1. Низкотемпературная плазма

Лекция 1

1.1.Введение

1.1.1.Определение низкотемпературной плазмы

Плазма, являющаяся наиболее распространенным состоянием вещества в космосе (звезды, межзвездная среда, ионосферы планет), на Земле в природных условиях встречается лишь при грозовых разрядах и в пламени. В лаборатории и промышленности, однако, вещество в плазменном состоянии встречается весьма широко. Одним из ее наиболее важных, в перспективе, применений, является управляемый термоядерный синтез, осуществление которого позволило бы человечеству в значительной мере решить энергетическую проблему. Что же касается низкотемпературной плазмы, то она широко применяется в радиоэлектронных приборах, плазмотронах, МГД-генераторах, газовых лазерах и многих других устройствах, а в последние годы и в промышленных технологиях.

Рис. 1: Характеристики природных и искусственных плазменных объектов. На поверхности пока-

заны изолинии дебаевского радиуса

Наиболее важными характеристиками плазмы являются температура и плотность заряженных частиц. На рис. 1 приведены типичные параметры плазмы в различных объектах и устройствах. Имеется целый ряд природных плазменных космических объектов, температура которых превышает миллион градусов (100 эВ). Такую плазму называют высокотемпературной. В течение последних пятидесяти лет высокотемпературную плазму получают и исследуют в лаборатории, хотя грандиозные современные термоядерные установки типа JET уже трудно назвать “лабораторными” устройствами.

Температура большинства земных и ряда космических объектов, как видно из рисунка, не превышает десяти электрон-вольт. Поскольку потенциалы ионизации и диссоциации атомов и молекул лежат между 2

13

и 20 эВ, такая среда представляет собой, очевидно, не полностью ионизованный и диссоциированный газ. Если плотность заряженных частиц в газе очень мала, то они взаимодействуют, в основном, с нейтральными частицами. Такое взаимодействие является короткодействующим, и основную роль в таком ионизованном газе играют парные столкновения. Когда плотность заряженных частиц возрастает, постепенно возрастает роль взаимодействия заряженных частиц друг с другом. Важнейшей характеристикой при этом является

Именно в том случае, когдадебаевскийрадиус меньше характерных размеров ионизованного объекта, среду принято называть плазмой. Если приложить к плазменному объекту внешнее поле, то оно будет проникать внутрь на глубину лишь порядка дебаевского радиуса. Величина его, которая может меняться для разных объектов от микроскопических до космических размеров, приведена на рис. 1 в таблице1.

Таблица 1: Дебаевский радиус rD, см.

Интересно определить также условия, при которых потеря энергии электроном в электрон-атомных столкновениях становятся меньше по сравнению с потерей энергии в кулоновских соударениях с ионами.

где σea πa20, а множитель ξ ≥ 1 зависит от особенностей электронной оболочки атома. Частота электронионных столкновений равна

14

Рис. 2: К определению слабоионизованной плазмы: граница, выше которой электрон-ионные

столкновения в водородной плазме доминируют над электрон-атомными

Плазму можно считать слабоионизованной, если νea/νei > 1. Подставляя (1.1.2) и (1.1.3) и учитывая,

(Рис. 2) в пределах 0.1÷3 эВ (ξ = 1). Зона ниже кривой есть область, где доминируют электрон-атомные столкновения. Естественно, что граница очень условна. В обычном для лабораторной плазмы диапазоне

0.1 ÷ 3 эВ, плазма может считаться слабоионизированной, если степень ионизации ниже 10−3.

Из сказанного выше ясно, почему знания об ионизованном газе, несмотря на трехсотлетнюю историю его исследования, все еще далеки от полноты. Неполная ионизация приводит к большому разнообразию участвующих в процессах частиц (электронов, ионов, атомов, молекул, радикалов и т.п.). С другой стороны температура среды достаточно высока для того, чтобы в ней с большой верояностью протекали реакции, связанные с диссоциацией, перегруппировкой и рекомбинацией молекул и атомов, т.е. реакции обычно называемые химическими. Например, для адекватного описания электрического разряда в воздухе необходимо учитывать более 200 ионно-молекулярных реакций. Эта реакционная активность плазмы, наряду с ее термическим воздействием на поверхности, является основой многих технологических применений, но существенно затрудняет ее исследование. Тем не менее за последние два–три десятилетия работы в области газовых лазеров, МГД-генераторов, мощных СВЧ устройств, высоковольтных разрядников, искровых и стримерных камер привели к экстенсивному развитию исследований процессов в низкотемпературной плазме, в том числе и при давлениях порядка атмосферного.

1.1.2.Некоторые определения и оценки

15

В данном разделе мы рассмотрим некоторые понятия, относящиеся к низкотемпературной плазме (НТП). Напомним, что потенциал в окрестности заряженной частице с учетом дебаевского экранирования равен

Плазму называют идеальной, если потенциальная энергия частиц много меньше их кинетической энергии: U << W , иными словами парные столкновения играют большую роль, чем многочастичные процессы. Найдем условие идеальности плазмы по отношению к столкновениям заряженных частиц между собой. Потенциал вблизи заряженной частицы (1.1.6) есть суперпозиция полей самой (“пробной”) частицы и окружающих ее частиц. Тогда в точке r поле, созданное “средой”, находится вычитанием поля пробной частицы:

Вычислим максимальную плотность, при которой плазму можно считать заведомо идеальной, потребовав, чтобы ND = 10. Из (1.1.7) и (1.1.1) найдем

Здесь уместно вывести еще одно полезное соотношение, связывающее макроскопическую характеристику,

16