ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ПЛАЗМА Плазма делится на высокотемпературную и

ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ПЛАЗМА

Плазма делится на высокотемпературную и низкотемпературную. Высокотемпературная плазма – это сотни тысяч и миллионы градусов (плазма звезд и т. д. Низкотемпературной является плазма с температурой от сотен до десяти тысяч градусов. Низкотемпературная плазма в свою очередь делится на изотермическую и неизотермическую.

Изотермической плазме отвечает ионизированный газ при высокой температуре, когда энергии всех составляющих плазму частиц равны и все процессы обмена являются равновесными. Такая плазма находится в состоянии термодинамического равновесия. Неизотермическая плазма характеризуется тем, что средняя энергия электронов во много раз превышает энергию ионов и нейтральных частиц. Процессы обмена энергией в этом случае неравновесны и плазма поддерживается за счёт внешних факторов - например электрического поля.

Задачей любой теории плазмы является установление связи между параметрами плазмы и внешними условиями (давлением и природой газа, вкладываемой мощностью, геометрией реактора и др. ). Выше уже отмечалось, что плазма состоит из электронов, ионов и нейтральных частиц.

В изотермической плазме температуры всех входящих в ее состав частиц равны, поэтому основными параметрами такой плазмы является температура и концентрации электронов, ионов и тяжелых частиц. Степень ионизации такой плазмы может быть определена из уравнения Саха.

В неизотермической плазме энергия (температура) электронов много больше энергии (температуры) ионов. Последняя в свою очередь больше температуры газа. Электроны, как наиболее легкие частицы, воспринимают энергию электрического поля и передают ее тяжелым частицам. Поэтому наиболее существенными являются параметры электронной компоненты плазмы.

Наиболее важные параметры неизотермической плазмы: 1. Функция распределения энергий и средняя энергия электронов. 2. Приведённая напряжённость продольного электрического поля. 3. Средняя концентрация электронов или распределение концентраций по сечению разрядного прибора. 4. Температура газа и её пространственное распределение. 5. Поток ионов на стенку.

Диагностика плазмы Раздел физики плазмы, посвященный измерению ее параметров, получил название диагностики плазмы. Методы диагностики плазмы: l зондовый l спектральный l сверхвысокочастотный

Метод зондов Лангмюра Основан на анализе вольт-амперной характеристики зонда, погружённого в плазму. Схема зондовых измерений

Типичный вид вольт-амперной характеристики зонда

Теория зондов Лангмюра основана на предположении, что внутри двойного слоя заряженные частицы движутся под действием электрического поля без столкновений. Поэтому применимость теории зондов ограничивается значениями давлений, при которых длина свободного пробега частиц превышает толщину двойного слоя.

При малых токах на зонд толщина двойного слоя определяется дебаевским радиусом экранирования. T - температура n - концентрация заряженных частиц в плазме

При больших значениях тока для нахождения толщины двойного слоя может быть использовано уравнение трёх вторых для движения заряженных частиц в режиме объёмного заряда. I - ток на зонд, А X - толщина двойного слоя, см S - собирающая поверхность зонда, см 2

При отрицательном потенциале зонда ([U] >> k. Te/e) ток на зонд определяется потоком положительных ионов и практически не зависит от приложенного напряжения. При изотропном распределении скоростей и равенстве температур электронов и ионов положительный ток насыщения на зонд определяется выражением:

Когда средняя энергия электронов значительно выше, чем у ионов подходящие к двойному слою ионы ускоряются и приобретают энергию, порядка половины энергии электронов. Ток на зонд в этом случае равен: M - масса иона S - собирающая поверхность зонда

По мере повышения потенциала зонда относительно плазмы на его поверхность попадают сначала наиболее быстрые, а затем и медленные электроны плазмы. В результате положительный ток на зонд уменьшается. Потенциал, при котором суммарный ток равен нулю, называется плавающим.

Зондовый метод Электронный ток на зонд в электронной ветви (участок СВ) определяется выражением:

Электронный участок вольт-амперной характеристики позволяет определить температуру (среднюю энергию) электронов. Для этого удобнее зондовую характеристику изобразить в полулогарифмическом масштабе. На таком графике имеется прямолинейный участок, тангенс угла которого равен e/k. Te.

При дальнейшем повышении потенциала зонда относительно плазмы наступает довольно резкий излом характеристики и ток на зонд слабо зависит от потенциала. Точка перегиба на электронной ветви вольтамперной характеристики зонда соответствует потенциалу плазмы. Экспериментально обычно не удаётся получить электронную ветвь насыщения в связи с переходом разряда на зонд.

Зондовый метод l Таким образом обработка зондовых характеристик позволяет определить среднюю энергию электронов и их концентрацию. Последняя находится из ионной ветви насыщения и условия квазинейтральности плазмы. Необходимо отметить, что применимость зондовой методики ограничена рядом факторов, связанных как с теоретическими предпосылками зондовой теории, так и возмущающим действием зонда.

Однако не смотря на эти ограничения зондовый метод является наиболее распространённым при исследовании плазмы, техника и теория его непрерывно развиваются и усовершенствуются. В частности, можно отметить, что разработаны системы двойных, тройных и многоэлектродных зондов, позволяющие измерять параметры плазмы в безэлектродных разрядах, термоэлектронные зонды для надёжного измерения потенциала плазмы, в том числе в импульсных разрядах и т. д. Кроме того ведутся работы по создании теории работы зондов при высоких давлениях, при наличии магнитных полей и т. д.

Одним из важнейших достижений диагностики плазмы является создание зондовых методов измерения функции распределения энергии электронов в плазме. Эти методы основаны на анализе Драйвестейна, согласно которому функция распределения энергий электронов пропорциональна второй производной зондового тока по напряжению.

Метод Драйвестейна нашёл практическое воплощение только после создания радиотехнических методов дифференцирования. Для получения второй производной зондовое напряжение модулируют небольшим переменным сигналом, гармоника которого на удвоенной частоте пропорциональна второй производной зондового тока по напряжению.

Оптические методы исследования плазмы Сведения о параметрах плазмы путём анализа излучения могут быть получены несколькими способами: а) из линейчатого спектра плазмы б) из сплошного (тормозного или рекомбинационного) излучения в) из анализа контура спектральных линий

Линейчатый спектр плазмы используется для нахождения средней энергии электронов в предположении, что возбуждение атомов осуществляется при прямых электронных ударах (пренебрегается вторичными процессами) с последующим спонтанным излучением. При этом практически наиболее удобно регистрировать относительные интенсивности двух линий, принадлежащих одинаковым атомным системам.

Отношение интенсивностей определяется следующим соотношением: Метод применяется в основном в плазме с высокой концентрацией заряженных частиц.

Контуры спектральных линий атомов или ионов деформируются под действием различных причин, каждая из которых вносит свой вклад в форму контура. l аппаратурный контур, его ширина определяется характеристиками спектрального прибора l доплеровское уширение спектральных линий, определяемое тепловым движением тяжёлых частиц l штарковское уширение, связанное с действием электрических полей заряженных частиц

По доплеровскому уширению определяют обычно температуру ионов, а по штарковскому - концентрацию заряженных частиц в плазме.

Оптические методы диагностики плазмы. Метод ограничен: l сравнительно узким диапазоном условий l трудностью выбора подходящей пары линий l сложностью обработки результатов Достоинство: l отсутствие возмущения плазмы

Сверхвысокочастотные методы диагностики плазмы Микроволновый сигнал фиксированной частоты, поступающий через волновод в направленную антенну, проходит сквозь плазму, а затем регистрируется детектором, снабжённым приёмной антенной.

Теории газоразрядной плазмы Основным условием существования стационарной плазмы является поддержание постоянной во времени концентрации частиц. В зависимости от давления газа применяются: 1. Теория плазмы низкого давления. 2. Диффузионная теория плазмы. 3. Теория плазмы высокого давления.

Диффузионная теория плазмы, соответствует условию, что длина свободного пробега много меньше размеров трубки. При этом лимитирующей стадией процесса гибели заряженных частиц является их диффузия на стенку разрядной трубки.

Диффузия заряженных частиц в условиях разряда Подчиняется общим законам диффузии, известным из кинетической теории газов и описывается следующими уравнениями: n - концентрация частиц в элементарном объёме с координатой х; Vx - средняя скорость движения частиц в направлении диффузии; x - поток диффундирующих частиц; D - коэффициент диффузии.

Электроны, как наиболее подвижные частицы, быстрей достигают стенки и образуют на ней отрицательный заряд, который ускоряет движение ионов на стенку и замедляет движение электронов. В результате диффузионные потоки электронов и ионов на стенку выравниваются. Такая диффузия называется амбиполярной и вместо коэффициента диффузии в уравнения Фика необходимо подставлять коэффициент амбиполярной диффузии.

Da - коэффициент амбиполярной (двуполярной) диффузии Так как bi << be, то уравнение для коэффициента амбиполярной диффузии можно упростить: При этом De и Di заменены исходя из соотношения Эйнштейна. В условиях неизотермической плазмы, Te >> Ti, тогда:

Допущения: 1) Положительный столб в осевом направлении однороден и стационарен во времени. 2) Наличие возбуждённых атомов и излучения положительного столба в теории не учитывается. 3) Распределение электронов по скоростям предполагается максвелловским. 4) Плазма квазинейтральна, т. е. ne=np=n. 5) Ступенчатой ионизацией пренебрегают. 6) Пренебрегают объёмной рекомбинацией.

Универсальная зависимость энергии электронов от параметров разряда

Основные недостатки диффузионной теории: 1. Теория не даёт зависимости параметров плазмы от тока, хотя экспериментально наблюдается некоторое уменьшение средней энергии электронов и приведённой напряжённости поля с током разряда. 2. Теория получена для Максвелловского распределения энергий электронов, которое не реализуется в большинстве практических случаев.

Основные недостатки диффузионной теории: 3. Теория не учитывает ступенчатых процессов, объёмной рекомбинации, особенностей свойств плазмы в присутствии отрицательных ионов. 4. Теория неприменима для неоднородной плазмы и при наличии колебаний.

Особенности теории плазмы низкого и высокого давления Для плазмы низкого давления, как и для плазмы среднего давления, характерна рекомбинация электронов и ионов на стенке разрядной трубки. Однако длина свободного пробега электронов и ионов при низком давлении много больше радиуса трубки, поэтому заряженные частицы при своём движении к стенке практически не испытывают столкновений.

Особенности теории плазмы низкого и высокого давления При увеличении давления газа столб разряда отделяется от стенок, стягиваясь к оси трубки. Отшнуровывание разряда объясняется тем, что температура газа на оси выше, чем у стенок, следовательно плотность газа на оси меньше и ионизация газа на оси происходит легче. При увеличении давления уменьшается доля энергии электронов, расходуемая на ионизацию и увеличивается расход энергии на нагревание газа.

Плазменная лампа

Плазменный экран

Тестовые задания В неизотермической плазме l e = i > г l e = i = г l e > i > г l e >> i > г

Тестовые задания Средняя энергия электронов в плазме с увеличением давления газа l растёт l уменьшается l не изменяется

Тестовые задания Средняя энергия электронов в плазме с увеличением радиуса разрядной трубки l растёт l уменьшается l не изменяется

Тестовые задания В соответствии с диффузионной теорией плазмы гибель электронов лимитируется l скоростью рекомбинации электронов и ионов на стенке l скоростью рекомбинации электронов и ионов в объёме l скоростью амбиполярной диффузии электронов и ионов

Тестовые задания Термическая ионизация молекул газа может быть существенной в плазме при l низких давлениях l средних давлениях l высоких давлениях

Тестовые задания Разряд в каком газе даёт мощное ультрафиолетовое излучение l неон l пары натрия l пары ртути l ксенон

Тестовые задания Разряд в каком газе даёт жёлтое излучение l неон l пары натрия l пары ртути l ксенон