Элементарные процессы в низкотемпературной плазме.

Неупругие столкновения.

Различают неупругие столкновения 1-ого и 2-ого рода.

При столкновении 1-ого рода кинетическая энергия частиц частично превращается в др. вид энергии и добавляется к внутренней энергии частиц, с которой произошел удар. Такие столкновения вызывают возбуждения атомов, переход в метастабильное состояние и ионизацию.

Столкновения 2-ого рода приводят к уменьшению внутренней энергии одной или обеих частиц, при этом кинетическая энергия перераспределяется между частицами в процессе стабилизации или рекомбинации. Т.к. масса электрона существенно меньше масса атома, то при неупругом столкновении электрон теряет энергию и передает ее атому, формируется ион, т.е. происходит термическая ионизация.

В некоторых газах, напр.Н₂, СО, электрон может присоединиться к нейтральным частицам и формировать отрицательно заряженный ион.

Рекомбинация

В общем случае рекомбинация состоит в нейтрализации иона и сопровождается выделением энергии. Рекомбинация происходит в тех случаях, когда обеспечен отвод этой энергии.

По локализованности разделяют объемную и поверхностную рекомбинацию.

1. Вероятность объемной рекомбинации невелика. Если она происходит, то выделяется энергия:

W_i – энергия иона,

U_i – потенциал иона.

Квантовая энергия передается другой частицы. Коэффициент рекомбинации иона можно записать в виде:

, l_i ~1/p.

l_i – длина свободного пробега иона,

r _i – коэффициент рекомбинации иона,

m_i – масса иона.

(зависимость коэфф-та рекомб от давления)

Левая ветвь зависимости характеризует движение ионов в пристеночном слое. Правая – связана с дрейфом при высоком давлении.

2. Поверхностная рекомбинация происходит следующим образом: электроны оседают на поверхности и сообщают ей отрицательный заряд. Ионы приближаясь к ней рекомбинируются, образуются нейтральные атомы. Атомы могут объединяться в молекулы и возвращаться в объем.

Равновесие между процессами образования и нейтрализации ионов

Прямой процесс ионизации может происходить при соударении электрона с атомом и можно записать следующее соотношение:

А⁰+ ē →А⁺+2 ē (реакция ионизации)

А⁺+2 ē → А⁰+ ē (реакция нейтрализации)

Скорости ионизации и нейтрализации:

U_i=k_i·n_а·n_e

U_p=k_p·n_i·n_e²

k – константа скорости реакции, зависящая от Т,

n – заряды.

Если Т принять одинаковыми по всему разрядному промежутку, то U_i= U_p

.

k – константа равновесия м/д процессами ионизации и рекомбинации.

Процессы ионизации, рекомбинации могут происходить под действием излучения:

А⁰+ →А⁺+ē

А⁺+ ē → А⁰+ .

Тогда скорости реакции равны:

U’_i=k’_i·n_а·J

U’_p=k’_p·n_i·n_e

J – интенсивность излучения или число квантов поглощаемых или излучаемых за 1 сек. в 1 м³ газа, зависит от Т.

При одинаковых Т:

U’_i= U’_p, .

При термодинамическом равновесии степень термической ионизации можно выразить через формулу Саха:

, .

р – давление, Т – абсолютная т-ра поверхности твёрдого тела, U_i – ионизационный потенциал, a и b – константы, зависящие от используемого газа.

Ф-ла описывает идеализированные случаи, когда газ не содержит воду, не учитывается переход атомов в метастабильное состояние, не учитывается взаимодействия со стенками.

Ф-ла применима для слабо ионизированного газа, т.е. когда α «1, например, в столбе дуги.