Раздел 4. Взаимодейсвие плазмы с поверхностью.

4.1. Общие представления и терминология физики плазмы.

Понятие о плазменном состоянии вещества.

В любом газе при существует некоторое количество заряженных частиц. Однако на свойства газа заряженные частицы начинают влиять только при их достаточно большой концентрации. (Вещество (газ) переходит в плазменное состояние).

Плазменное состояние (плазма) характеризуется следующими основными параметрами:

- – температура, как мера энергии теплового движения. Температуры разных частиц могут быть различны .

- – плотность (концентрация) частиц ,где .

- – давление частиц в плазме. .

- – степень ионизации. Ионы, атомы, молекулы – тяжелые частицы. В предельном случае .

- функция распределения частиц по скоростям или по кинетической энергии.

- функция распределения тяжелых частиц по энергетическим состояниям.

Определение плазмы.

Плазма – это совокупность движущихся нейтральных и заряженных частиц, для которых выполняются условия:

1. где - линейный размер системы заряженных частиц(плазмы),

, где - индекс заряженных частиц (электроны, ионы) Физический смысл это радиус шара, в пределах которого происходит полная компенсация зарядов всех частиц.

3. Для любых объёмов плазма квазинейтральна

4. Для любых промежутков времени плазма квазинейтральна. , - тепловая скорость частиц сорта .

Эти два условия означают квазинейтральность, т.е. нейтральность для достаточно больших объёмов плазмы и за достаточно большой промежуток времени.

4.2. Элементарные процессы в низкотемпературной плазме.

Упругие и неупругие удары (столкновения) частиц.

При упругом соударении частиц происходит обмен импульсом и кинетической энергией. При неупругом ударе меняется внутренняя энергия одной (или двух) частиц.

Упругие и неупругие взаимодействия в плазме.

а) рассеяние электронов на нейтралах (аналогично движению электронов внутри твёрдого тела).

Максимальное сечение (вероятность элементарного процесса) лежит в интервале при , где энергия электрона.

В результате рассеяния на нейтралах электрон теряет очень маленькую долю своей энергии.

б) ион-атомные упругие столкновения.

Сечение этого процесса ( ) и резко возрастает при столкновении иона и атома одного химического элемента. Это объясняется эффектом перезарядки

в) Кулоновские столкновения (столкновения заряженных частиц).

При степенях ионизации эти столкновения становятся определяющими.

В равновесной плазме:

- длины свободного пробега частиц равны. Частоты столкновений т.е. чаще всего происходят электрон-электронные столкновения, и меньше всего происходят ион-ионные.

г) неупругие столкновения с участием электрона.

- возбуждение (тушение) уровней. Медленные электроны эффективно теряют энергию на возбуждение колебательных (зазор между уровнями эВ) и вращательных уровней (зазор между уровнями ).

-диссоциация (ассоциация) молекул на атомы и радикалы. , - возбуждённая молекула, - составные части молекулы.

Вероятность диссоциации из основного состояния намного меньше чем из возбуждённого. Причина – кратковременность воздействия, в течение которого атомы (радикалы) не успевают получить необходимого для разлёта количества движения.

Диссоциация идёт двухступенчатым путём, через возбуждение электронных или электронно-колебательных состояний. . Обратный процесс диссоциации – ассоциация.

Ионизация атомов и молекул – это главный процесс генерации зарядов. При ионизации атом (молекулу) покидает наименее связанный, то есть обладающий минимальной потенциальной энергией электрон. . Обратный процесс ионизации – тройная рекомбинация. В твёрдом теле основной процесс – двойная рекомбинация, так как третяя частица – это связанный ион. В плазме необходима третья частица.

Третьей частицей процесса рекомбинации может быть электрон, атом, молекула:

, ,

В условиях электрических разрядов ( эВ) вероятность трёхчастичной рекомбинации значительно меньше вероятности тройной рекомбинации, так как .

При наличии в плазме молекулярных ионов, может оказаться существенной диссоциативная рекомбинация. . (Обратный процесс – ассоциативная ионизация). Здесь третья частица образуется в процессе рекомбинации. Вероятность диссоциативной рекомбинации больше вероятности тройной рекомбинации. Процесс 4 является мощным источником возбуждённых атомов и радикалов, что определяет во многом эффективность плазмохимических процессов.

д) Неупругие столкновения с участием только тяжёлых частиц.

Сечение этого процесса намного меньше чем сечение в процессе с участием электронов.

Возбуждение (тушение) . Вероятность неупругого превращения при атом-атомном (-ионном) столкновении значительно только если их относительная скорость приблизительно равна скорости электрона в атоме ( см/с), что соответствует энергии частиц десятки - сотни эВ (1 эВ 11000 ).