- •Процессы, рассматриваемые в вакуумной и плазменной электронике
- •Плазменная электроника
- •10 ‑ Плазменный фокус,
- •Параметры и свойства плазмы.
- •Параметры частиц.
- •Свойства плазмы.
- •Харакстеристики плазмы. Характеристика плазмы – взаимосвязь параметров – свойство характеризующее плазму (вах, изменение Nчастиц в объеме плазмы и т.Д.) Отличие плазмы от ионизованного газа.
- •Факторы отличия плазмы от ионизованного газа.
- •Квазинейтральность плазмы
- •Идеальность плазмы.
- •Движение и столкновение частиц.
- •Модель Томсона столкновения частиц.
- •1. Численный критерий: – сильноионизированная плазма, – слабоионизированная плазма.
- •Термодинамическое равновесие плазмы.
Харакстеристики плазмы. Характеристика плазмы – взаимосвязь параметров – свойство характеризующее плазму (вах, изменение Nчастиц в объеме плазмы и т.Д.) Отличие плазмы от ионизованного газа.
Взаимодействие - воздействие частиц друг на друга, приводящее к изменению их внутреннего состояния (строение, энергия) и их движения. Мера взаимодействия – потенциальная и кинетическая энергия.
Виды взаимодействия: гравитационное, слабое (между частицами), электромагнитное, сильное (между ядерное).
Взаимодействие - потенциальное и кинетическое.
Близкодействие: кинетическое, слабое.
Дальнодействие: гравитационное, электромагнитное, сильное.
Потенциальное – дальнодействующее электромагнитное (кулоновское) притяжение и отталкивание зарядов. Мера - Eп=q2/r=q2/N1/3
Кинетическое - близкодействующее, между движущимися частицами.
Мера ; ; ; ;
Здесь q - заряд частицы (кратной заряду электрона),
r - среднее расстояние между частицами, V – скорости движения частицы
Ne,i - концентрация частиц в объёме плазмы, А – атомный вес вещества
k - постоянная Больцмана, me,I,a – масса частицы,
Te,i,a - температура плазмы (частиц плазмы).
Факторы отличия плазмы от ионизованного газа.
1. Кулоновское взаимодействие заряженных частиц более существенное и дальнодействующее, чем кинетическое. По этой причине взаимодействие частиц в плазме является не «парным» (одна частица взаимодействует с другой частицей), а «коллективным» - одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц.
2. Из-за различия в скорости движения и массе электронов и тяжелых частиц (ионов, атомов) распределение их в плазме неоднородно, следствием чего является появление объемных токов.
3. Коллективное кулоновское взаимодействие и неоднородное распределение частиц приводит к разделению зарядов, следствием чего является появление объемных зарядов. При этом важнейшим (определяющим) условием является равенство нулю полного заряда плазмы.
Пространственный масштаб разделения зарядов означает, что существует размер плазмы X=D, в котором происходит разделение зарядов. Он определяется из равенства сил кулоновского и кинетического взаимодействия:
При полном разделении зарядов
Тогда
Т.к , то ,
где k - постоянная Больцмана; Т, е, N - температура, заряд и концентрация частиц.
Временной масштаб означает время t=tD , за которое частица, движущаяся со средней тепловой скоростью V, пройдет расстояние D: .
Нарушение пространственно-временного масштаба ( X ≠ D, tплазмы<tD ) означает, что не произойдет коллективного взаимодействия, возникает неустойчивость плазмы (ток, колебания) и она перейдет в состояние обычного газа.
Квазинейтральность плазмы
Изменение Eп частицы при проникновении её в плазму описывается уравнением Пуассона:
(1)
где φ ‑ потенциал поля заряженной частицы, Ni – концентрация ионов, Ne ‑ концентрация электронов.
Согласно формуле Больцмана концентрации электронов и ионов:
(2)
где N0 ‑ средняя плотность заряженных частиц в квазинейтральной плазме (где Ni=Ne), k ‑ постоянная Больцмана, Т ‑ температура плазмы.
Подставляя выражения (2) в уравнение Пуансона (1), получим:
(3)
Считая, приведем (3) к виду: ,
где (4)
Величина rD называется радиусом Дебая – Гюккеля для равновесной плазмы
Радиус Дебая‑Гюккеля определяет расстояние, на котором происходит уменьшение потенциала (рис.2), проникающего в плазму заряда, или поля ЕП этого заряда , где х ‑ координата заряда по оси, перпендикулярной границе плазмы.
В неравновесной плазме выражение для радиуса Дебая – Гюккеля будет иметь вид:
(5)
Если в плазме имеются многозарядные ионы, то
Таким образом, радиус Дебая ‑ Гюккеля характеризует размер объема плазмы, в котором выполняется условие квазинейтральности и экранируется внешнее воздействие.
Рис. 2 Распределение потенциала в плазме. |
Рис. 3. Распределение концентрации частиц в плазме. |
. Отношение концентраций частиц в центре сферы (Nr) и в пристеночном слое (Nl): , где L – толщена слоя, μ – подвижность частицы, m – масса частицы, T – температура частицы.
Квазинейтральность – «почти нейтральность» - общая временная и пространственная характеристика плазмы, равенство число положительных и отрицательных частиц. Если по любой причине равенство нарушается (к примеру, электрон или ион «исчезают» при контакте с окружающей средой) это приводит к возникновению электрического поля и потоков частиц плазмы восстанавливающих равенство
Окружающая среда
Кл
Рис. 4. Взаимодействие электрона плазмы и иона окружающей среды
q = eΔNe - плотность объёмного заряда.
ΔNe - изменение числа электронов.
EП = 1,8 10-6 ΔNe x
Пример: воздуха при
При полной ионизации .
На расстоянии , ΔNe = 1%=5 1017см-3
Тогда
Выводы |
|