ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Ю.Д. Королёв ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ И КИНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Издательство Томского политехнического университета 2008 УДК 537.52 ББК 22.365 K68 Королёв Ю.Д. <...> K68 Элементарные и кинетические процессы в газоразрядной плазме: учебное пособие / Ю.Д. Королёв; Томский политехнический университет – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. <...> ISBN В пособии изложены основные сведения по элементарным процессам, в результате которых происходит возникновение и гибель заряженных и возбужденных частиц в плазме, а также по явлениям переноса в низкотемпературной слабоионизованной плазме (дрейфовое и диффузионное движения). <...> Дрейфовое и диффузионное движение заряженных частиц в газоразрядной плазме . <...> Проводимость слабоионизованной и полностью ионизованной плазмы . <...> Ионизация и возбуждение частиц в газоразрядной плазме . <...> Ионизация при соударении нейтральных частиц с электронами. <...> Ионизация при столкновении быстрых тяжелых частиц . <...> Процессы с участием трех частиц Ионно-молекулярные реакции . <...> Рекомбинация электронов и ионов в плазме . <...> Виды процессов прилипания электронов к нейтральным частицам и распада отрицательных ионов . <...> Распад плазмы при наличии в газе электроотрицательной примеси. <...> Различные виды взаимодействия можно разделить на две большие группы: упругие и неупругие взаимодействия. <...> Классификацию различных видов рекомбинации и названия различных видов реакций рекомбинации обычно связывают с каналом, по которому происходит выделение энергии (диссоциативная рекомбинация, фоторекомбинация и т. д.) <...> В данном случае часть кинетической энергии первичного электрона переходит в потенциальную энергию возбуждения <...>
Элементарные_и_кинетические_процессы_в_газоразрядной_плазме.pdf
УДК 537.52
ББК 22.365
K68
Королёв Ю.Д.
K68
Элементарные и кинетические процессы в газоразрядной
плазме: учебное пособие / Ю.Д. Королёв; Томский политехнический
университет – Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2008. – 128 с.
ISBN
В пособии изложены основные сведения по элементарным процессам,
в результате которых происходит возникновение и гибель заряженных
и возбужденных частиц в плазме, а также по явлениям переноса в
низкотемпературной слабоионизованной плазме (дрейфовое и диффузионное
движения). Наряду со сведениями, позволяющими понять физическую
сущность разного типа реакций в плазме, приведены также экспериментальные
данные по основным сечениям и константам процессов.
Разработано в рамках реализации Инновационной образовательной
программы ТПУ по направлению «Энергосберегающие, базовые специальные
и промышленные электроразрядные, радиационные и плазменнопучковые
технологии». Предназначено для обучения магистров кафедры
сильноточная электроника по курсам «Физика газового разряда» и «Физика
низкотемпературной плазмы». Кроме того, книга полезна и для научных
работников, инженеров-исследователей и аспирантов, специализирующихся
в области физики газового разряда и его технических применений.
УДК 537.52
ББК 22.365
Рецензенты
Доктор физико-математический наук, профессор ТГУ
А.В. Козырев
Доктор физико-математический наук, профессор ТУСУР
Е.М. Окс
ISBN
© ГОУ ВПО «Томский политехнический
университет», 2009
© Королев Ю.Д., 2009
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2009
2
Стр.2
Оглавление
1. Вводные понятия ........................................................................................6
1.1. Элементарные процессы. Закон сохранения энергии для
элементарных процессов ....................................................................6
1.2. Эффективное сечение столкновений при элементарных
процессах..............................................................................................9
1.3. Частота столкновений .......................................................................10
1.4. Средняя длина свободного пробега.................................................12
1.5. Скорости протекания элементарных процессов в плазме
Константы скорости процесса .........................................................13
1.5.1. Скорость и константа двухчастичного процесса ....................13
1.5.2. Скорость и константа трехчастичного (тройного) процесса .15
1.6. Принцип детального равновесия......................................................15
1.7. Функция распределение частиц в плазме по скоростям и по
энергиям .............................................................................................16
1.7.1. Распределение частиц по скоростям ........................................16
1.7.2. Функция распределения частиц по энергиям..........................20
1.7.3. Особенности формирования функции распределения
электронов по скоростям в газоразрядной плазме..................21
2. Упругое взаимодействие электрона с атомами и ионами ...................25
2.1. Дифференциальное сечение упругих взаимодействий Полное
сечение. Транспортное сечение .......................................................25
2.2. Упругое столкновение электрона с атомом или молекулой
Модель упругих шаров .....................................................................27
2.3. Упругое столкновение электронов с атомами Эффект Рамзауэра
.............................................................................................................30
2.4. Движение электрона в сферически симметричном поле
(Упругое взаимодействие электрона с ионом)...............................34
3. Дрейфовое и диффузионное движение заряженных частиц
в газоразрядной плазме ............................................................................37
3.1. Понятие скорости дрейфа и подвижности......................................37
3.2. Упрощенный вывод зависимости скорости дрейфа от
электрического поля. Проводимость слабоионизованной и
полностью ионизованной плазмы ...................................................38
3.3. Уравнение подвижности для высоких электрических полей .......41
3.4. Аномалии в зависимости скорости дрейфа электронов от
электрического поля..........................................................................43
3.5. Эффект непрерывного ускорения электронов в газе .....................45
3.6. Дрейфовые скорости и подвижности ионов...................................48
3
Стр.3
3.7. Диффузионное движение электронов и ионов...............................49
3.7.1. Диффузия заряженных частиц одного знака ...........................49
3.7.2. Двухполярная (амбиполярная) диффузия....................................51
4. Ионизация и возбуждение частиц в газоразрядной плазме ................53
4.1. Элементарные процессы, вызывающие ионизацию
и возбуждение....................................................................................53
4.2. Ионизация при соударении нейтральных частиц с электронами.55
4.2.1. Сечение и константа ионизации из основного состояния...........55
4.2.2. Ступенчатая ионизация..............................................................58
4.3. Ионизация при столкновении быстрых тяжелых частиц ..............60
4.4. Сечение и константа возбуждения атома электронным ударом ..63
5. Ионизация и возбуждение в плазме. Разрушение возбужденных
состояний...................................................................................................65
5.1. Удары второго рода. Общее определение.......................................65
5.2. Метастабильные и резонансные уровни энергии атомов
и молекул.............................................................................................65
5.3. Тушение возбужденных атомов и молекул при соударении с
электронами .......................................................................................68
5.4. Тушение возбужденных частиц при соударениях с атомами и
молекулами ........................................................................................71
5.4.1. Передача возбуждения атому или молекуле ...........................71
5.4.2. Ионизация в сверхупругих столкновениях. Эффект
Пеннинга......................................................................................73
5.5. Перезарядка ........................................................................................75
5.6. Фотоионизация...................................................................................77
6. Процессы с участием трех частиц Ионно-молекулярные реакции .....78
6.1. Общие замечания...............................................................................78
6.2. Формула Томсона для константы тройного процесса...................79
6.3. Конверсия атомарных ионов в молекулярные ...............................80
6.4. Образование возбужденных молекул
при тройных соударениях ................................................................82
6.5. Процессы, протекающие через образование долгоживущего
состояния............................................................................................83
6.6. Механизмы ионно-молекулярных реакций ....................................86
7. Рекомбинация электронов и ионов в плазме .........................................91
7.1. Виды процессов рекомбинации .......................................................91
7.2. Понятие интенсивно рекомбинирующей или переохлажденной
плазмы ................................................................................................91
7.3. Радиационная рекомбинация............................................................95
7.4. Рекомбинация через образование автоионизационного состояния.96
7.4.1. Диэлектронная рекомбинация...................................................96
4
Стр.4
7.4.2. Диссоциативная рекомбинация.................................................97
7.5. Тройная рекомбинация электронов и ионов.................................100
8. Отрицательные ионы в низкотемпературной слабоионизованной
плазме.......................................................................................................105
8.1. Энергии сродства атомов и молекул к электрону........................105
8.2. Виды процессов прилипания электронов к нейтральным
частицам и распада отрицательных ионов ...................................106
8.2.1. Терминология............................................................................106
8.2.2. Радиационное прилипание электрона к атому
или молекуле.............................................................................106
8.2.4. Образование отрицательных ионов при тройных
столкновениях с молекулами ..................................................109
8.2.5. Прилипание электронов к сложным молекулам ...................110
8.3. Рекомбинация положительных и отрицательных ионов.............111
8.4. Распад плазмы при наличии в газе электроотрицательной
примеси.............................................................................................112
Список литературы.....................................................................................115
5
Стр.5