16. Ионизованный газ и плазма.
Пла́зма— в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.
Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомовили молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями.
В резком отличии свойств П. от свойствнейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействиечастиц П. между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения иотталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т. е. значительноболее дальнодействующими), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. <По этой причине взаимодействие частиц в П. является, строго говоря, непарным, а коллективным - одновременно взаимодействует друг с другом большоечисло частиц. Во-вторых, электрич. и магн. поля сильно действуют на П.,вызывая появление в ней объёмных зарядов и токов и обусловливая целый рядспецифич. свойств П. Эти отличия позволяют рассматривать П. как особое,"четвёртое" состояние вещества. К важнейшим свойствам П. относится квазинейтральность. <Она соблюдается, если линейные размеры области, занимаемой П., много больше дебаевского радиуса экранирования
е е и е i- заряды электронов и ионов, п е и п i,- электронная и ионная плотности; здесь и ниже используется абсолютная Гаусса система единиц. Следовательно, лишь при выполнении этогоусловия можно говорить о П. как таковой. Электрич. поле отд. частицы вП. экранируется частицами противоположного знака, т. е. практически исчезаетна расстояниях порядка rD от частицы. Величина rD определяети глубину проникновения внеш. электростатич. поля в П. Квазинейтральность может нарушаться вблизи границы П., где более быстрые электроны вылетаютпо инерции за счёт теплового движения на длину ~ rD (рис.1).
Плазма обладает высокой проводимостью. Она пропускает большой ток, так как есть свободные заряды. В плазме возможно управление началом протекания тока.
17. Элементарные процессы в плазме и на пограничных поверхностях.
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.
Ионизация - отрыв части электронов от атомов, который может осуществляться несколькими путями: термическим(термическая ионизация), излучением различных видов и электрическим разрядом. В технологических плазменных устройствах - ионизация в электрических газовых разрядах различного вида. Механизм ионизации в разряде заключается в образовании электронной лавины. Обязательное условие развития лавины - 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 - ионизация электронным ударом
Элементарные процессы (в плазме) — процессы, протекающие в плазме при столкновении атомов, ионов и электронов. К их числу принадлежат: ионизация, рекомбинация, перезарядка, возбуждение, тушение(дезактивация), диссоциация, ассоциация. Элементарные процессы составляют основу теории низкотемпературной плазмы и газового разряда.
Рекомбинация — процесс, обратный ионизации. Состоит в захвате ионом свободного электрона. Рекомбинация приводит к уменьшению заряда иона или к превращению иона в нейтральный атом или молекулу. Возможна также рекомбинация электрона и нейтрального атома (молекулы), приводящая к образованию отрицательного иона, и в более редких случаях — рекомбинация отрицательного иона с образованием двух- или трехкратно заряженного отрицательного иона. Вместо электрона в некоторых случаях могут выступать другие элементарные частицы, например мезоны, создавая мезоатомы или мезомолекулы.
ТУТ СРАЗУ 20 И 18 ВОПРОС.
Основные методы генерации плазмы
Типы газовых разрядов.
Для создания и поддержания низкотемпературной плазмы в технологических плазменных устройствах используют газовый электрический разряд. Если основную ионизацию газа обеспечивают посторонние источники (например, источники ультрафиолетового или рентгеновского излучения) и без них разряд не может существовать, то его называют несамостоятельным. Как правило, в технологических устройствах электронной техники применяется самостоятельный разряд. В этом случае процесс поддерживается внутренними источниками ионизации (например, столкновением электронов с молекулами и атомами внешнего газа, процессами на катоде и т.п.).
Для перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный и обеспечения лавинного пробоя требуется начальная концентрация электронов , которая может быть получена за счет либо впрыска электронов (так называемый поджиг разряда), либо остаточной ионизации. Поджиг разряда обычно обеспечивается каким-либо вспомогательным устройством, действующим в течение начального короткого промежутка времени. Остаточная ионизация - следствие естественных процессов в газовой среде.
Электрические разряды в газах, в результате которых образуется газоразрядная плазма, могут протекать различно в зависимости от условий и выбранных параметров (давление, состав газа, вкладываемая мощность, напряженность и частота электрического поля, сила тока, наличие и характеристики магнитных и электромагнитных полей, материал и состояние электродов и т.д.). При разных формах разряда вклад тех или иных элементарных процессов может быть совершенно различен. Разнообразен также и механизм пробоя газа, а существование разряда может поддерживаться не только при непосредственно контакте плазмы с электродами (электродный разряд), но и в отсутствие такого контакта (безэлектродный).
Можно выделить четыре типа газовых разрядов:
1) тлеющий;
2) дуговой;
3) искровой;
4) высокочастотный.
Тле́ющий разря́д — один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд.В отличие от нестационарных (импульсных) электрических разрядов в газах, основные характеристики тлеющего разряда остаются относительно стабильными во времени.
Типичным примером тлеющего разряда, знакомым большинству людей, является свечение неоновой лампы.Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжением несколько тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остаётся тёмным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе — малинового цвета, в других газах — других цветов), соединяющего оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество.
Дуговой разряд является частным случаем четвёртой формы состояния вещества —плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом: При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и пр. Зачастую, для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.
Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения, в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для того, чтобы напряжение пробоя (или сопротивление воздушного промежутка) в этом месте значительно упало. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Эта дуга является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается ещё больше нагревая дугу до 5000–50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён.
Искровой разряд, искра, одна из форм электрического разряда в газах; возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом — "треском" искры. В природных условиях И. р. наиболее часто наблюдается в виде молнии. И. р. в собственном смысле этого термина происходит, если мощность питающего его источника энергии недостаточна для поддержания стационарногодугового разряда или тлеющего разряда.В этом случае одновременно с резким возрастанием разрядного тока напряжение на разрядном промежутке в течение очень короткого времени (от несколько мксек до нескольких сотен мксек) падает ниже напряжения погасания И. р., что приводит к прекращению разряда. Затем разность потенциалов между электродами вновь растет, достигает напряжения зажигания И. р. и процесс повторяется. В других случаях, когда мощность источника энергии достаточно велика, также наблюдается вся совокупность явлений, характерных для И. р., но они являются лишь переходным процессом, ведущим к установлению разряда другого типа — чаще всего дугового.
Коро́нный разря́д — это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка.
Возникает при сравнительно высоких давлениях (порядка атмосферного) в сильно неоднородном электрическом поле. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности(острия, тонкие провода). Когда напряжённость поля достигает предельного значения для воздуха (около 30кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны (отсюда название).
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД - электрический разряд в газах под действием электрич. ВЧ-поля. В. р. может возникать при расположении электродов как внутри разрядной трубки, так и вне её (безэлектродный разряд ),а также при фокусировке эл.- магн. излучения в свободном газе, в частности в атмосфере (сверхвысокочастотный разряд и оптические разряды ).Осн. физ. процессы и особенности В. р.: под действием электрич. ВЧ-поля электроны приобретают большие энергии и оказываются способны эффективно ионизировать при соударениях атомы или молекулы газа (см. Ионизация); потери электронов из газоразрядной плазмы В. р. происходят за счёт объёмной рекомбинации, "прилипания" к молекулам и диффузии; распределение электронов по энергиям может иметь сложный характер, существенно отличающийся от Максвелла распределения; процессы на граничных поверхностях при В. р. менее существенны, чем при разряде в пост. электрич. поле. Амплитуда ВЧ-поля, необходимого для возникновения В. р., увеличивается с ростом давления газа и частоты поля. Погасание разряда происходит при существенно более слабых полях, зависящих от условий рекомбинации и диффузии. Область существования В. р. в зависимости от амплитуды и частоты электрич. поля имеет гистерезисный характер. При больших давлениях газа (близких к атмосферному) В. р. между двумя электродами наз. высокочастотной короной, а при достаточной мощности источника он переходит в высокочастотную дугу. При низких давлениях режим В. р. близок режиму положит. столба тлеющего разряда.