
Глава 10
Физические основы плазменного оборудования
§ 10.1. Основные понятия и характеристики низкотемпературной плазмы
Плазмой, в отличие от потоков ионов или электронов, называют частично (слабо) ионизированный, в целом электронейтральный объем газа, содержащий примерно равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц.
Более строгое определение плазмы
Плазма - это система заряженных и нейтральных частиц с полным зарядом, равным нулю, у которой пространственный масштаб разделения зарядов существенно меньше ее размеров.
К низкотемпературной относят плазму со среднемассовой температурой газа от комнатной до равной примерно 5104 К. Низкотемпературная плазма может быть термической, т.е. оказывающей тепловое воздействие на вещество, и холодной, т.е. не оказывающей такого воздействия.
Характеристика плазмы - температура
Температура T - эквивалент энергии W (единица энергии в плазме - один электрон-вольт, равный 11600 К). В плазме как в системе разнородных частиц, имеющих различный заряд и массу, чаще всего помещенной во внешние электрические и магнитные поля, энергия этих частиц существенно различается: температура электронов Te > Ti > Tn, где Ti - температура ионов, а Tn - температура нейтральных частиц.
Масса электрона значительно меньше массы иона. Энергия частиц в плазме приобретается за счет увеличения энергии электрона при его движениях во внешних полях и передается другим частицам в результате процессов столкновения. Обычно Te >> Ti > Tn. Такая плазма называется неравновесной. Холодная низкотемпературная плазма чаще всего существенно неравновесна и образуется в условиях пониженного давления, когда длина свободного пробега частицы достаточно велика, чтобы на этом пути электрон приобрел значительную энергию (Te104 К).
Термическая низкотемпературная плазма существует, как правило, в условиях нормального атмосферного или повышенного давления, когда длина свободного пробега достаточно мала, количество актов столкновения в плазме резко возрастает и энергии частиц за счет этого почти выравниваются. Однако в этом случае должны существовать внешние условия, которые быстро компенсируют потери энергии при столкновениях, т.е. эффективность передачи энергии от внешнего источника должна быть очень велика. Обычно и величина передаваемой энергии должна быть значительна (порядка нескольких киловатт и выше). Тогда устанавливается соотношение Te Ti Tn , и плазма может называться квазиравновесной или равновесной. Бессмысленно говорить о температуре плазмы в целом. Необходимо всегда указывать температуру всех ее компонентов.
При оценке характеристик плазмы необходимо учитывать такие понятия, как концентрация заряженных или нейтральных активных частиц, а также степень ионизации плазмы.
Ионизация в плазме
И
Рис.10.1.
Если
обозначить концентрацию электронов
или ионов в единице объема ne
или ni, а концентрацию
частиц газа при соответствующих условиях
nr , то степень ионизации
плазмы можно охарактеризовать
соотношением
или
.
Обычно степень ионизации низкотемпературной
плазмы составляет величину долей
процента при концентрации электронов
[см-3].
Элементарные процессы в плазме
Перечень элементарных процессов в плазме не ограничивается процессом ионизации. Помимо него в плазме постоянно происходят процесс рекомбинации, сопровождаемый излучением, процесс упругих соударений с обменом энергией, процессы перезарядки, а также диссоциации молекул на атомы без ионизации. Динамическое равновесие большинства этих процессов можно оценить при введении следующих понятий:
- частота столкновения частиц в плазме;
- сечение столкновений;
- вероятность столкновительного процесса.
Сечением столкновений , имеющим размерность площади, называют эффективную геометрическую площадь препятствия, которым оказывается частица-мишень для пучка падающих на нее частиц; зависит от типа столкновений, относительной скорости частиц, типа взаимодействующих частиц. В теории плазмы имеют особое значение сечение ионизации i и сечение упругих столкновений "электрон-атом" с передачей импульса m, которые связаны соотношением
,
где
- вероятность ионизации или функция
ионизации, зависящая от энергии
электрона. По сути дела,
представляет собой число благоприятных
для ионизации соударений по отношению
к их общему числу. Для различных газов
различна (рис.10.2) и может быть представлена
в виде зависимости
,
Рис.10.2.
где i - потенциал ионизации, эВ; A, B - константы, зависящие от рода газа. Потенциалы ионизации некоторых газов приведены в табл.10.1.
Таблица 10.1
Газ |
H |
N |
O |
F |
Cl |
Ar |
i, эВ |
13,6 |
14,6 |
13,6 |
17,4 |
13,0 |
15,8 |
§ 10.2. Оценка величины концентрации электронов ne
Концентрация электронов - основная характеристика плазмы
Используя приведенные понятия и закономерности, можно получить представление о такой важной характеристике плазмы, как концентрация электронов ne. Для этого необходимо рассмотреть для каждого конкретного случая баланс этой величины (прирост и убыль). Приращение dne за время d можно оценить из выражения
,
где ve - скорость электронов, м/с.
В большинстве плазменных технологических устройств используются многоатомные газы, и одним из результатов столкновительных процессов с их молекулами является диссоциация. В конечном счете именно этот процесс ответствен за многие физико-химические превращения, используемые в различных технологических задачах.
Скорость диссоциации
Для оценок скоростей образования активных частиц, участвующих в физико-химических процессах в плазме и на поверхности образцов, помещенных в плазму, полезно оценить скорость диссоциации. Скорость диссоциации молекул некоторых сложных веществ v можно определять из соотношения, вытекающего из предыдущей формулы:
,
где
Wд
- пороговая энергия диссоциации молекул
газа, эВ; f(We)
- функция распределения электронов по
энергиям;
- вероятность диссоциации, зависящая
от рода газа и энергии электрона и
определяемая через сечение диссоциации
д
как
где A, B - константы, зависящие от рода газа.
§ 10.3. Функция распределения электронов по энергиям
Об энергии электронов в плазме
В плазме электроны могут получать различные энергии, однако устанавливается какое-то динамическое равновесие. В первом приближении оно может быть описано распределением Максвелла (рис.10.3). Однако в конкретных случаях оно может отличаться от распределения Максвелла и зависеть от внешних условий, причем существенно от наличия и характеристик внешних электромагнитных, электрических и магнитных полей.
Из
рис.10.3 видно, что электроны, имеющие
энергию We
< Wд,
фактически не участвуют в процессах
диссоциации и образования активных
частиц. Отсюда следует, что для
эффективности процессов в плазме
необходимо либо добиваться сдвига
максимума функции распределения
электронов по энергиям (ФРЭЭ) вправо,
либо уменьшать пороговую энергию
диссоциации Wд
и увеличивать вероятность диссоциации
выбросом
конкретных химических соединений.
Ч
Рис.10.3.
Величина e в приведенной зависимости для скорости диссоциации представляет собой частоту столкновений электрона с атомом или молекулой и может быть вычислена из выражения
,
где ve и le - скорость и длина свободного пробега электрона.
Скорость ve однозначно связана с кинетической энергией:
,
а le определяется длиной свободного пробега молекулы газа lг при соответствующих условиях:
.
Величина lг для каждого рода газа при определенном давлении может быть рассчитана из молекулярно-кинетической теории газов.
Общие контрольные вопросы к главе 10
1. Чем различаются понятия "высокотемпературная" и "термическая" плазма, "низкотемпературная" и "холодная" плазма?
2. Можно ли считать равновесной плазму, в которой существенно различаются температуры ионов и электронов?
3. Каковы основные механизмы ионизации в газовых разрядах?
4. Чем различаются понятия "сечение ионизации" и "вероятность ионизации"?
5. Каковы размерности таких величин, как "концентрация электронов", "скорость диссоциации" и "средняя скорость электронов в плазме"?