1.1.3 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).

И онизация 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.

Т

Рисунок 1.5 – Образование электронной лавины

ак 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)

г де А, B – атом или молекула в ионизованном (+, -) или нейтральном (0) состоянии.

Рисунок 1.6 – а) Тройная столкновительная рекомбинация.

Избыток энергии передается одному из сталкивающихся электронов;

б) Излучательная рекомбинация (фоторекомбинация).

Избыток энергии уносится с квантом излучения

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.