 |
|
Элементарные процессы в плазме
К элементарным процессам в плазме газового разряда относят:
1) ионизацию;
2) диссоциацию молекул на атомы без ионизации;
3) рекомбинацию;
4) упругие соударения с обменом энергии;
5) процессы перезарядки.
Ионизацией называют отрыв части электронов от атомов или молекул. который может осуществляться несколькими путями:
а) термическим (термическая ионизация);
б) воздействием излучения различных видов (рентгеновское, УФ, лазерное и т. д.);
в) электрическим разрядом.
В технологических плазменных устройствах чаще всего обеспечивается ионизация в электрических газовых разрядах различного вида.
Механизм ионизации в разряде заключается в образовании электронной лавины (см. рис 1.5).
Ионизация является пороговым процессом, поэтому обязательным условием развития лавины должно быть электрическое или электромагнитное поле такой величины, чтобы оно сообщало электрону на длине свободного пробега больше энергии, чем нужно для выбивания из атома еще одного электрона. Такой механизм носит название ионизации электронным ударом.
Так как в большинстве плазменных технологических устройств используются многоатомные газы, одним из результатов столкновительных процессов с молекулами является их диссоциация.
Под диссоциацией понимается расщепление молекулы на более простые частицы в результате нарушения связи между атомами, происходящее за счет поглощения молекулой избыточной энергии.
Схематично это может быть представлено:
AB ↔ A + B (1.14)
В конечном счете именно этот процесс ответственен за многие физико-химические превращения, используемые в различных технологических задачах.
Наряду с ионизацией в плазме протекает и обратный процесс нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация.Этот процесс осуществляется при столкновении частиц с зарядами разного знака, а освобождающаяся при рекомбинации энергия либо передается одной из сталкивающихся частиц (тройная столкновительная рекомбинация, где избыток энергии передается одному из сталкивающихся электронов, рис. 1.6, а), либо уносится с квантом излучения (излучательная рекомбинация, рис. 1.6, б).
Вследствие соединения двух частиц с противоположными знаками рекомбинация является важным каналом убыли электронов и ионов в плазме.
Рекомбинировать могут положительные и отрицательные ионы, а также электроны с положительными ионами.
Возможные механизмы рекомбинации
A+ + B− → AB + hν (с излучением энергии)
A+ + e → A0 + hν (с излучением энергии)
A+ + B− → A0 + B0,
A+ + e + e→ A0 +e (1.15)
где А, B – атом или молекула в ионизованном (+, -) или нейтральном (0) состоянии.
а б
Кроме процессов ионизации, рекомбинации и диссоциации молекул на атомы в плазме могут протекать процессы образования радикалов, а также процессы перезарядки типа
(1.16)
Перезарядка приводит к появлению в плазме из энергичных ионов энергичных нейтральных частиц. Электроны же особенно охотно притягиваются галогенами и кислородом.
Излучение плазмы
Плазма также является источником электромагнитного излучения, спектр которого в зависимости от температуры может простираться от инфракрасного до рентгеновского.
Релаксация связанных электронов из возбужденных состояний в основные приводит к излучению дискретного (линейчатого) спектра, характерного для сравнительно низких температур плазмы Те < 1 эВ (рис.1.7).
Рекомбинационное излучение, возникающее при захвате ионом свободного электрона (рис.1.8) и достаточно ощутимое уже при умеренной степени ионизации плазмы, имеет непрерывный спектр.
Торможение подвижных свободных электронов в электрическом поле плазмы приводит к появлению непрерывного тормозного спектра излучения, характерного для высоких плазменных температур (рис.1.9).
Каждому процессу испускания из плазмы квантов излучения соответствует обратный ему процесс поглощения излучения. Так, дискретное поглощение приводит к возбуждению атомов и молекул. Поглощение, обратное рекомбинационному, по сути является фотоэффектом в плазме. Испусканию тормозного спектра соответствует поглощение, называемое обратным тормозным. Очевидно, что эффективность протекания того или иного процесса поглощения излучения плазмой в существенной мере зависит от ее температуры и плотности.
1.1.5 Плазменные объекты в космосе.
Плазма − наиболее распространенное состояние вещества. Большинство звезд, включая и наше Солнце, имеет, как известно, температуры, при которых вещество находится в плазменном состоянии. Межзвездный газ ионизован, и, несмотря на относительно малую концентрацию заряженных частиц, его также можно считать плазмой, так как характерный пространственный масштаб его на много порядков превышает дебаевский радиус. Плазма распространена и в ближнем космосе. Она заполняет магнитосферу Земли и образует ионосферные слои. Возмущения магнитосферы, связанные с потоками частиц с Солнца (с так называемым солнечным ветром), также оказываются плазменными.