Неравновесность и диффузия сильноионизованной плазмы $\rm Ar$ в дуговом канале

На примере высокоионизованной плазмы $\rm Ar$ атмосферного давления с немонотонным радиальным распределением свободных электронов, движущейся в узком дуговом канале, изучена эволюция по радиусу диффузионно-неравновесных состояний сильноионизованных плазм с поперечной неоднородностью осесимметричного типа. Показано, что эти состояния, близкие к равновесным в приосевой области канала, становятся ионизационно неравновесными (преобладает ионизация) для атомов и рекомбинационно неравновесными (преобладает рекомбинация) для однократных ионов в его среднем сечении. Наиболее сильная, рекомбинационная неравновесность $($более $50\%)$ возникает на краю дуги у атомов. Уравнение неразрывности с известными из эксперимента профилями температуры и концентрации электронов решено относительно плотностей атомов и ионов в приближении постоянства приведенных населенностей их основных состояний. Получены простые аналитические формулы для расчетов, в которых радиальное изменение этих плотностей определяется, в основном, спадом температуры. Найден критерий диффузионной неравновесности осесимметричной высокоионизованной плазмы любых газов, из которого следует, что, несмотря на полное подобие условий эксперимента, сильноточные разряды в однотипных газах $\rm Ar$ и $\rm He$ образуют разные типы плазм (в плазме $\rm Ar$ нет сильной неравновесности на оси разряда). Ослабление энерговклада резко усиливает неравновесность: она растет в $1.5$ раза при снижении плотности электронов всего на $6$–$10\%$. Показано, что в приосевой области дуги диффузия малой примеси атомов является вторичным процессом на фоне встречной диффузии ионов разной кратности – основных тяжелых частиц у оси, имеющих там высокую плотность, которая у ионов $\rm Ar^+$ слабо растет, а у ионов $\rm Ar^{++}$ резко спадает по радиусу. Обнаружена небольшая ионизационная неравновесность ионов $\rm Ar^+$, сменяющаяся при удалении от оси более сильной рекомбинационной неравновесностью, которая исчезает вместе с межионной диффузией в максимуме относительной плотности ионов $\rm Ar^+$, не доходя до середины радиуса плазменного канала.