Ионизационные волны (страты) являются одними из основных волновых процессов в плазме прямоточных газовых разрядов. Известно, что плазма в столбе газового разряда редко находится в спокойном состоянии. Чаще всего в ней развиваются различного рода неустойчивости, которые приводят к расслоению (стратификации) столба. Наиболее распространенным видом неустойчивости низкотемпературной плазмы, приводящей к возбуждению страт, является так называемая ионизационная неустойчивость. Различают два вида страт, имеющих ионизационную природу - бегущие и стоячие. Бегущие страты - это волны концентрации и температуры электронов, распространяющиеся и усиливающиеся, как правило, от катода к аноду. Отличительной особенностью этих волн является то, что их фазовая скорость противоположна по направлению групповой скорости. Стоячие страты - особый тип волны, частота которых равна нулю, а волновое число отлично от нуля.

Страты наблюдаются в низкотемпературной плазме, и представляют собой области с различной концентрацией заряженных частиц, разделённые узкой поверхностью раздела − фронтом волны. На фронте волны происходит резкий скачок концентрации заряженных частиц от значений перед фронтом и за ним. Наряду с волнами, состоящими из одного фронта ионизации, могут быть волны, в которых происходит периодическое чередование областей с различной концентрацией заряженных частиц (слоев). Характерная особенность ионизационных волн заключается в том, что их возникновение и распространение связаны не с перемещением вещества, а с изменением степени ионизации в плазме. Локальное возмущение плотности ионов ведёт к возникновению пространственного заряда и появлению локального электрического поля, меняющего, в свою очередь, среднюю энергию электронов. В связи с этим меняется скорость ионизации и постепенно меняется (понижается) концентрация заряженных частиц. Вся эта цепь процессов ведёт к распространению возмущения, причём с чередованием положительных и отрицательных отклонений плотности и др. параметров плазмы от равновесного состояния. Поскольку кинетика процессов ионизации и рекомбинации и характер переноса могут быть весьма разнообразны в зависимости от рода газов и внешних электрических и магнитных полей, то весьма разнообразны и свойства ионизационных волн, скорости и направления их движения. Имеется множество типов ионизационных волн: обратные волны с фазовой скоростью, направленной противоположно групповой, прямые волны с фазовой скоростью, большей или меньшей, чем групповая, а также ряд промежуточных типов волн. Ионизационные волны наблюдаются в плазмах разнообразного состава при давлениях от 10^-2 мм.рт.ст. до десятков атм. Скорости распространения ионизационных волн также могут изменяться в широком диапазоне от нулевой (стоячие страты) до скоростей, близких к скорости света (волны вторичной ионизации в разряде молнии и в наносекундном пробое слабоионизованных газов); могут быть волны, направленные в сторону электрического поля и против него. В неравновесной замагниченной плазме инертных газов с присадками паров щелочных металлов при развитии понизационной неустойчивости возникают так называемые магнитные страты, природа которых связана с анизотропией флуктуации джоулева тепловыделения, переноса теплоты и процессов ионизации. Ионизационные волны по природе возникновения и распространения в некоторых случаях близки к волнам горения, но отличаются тем, что в волнах горения происходит высвобождение энергии хим. реакции, а в ионизационных волнах энергия, идущая на ионизацию, подводится извне. Если в волне горения количество продуктов реакции всегда только увеличивается, то в ионизационных волнах концентрация заряженных частиц может и возрастать (волна ионизации) и падать (волна рекомбинации).

Исключительная природа ионизационных волн отражается в характере описывающего их уравнения, которое содержит только первую производную по времени. Волновое решение обусловлено интегральным членом, который выражает изменение скорости ионизации в плазме. Примером уравнения, описывающего динамику страт, является следущее интегро-дифференциальное уравнение

 где ядро К - реальная функция, содержащая все параметры системы. По форме ядра К можно определить качественный характер решения. Точное решение задачи преполагает использование численных методов.

 

Свойства начали изучать еще в XIX веке. С тех пор опубликовано множество научных работ, в которых накоплен богатый экспериментальный материал. В истории изучения и использования страт можно выделить несколько периодов. Один из этих периодов относится к началу широкого использования газоразрядных трубок. Затем интерес к стратам значительно вырос в связи с применением газоразрядных трубок в лазерной технике. Параметры рабочих режимов лазеров, как правило, лежат в областях возбуждения страт. При этом, для работы газоразрядных приборов возбуждение страт представляет собой вредное явление, на борьбу с которым тратятся значительные усилия.

С точки зрения общей теории колебаний страты можно рассматривать как своеобразный класс волн, у которых групповая скорость противоположна по направлению фазовой. На принципиальную возможность существования таких волн указывал Лэмб, придумав для этого ряд искусственных механических моделей одномерных сред, обладающих этим свойством. Л.И. Мандельштам нашел реальный пример подобного рода сред. Оказывается, что при распространении в кристаллах упругих волн, частота которых сравнима с частотой колебания решетки, груповая и фазовая скорости направлены навстерчу друг другу.

На рис.1 показан один из вариантов схемы для искусственного возбуждения переходных ионизационных волн в плазме. Плазма возмущается локально кратким импульсом напряжения, подведенным к внешнему кольцевидному электроду КЭ. Волна растпространяется от места, где находится кольцо, и изменение свечения плазмы, которое сопровождает волну, снимается фотоумножителем Ф. Сигнал модулирует, в данном случае, интенсивность луча осциллографа. Такую же схему можно использовать и для исследования самовозбужденных волн, если осциллограф синхронизировать сигналом от другого неподвижного фотоумножителя. Если вместо импульсов низкой частоты повторения возмущать плазму сигналом с частотой, близкой к частоте страт, то можно вызвать искусственно волны, периодические во времени, и, меняя частоту возмущения, измерить по обычным осциллограммам соответствующую длину волны и пространственное усиление.