разные физические тела: различные соли, камешки, строительный мусор, кусочки гранита, засушенные растения, раковины моллюсков и т. д. Получение смеси порошка с газом (аэрозоли) осуществлялось в герметичной металлической баночке, донышку которой сообщались колебания электромагнитным вибратором с частотой в нескольких сот герц. Заполнение трубки аэрозолью происходило при прокачке газа (обычно аргона) через баночку и разрядную трубку. Аэрозоль при пропускании через трубку импульсов тока соответствующей амплитуды испарялась в разряде и превращалась в плазму заложенного в баночку вещества.
   Для возможности заполнения трубки парами слабо испаряющихся жидкостей использовался ее наружный подогрев с помощью нихромовой спирали поверх нее.

   Разряды в трубке формировались с помощью трапецеидальных импульсов тока. После последней модернизации генератора тока, произведенной мною в 1976 г., максимальная амплитуда импульсов увеличилась с 40 до 150 кА.
   Мощность, подводимая к разрядной трубке, доходила в отдельных опытах до значений порядка нескольких десятков мегаватт. Сама по себе величина этой мощности мало что говорит, поэтому для наглядности приведу некоторые визуально наблюдаемые эффекты воздействия таких разрядов на окружение. Так, интенсивность излучения, возникавшего при пропускании через разрядную трубку импульса тока длительностью в 100 мксек, была такова, что кусочки бумаги или лоскутки материи, помещенные на расстоянии 10 см от трубки, обугливались или воспламенялись. Незащищенные участки кожи оказывались вскоре покрасневшими, поэтому, накладывая различные трафаретки, можно было получить на коже узоры, надписи, картинки. Вокруг трубки формировалась ударная волна такой интенсивности, что цилиндр из писчей бумаги, одетый на разрядную трубку и превышавший ее по диаметру в 3-5 раз, разлетался на мелкие клочки.

   Одним из ключевых результатов, полученных при исследовании сильнoточных разрядов, является установление приближенной эмпирической зависимости для квазистацонарной стадии разрядов, связывающей величину давления p в трубке с величинами тока I, начального давления газа p_o, наполняющего трубку, и родом наполняющего газа [1]:

Здесь П, a, b, c - эмпирические коэффициенты, которые можно считать постоянными, так как они слабо зависят от рода плазмообразующего вещества. Величины a, b, c, округленные до простейших дробей, равны, соответственно, 4/5, 3/5, 6/5. Величинa П=0,0108, если p и p_o - в Па, I - в А, R- в м. Расхождение между измеренными значениями давления и рассчитанными по формуле (1) редко превышало 60%.

Анализ опубликованных данных других авторов показал, что зависимость работает в широких интервалах изменения входящих в нее величин, охватывающих для обследованных областей от 3 до 9 порядков [2, 3].

   Словами полученную зависимость, на вид простую и элегантную, можно сформулировать следующим образом. Давление, возникающее в цилиндрической разрядной трубке при пропускании через нее достаточно значительного по величине тока, пропорционально произведению трех степенных функций, соответственно, от величины тока, начального давления наполняющего трубку газа и ее радиуса при условии отсутствия аксиального вытеснения газа при прохождении тока, причем величина давления, возникающего при прохождении тока, слабо зависит от рода наполняющего газа.

   Работоспособность зависимости (1) в широком диапазоне режимов говорит о том, что это физическая закономерность. Природу этой закономерности, естественно, хочется понять. С самого начала становится ясным, что реализация этого желания непосредственно упирается в задачу установления связи между температурой в канале разряда и его внешними параметрами (током, давлением и т.д.), задачу сложную и до сих пор не решенную, хотя над ней ломало головы не одно поколение физиков.

   Согласно известным работам подход к решению этой задачи начинается с рассмотрения энергобаланса разряда. Полагается, что электрическая мощность P, подводимая к стационарному или квазистационарному разряду, расходуется на потери энергии через излучение, (мощность этих потерь обозначим через W), и на кондуктивные потери за счет процессов теплопроводности, обуславливаемой молекулами, атомами, ионами, электронами и диффузией энергий диссоциации и ионизации, (мощность кондуктивных потерь обозначим через Q_k). Таким образом, энергобаланс разряда на основе общепринятых представлений можно записать в виде:

Если корректно записать выражения для W и Q_k через внутренние параметры разряда, то из энергобаланса будет следовать выражение, связывающее температуру в разряде с его внешними параметрами. Однако выражение для температуры в канале разряда еще не найдено, так как до сиx пор не удалось записать корректные аналитические выражения для W и Q_k через внутренние параметры разряда.

   Опираясь на экспериментально установленную зависимость (1), удалось понять, что предпринимаемые ранее пути подхода к решению поставленной задачи являются принципиально тупиковыми. Действительно, зависимость (1) указывает на то, что давление в разрядной трубке не зависит или зависит крайне слабо от атомного номера плазмообразующего элемента, так как величины П, а, b, с слабо зависят от рода плазмообразующего вещества. Из этого следует, что основополагающую роль в плазменном канале разряда должны играть процессы, также не зависящие от значения атомного номера. Поэтому на эту роль не могут претендовать как излучательные процессы, так и процессы, связанные с привычным теплопереносом, как зависящие от атомного номера. А это, в свою очередь, означает, что выражение (2) не учитывает всех механизмов, определяющих энергобаланс разряда. Отсюда и вытекает принципиальная несостоятельность попыток построить теорию сильноточного электрического разряда, опираясь на запись энергобаланса в виде (2).

   Из сказанного следует, что, если приведенные умозаключения верны, то существуют некие процессы, не зависящие от атомного номера элемента, механизм которых следует установить и включить в рассмотрение энергобаланса разряда. Этот вывод созревал нескольких лет, пока был осознан. В итоге стало ясно, что процессы, которые играют основную роль в энергобалансе разряда, связаны с так называемыми плазменными поляризационными эффектами. Эти эффекты приводят к тому, что энергетические характеристики любых частиц (кроме отрицательных ионов), находящихся в плазме, оказываются заниженными по сравнению с характеристиками тех же частиц, но находящихся в нейтральной среде.

  Одним из известных поляризационных эффектов является уменьшение величины энергии ионизации (потенциала ионизации) частиц в плазме. Этот эффект мне постоянно приходилось учитывать при расчете термодинамического состава плазм различного состава при анализе экспериментальных результатов опытов.
Уменьшение энергии ионизации частиц одного вида (атомов, ионов), как известно, одинаково для всех химических элементов, то есть не зависит от их атомного номера.
В связи с поляризацией плазмы оказывается также уменьшенной и кулоновская энергия заряженных частиц.
Замечу, что величины снижения энергии атомов, электронов и ионов в плазме отличаются друг от друга численными множителями порядка двойки.
Часть теоретических формул [4], описывающих названные эффекты, приведена в файле отсканированной первой страницы статьи, которая была отклонена в ЖТЭФ, как не представляющая интереса для широкого круга читателей журнала.

   Из-за поляризации энергия частиц в плазме канала электрического разряда оказывается меньше, чем энергия тех же частиц в окружающем плазменный канал горячем, но уже нейтральном газе. Поэтому частицы из нейтральной области, выражаясь не совсем научно, стараются «засыпать» плазменный канал, это им энергетически выгодно ( Попутно замечу, что эта «засыпка», по всей вероятности, и является причиной наблюдаемого нарушения чЛТР в разрядах [5]). Поэтому для поддержания стационарности канала необходимо удалять частицы из канала, на что и тратится неизлучательная часть энергии, подводимой к разряду от внешнего источника. Эти наработанные представления послужили основой для записи выражения мощности неизлучательных потерь энергии из плазменного канала. Величину этой мощности обозначим через Q_пп и условно назовем мощностью поляризационных потерь (МПП). Q_пп равно сумме произведений величин χ_j, характеризующих снижение энергии частиц каждого сорта (электроны, атомы, ионы) в плазме канала, на величину их потока N_j через границу плазменного канала:

   Для того, чтобы наглядно представить сказанное, проведу аналогию между каналом разряда и обычным водяным колодцем. Воздействие электрического тока на межэлектродную среду аналогично в определенном смысле процессу воздействия откачки воды из колодца на уровень воды в нем. Действительно, при протекании между электродами большого тока возникает проводящий плазменный канал. Из-за поляризационных плазменных эффектов внутренняя энергия частиц в этом канале оказывается заниженной по сравнению с энергией частиц вне канала. При откачке воды из колодца уровень воды в нем понижается. Это означает уменьшение потенциальной энергии частиц воды в колодце по сравнению с энергией частиц вне колодца.

  Очевидно, для того, чтобы поддерживать стационарный уровень воды в колодце при откачке, на удаление поступающей в колодец воды затрачивается мощность, равная произведению величины уменьшения потенциальной энергии частиц в колодце на величину потока воды, удаляемой откачкой в единицу времени. Аналогично для поддержания стационарного состояния плазменного канала электрического разряда нужно затрачивать от внешнего источника мощность равную произведению величины снижения энергии частиц в канале за счет поляризационных плазменных эффектов на величину потока частиц, удаляемых из канала.

   В приведенных примерах видно, что причина, приводящая к снижению энергии частиц, одновременно является и средством, поддерживающим это снижение. В одном случае - это протекание тока, в другом - откачка воды.
Попутно подчеркну важный момент, что как канал разряда, так и уровень воды в колодце являются открытыми системами. Здесь это обстоятельство не обсуждаем, чтобы не уклоняться от темы.

   Кратко результат анализа выражения (1) можно сформулировать следующим образом. Плазменная область квазистационарного разряда из-за поляризационных эффектов представляет собой (энергетическую) потенциальную яму для частиц нейтрального газа, окружающего эту область.

   Сопоставление выражения (3) с имеющимися экспериментальными данными показало, что, во-первых, оно правильно учитывает величину неизлучательных потерь энергии из канала разряда, и, во-вторых, величина Q_пп существенно больше величины Q_k. Это будет проиллюстрировано ниже на примере анализа конкретного режима энергобаланса канала аргоновой стабилизированной водоохлаждаемыми стенками дуги.

   С учетом сказанного, корректная запись энергобаланса канала разряда, учитывающая роль поляризации плазмы в канале, теперь такова:

Подчеркну, что это выражение применимо лишь для плазменного канала, поскольку только в нем проявляются плазменные эффекты.

   Таким образом, согласно выводам, вытекающим из анализа зависимости (1), основную роль в энергетике разрядов играют поляризационные процессы в плазме, энергетические характеристики которых не зависят от атомного номера.

   Этот результат прямо противоположен представлениям газокинетической теории. Согласно этим представлениям снижение энергии ионизации частиц в плазме учитывается в процессах диффузии энергии ионизации в качестве малой поправки к величине самой энергии ионизации. Поскольку вклад в общую теплопроводность процессов диффузии энергии ионизации сам по себе не велик, то говорить о заметном влиянии на энергобаланс разряда небольшой поправки за счет поляризации просто не приходится.

   Из сказанного следует, что представления газокинетической теории не отражают правильно картину процессов в канале сильноточного разряда. Поэтому можно сказать, что реальный вклад поляризационных процессов в энергобаланс разряда впервые установлен в рассматриваемых работах.

   Еще раз хочу подчеркнуть парадоксальность ситуации. С одной стороны, энергия ионизации частиц на порядки превышает уменьшение ее за счет поляризационных эффектов. С другой стороны, энергия ионизации "по определению" зависит от атомного номера, а вот ничтожное по величине снижение энергии ионизации от атомного номера не зависит. Поэтому "громадная" энергия ионизации на энергобаланс не влияет, а "ничтожное" по величине снижение энергии ионизации играет в энергобалансе существенную роль!

   Так как аналитическая зависимость выражения Q_пп от температуры и состава плазмы известна, то впервые появилась возможность выразить величину температуры в канале разряда через его известные внешние физические характеристики (ток, давление, состав и т.д.) и параметр δ. Введение параметра δ связано с тем, что структура выражения W, описывающего потери энергии на излучение, нам доподлинно не известна, поэтому формально представим это выражение в виде W=δQ_пп. В большинстве случаев такая запись выражения W не приводит к большой погрешности, так как, с одной стороны, приблизительное значение δ можно оценить из известных опытных данных, а, с другой стороны, величина δ входит в конечные результаты в качестве множителя (1+δ), стоящего под корнем второй или третьей степени. Поэтому использование выражения (4) по сравнению с выражением (2) позволяет продвинуться существенно дальше в решении задачи о связи температуры в канале разряда с внешними параметрами последнего.
B тех случаях, когда потерями на излучение можно пренебречь, мы получаем в руки практичную работоспособную формулу для определения температуры рассчетным путем. Bожможности полученной формулы проиллюстрирую при разборе данных конкретных экспериментов на последующих страницах сайта.

   С помощью выражений (3-4) не сложно проанализировать модель однородного канала разряда. Так как эта модель является достаточно хорошим приближением для реального канала, то результаты анализа однородной модели согласуются со свойствами реальных разрядов. В частности, анализ энергобаланса однородного гипотетического канала (на странице"История исследования") привел к модельной аналитической зависимости для давления, которая согласуется с экспериментальной зависимостью (1), а по точности обсчета экспериментальных результатов превосходит ее [3]. Этот факт является одним из многих, свидетельствующих в пользу описанного способа учета поляризационных процессов в энергобалансе разряда.

   По поводу формулы (3) хочу сделать несколько замечаний. Несмотря на кажущуюся ее простоту, получение ее было связано с большой затратой сил и времени. Кратко упомяну основные этапы исследований, начатых в конце 1967 г. на пути к этой формуле, основываясь на «Истории исследования».
Первым этапом была разработка, собственноручная сборка и отладка установки для формирования квазистационарных разрядов при значениях тока, достигающих величины в несколько десятков килоампер.
Вторым этапом было установление неожиданного факта отклонения плазмы с высокой концентрацией электронов от модели чЛТР, факта, который не укладывался в сложившиеся на то время представления.
Поэтому третий этап (вынужденный) был связан с разработкой методики измерения давления в разрядах, разработкой и собственноручным изготовлением датчиков давления. Измерения давления подтвердили отклонение плазмы от чЛТР, вытекавшее из результатов обработки спектроскопических измерений.
На четвертом этапе было проведено большое число замеров давления в разряде и уточнена эмпирическая зависимость (1), а также проведено ее сравнение с опубликованными данными, которые указали на ее не случайный, а физический характер.
На пятом этапе начались попытки понять физическую сущность зависимости (1), приведшие в итоге к пониманию роли поляризации плазмы в энергетике разрядов и формуле (3), количественно описывающей эту энергетику.
Сейчас идет шестой этап этого исследования, связанный уже с попытками опубликовать его результаты, начавшийся в конце 1976 г. и продолжающийся с перерывами до настоящего момента.

   Попытки опубликовать формулу (3) и результаты, из нее вытекающие, предпринимались за прошедшее время более десяти раз. В работе, написанной в 1976 г. и отправленной в журнал ТВТ, для объяснения формулы (1) было постулировано наработанное представление о том, что канал разряда представляет из себя потенциальную яму для частиц окружающего его нейтрального газа. Тогда в соответствии с рецензией приведенное объяснение из работы пришлось убрать, и работа была опубликована в урезанном виде в 1978 г.[1]. В конце этой работы я приписал, что зависимость (1) будет строго обоснована в ближайших работах на основе рассмотрения свойств разрядов, имеющих такой же общий характер, как и приведенная зависимость.

   Выполнить упомянутое обещание не удалось, поскольку я оказался заложником ситуации. Собранная и совершенствуемая мною в течение десяти лет установка по формированию сильноточных разрядов была разобрана после преобразования кафедры в проблемную лабораторию. С разбором установки был оборван, пожалуй, самый значимый по творческим результатам период в моей жизни. В МИФИ вместе с учебой я пробыл к тому времени около 25 лет. Приблизительно через три года после разбора установки перешел в 1981 г. работать на более высокооплачиваемую работу в другой институт на должность старшего научного сотрудника.

   Переход в другой институт надолго заморозил мои попытки опубликовать наработанные прежде результаты, в связи с тем, что серьезные научные журналы принимают к публикации только те работы, которые имеют направление от учреждений, где они были выполнены. После смены работы первое такое направление удалось оформить лишь в 1986г. Это связано с тем, что написанные работы никак не вписывалась в тематику нового места работы, потому долгое время не удавалось найти специалистов, которые согласились бы взять на себя ответственность рекомендовать ученому совету института направить мои прежние результаты для опубликования.
   Более серьезным препятствием по сравнению с получением необходимых формальных направлений оказалось то, что идея канала разряда, как потенциальной ямы, напрочь не воспринималась в редколлегиях журналов.
   Причины отказа представленных к публикации работ либо не формулировались вообще, либо формулировались не по существу, либо сопровождались формулировками, созвучными приведенной в «Истории исследования»: «противоречит всем известным следствиям кинетической теории», например, позиция редакции ТВТ. Причем реальная (а не официально декларируемая) продолжительность рецензирования этих работ, основанных на не самой громоздкой и сложной формуле (3), вместо положенных трех месяцев доходила до четырех лет! В простейшем случае, когда эта формула применяется для анализа относительно слаботочных разрядов, она состоит всего из трех букв. Это будет показано на следующей странице.

   Согласно этим рецензиям формула (3) неверна, а, следовательно, и все выводы, из нее вытекающие, ошибочны. Как показано в самом начале этой страницы, формула (3), действительно, принципиально не вытекает из существующей кинетической теории. В этом я полностью согласен с рецензентами. Единственное, что мне не понятно, как может неверная формула объяснить целый ряд известных результатов и указать путь к новым. Например, в разрядной трубке были экспериментально сформированы нестационарные плазменные образования, свечение которых можно было визуально наблюдать в течение нескольких секунд после прекращения подвода к трубке энергии. Объяснение этого результата, предложенное на основе выражения (3), в ЖТФ отклонили опять же потому, что формула (3) противоречит газокинетической теории.

  Хочу еще раз подчеркнуть, что формулы «родом из газокинетической теории», описывающие процессы переноса энергии, принципиально не годятся для описания процессов в плазме сильноточных разрядов, как зависящие от атомного номера элемента. Возможно, что, наоборот, не формула (3), а сами представления, основанные на газокинетической теории, оказываются несостоятельными в рассматриваемой ситуации. Эта простая мысль, видимо, не представляется рецензентам реальной, возможно потому, что все это не ощущается собственными руками. Поэтому причина отказов кроется скорее не в физике, а в психологии, - трудно отказаться от привычных устоявшихся представлений ради новых, ранее не известных. В этом мудрость и осторожность устоявшихся представлений, но одновременно и тормоз на пути к новому пониманию сути вещей, возникающему, правда, крайне редко.

   Чтобы наглядно показать важность поляризационных процессов, я в 1996 г. попытался в кратком сообщении проиллюстрировать выполнимость формулы (3) на примере анализа канала реальной дуги, показав, что величины, характеризующие реальный канал, подчиняются выражению (3). Был подобран режим дуги, описанный в литературе, в котором излучательные потери составляют малую долю, поэтому при анализе энергобаланса ими можно пренебречь. Для подтверждения выполнимости (3) в этом случае было показано, что электрическая мощность P, подводимая к единице длины канала, близка по величине к мощности неизлучательных потерь Q_пп также в расчете на единицу длины канала.
Kраткое сообщение пишут для того, чтобы побыстрее опубликовать неизвестный ранее результат. По моему мнению, предлагаемый результат таким и является, - новым и неожиданным. Однако, это краткое сообщение было отклонено. Судя по рецензиям, рецензент не понял работу. Это была моя последняя попытка через журнал привлечь внимание к зависимости (3).
   Теперь по прошествии еще почти десяти лет решил использовать новые коммуникационные возможности и опубликовать некоторые работы, использующие выражение для МПП, через Интернет. Я питаю надежду, что эти работы будут восприняты, и не стыжусь, что, в противном случае, моя "дурость" будет очевидна не только рецензентам.
   Основой следующей страницы является текст упомянутого краткого сообщения. Страница полностью написана, называется она «Энергобаланс аргоновой дуги». Месяца через три я помещу ее на сайт.