Элементарные и кинетические процессы в газоразрядной плазме (200,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

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