Ионизация тяжелыми частицами и тройная рекомбинация

В низкотемпературной плазме ионизация атома из основного состояния по схеме (6.31) маловероятна из-за малой относительной скорости сталкивающихся частиц. Нетрудно оценить, что при характерных для низкотемпературной плазмы скоростях сталкивающихся частиц параметр . Следовательно, критерий адиабатичности Месси выполняется с большим запасом. Вероятность ионизации становится заметной, когда параметр Месси . Поскольку _с ~ M^-1, это происходит только при больших энергиях сталкивающихся частиц. Сечение ионизации при столкновении тяжелых частиц, хотя бы одна из которых находится в возбужденном состоянии гораздо выше, но таких частиц относительно немного в плазме. Таким образом, внизкотемпературной плазме ионизацией тяжелыми частицами обычно можно пренебречь. Вспомнив о константе равновесия, на основании вышеизложенного можно сделать заключение, что равновесие в реакции (6.31) сдвинуто влево. Это означает, что обратная реакция, рекомбнация с участием двух тяжелых частиц и электрона, должна быть весьма эффективной. Скорость рекомбинации, при которой избыточную энергию уносит тяжелая частица (трехчастичная рекомбинация), можно оценить по формуле Томсона. Теперь

,

и кинетическое уравнение имеет вид

. (6.32) Коэффициент трехчастичной рекомбинации

(6.33) также уменьшается с ростом температуры, но уже несколько медленнее, чем при ударной рекомбинации, а именно как Т ^-5/2. Сравнивая _еn_e и _an_a [см³/с], видно, что ударная рекомбинация в частично ионизованной плазме преобладает, если

, т.е. при достаточно низкой степени ионизации.

Пенинговская ионизация

Еще одним механизмом ионизации при столкновении тяжелых частиц является пенинговская ионизация. Она происходит в том случае, если плазма содержит атомы разных элементов, один из которых имеет возбужденные состояния с энергией возбуждения, превышающей потенциал ионизации атома другого сорта. Эта реакция

A_k + B  A + B⁺ + e (6.34) не требует участие третьей частицы, поскольку исбыточная энергия переходит в кинетическую реакцию продуктов и, следовательно, является безпороговой. Очевидным условием для протекания реакции является условие

I_A – (_k)_A > I_B, (6.35) где – энергия связи электрона в возбужденном атоме (_k)_A, а I_Х – потенциал ионизации соответствующего атома. Скорость такой реакции весьма высока для резонансно возбужденных атомов, однако конкуренция со стороны оптического перехода обычно снижает ее роль и основной становится ионизация за счет других механизмов. Ситуация в корне меняется, если в плазме появляются атомы в долгоживущих метастабильных состояниях. Тогда пенинговская ионизация (6.33) может стать преобладающим механизмом. Особенно существенную роль она играет в плазме благородных газов, энергия метастабильных уровней которых (19.8 эВ для Не(2³S) и 16.6 эВ для Ne(³P₂)) превышает потенциалы ионизации большинства элементов. Сечение пенинговской ионизации имеет порядок величины _Pi ~ 10^-16 – 10^-15 см², что сравнимо с газокинетическим сечением.

Обратный процесс можно условно назвать пенинговской рекомбинацией. Это процесс имеет большой порог реакции I_A – (_k)_A – I_B и, следовательно, весьма маловероятен. В условиях, когда ионизация происходи по пенинговскому механизму, в качестве обратного процесса при распаде плазмы более вероятна трехчастичная рекомбинация. В этом утверждении нет противоречия принципу детального равновесия, так как речь идет о нестационарных процессах.