Что такое низкотемпературная плазма

Низкотемпературная плазма

Низкотемпературной называют плазму, у которой средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (< 10 эВ); температура её обычно не превышает 10 5 К. Плазма с более высокой температурой называется горячей или высокотемпературной. Обычно Низкотемпературная плазма слабоионизованная, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц – электронов и ионов. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называется степенью ионизации плазмы. Поскольку кулоновское взаимодействие между заряженными частицами значительно сильнее, чем взаимодействие между нейтральными частицами, и это взаимодействие дальнодействующее, то наличие заряженных частиц в низкотемпературной плазме в большой степени определяет её свойства, в том числе электрические и

Рис. 1. Низкотемпературная плазма в природе.

Рис. 2. Параметры лабораторной низкотемпе-ратурной плазмы.

Стационарная и нестационарная низкотемпе-ратурная плазма. Стационарная низкотемпературная плазма обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) низкотемпературная плазма живёт ограниченное время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внешними условиями. Плазма, время жизни которой превышает характерное время переходных процессов, называется квазистационарной. Например, плазма в канале молнии образуется и поддерживается в результате прохождения через него электрического тока. Характерное время установления равновесия в проводящем канале

10 -5 с, характерное время расширения (т. е. разрушения) этого проводящего канала

10 -3 с, поэтому в течение прохождения основной части тока через проводящий канал плазму в нём можно считать квазистационарной.

Равновесная и неравновесная низкотемпературная плазма. Низкотемпературная плазма называется равновесной, если её компоненты находятся в термодинамическом равновесии, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. В низкотемпературной плазме легко создаются неравновесные условия в результате селективного действия внешних электрических полей: электрическая энергия от них передаётся заряженным частицам, а те отдают её частицам газа при столкновениях. При таком способе введения энергии средняя энергия заряженных частиц может значительно отличаться от тепловой энергии нейтральных частиц. В первую очередь это относится к электронам, которые из-за малой массы неэффективно обмениваются энергией при упругом столкновении с нейтральными частицами газа. При этом не только средняя энергия электронов, но и вид распределения электронов по энергиям может существенно отличаться от равновесного.

Рис. 3. Параметры равновесной и неравновесной низкотемпературной плазмы; Т – температура газа; Т_е – температура электронов.

Характерным примером неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда или плазма дугового разряда низкого давления; например, в плазме гелий-неонового лазера при давлении газа

10 тор температуpa газа в центре разрядной трубки  400 К, тогда как средняя энергия электронов несколько эВ (рис. 3).

Идеальная и неидеальная плазма. Плазма считается идеальной, если средне кинетическая энергия заряженных частиц (3/2)kT много больше средней энергии её взаимодействия с окружающими частицами: , где е – заряд электрона, Т – температура, r_D — дебаевский радиус экранирования. Идеальную плазму можно определить также как плазму, в которой число заряженных частиц в сфере с дебаевским радиусом велико. Оба определения приводят к одинаковому соотношению для параметров идеальной плазмы:

Числовой коэффициент С в этом соотношении равен 9/32, если пользоваться первым условием и 1/96  для второго условия. Такое различие делает границу между идеальной и неидеальной плазмой весьма размытой, а это означает, что в промежуточной области параметров неидеальность плазмы может существенно влиять на одни её свойства и не сказываться на других.

Неидеальная плазма с чисто кулоновским взаимодействием между частицами (полностью ионизованная) реально не существует. В такой плазме с большой скоростью происходит рекомбинация ионов и электронов с характерными временами значительно меньше атомных. За такие времена плотность заряженных частиц существенно падает, а их температура повышается и плазма перестаёт быть неидеальной. Неидеальная плазма существует в многокомпонентной системе, где возникают дополнительные условия стабилизации плазмы. Типичным примером неидеальной плазмы является плазма металла, которая сохраняется неидеальной за счёт сил взаимодействия с участием ионов решётки металла. Таким образом, неидеальная плазма существует при плотности частиц, сравнимой с плотностью конденсированного состояния вещества. Слабоионизованный газ всегда является идеальной плазмой.

Неидеальную плазму можно также разделять на типы по способам её получения или использования: газоразрядная, пучковая, фоторезонансная, лазерная, ионосферная, солнечная, космическая плазма.

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА

Содержание:
1. Общие свойства Н. п.
2. Способы создания Н. п.
3. Процессы в Н. п.
4. Неустойчивости и структуры Н. п.
5. Применение Н. п.
6. Н. п. земной атмосферы и Солнца.

1. Общие свойства Н. п.

Низкотемпературной наз. плазму, у к-ройср. энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (<10 эВ); темп-pa её обычно не превышает 10 5 К. Плазма с болеевысокой темп-рой наз. горячей или высокотемпературной. Обычно Н. п. слабоионизованная, -5 с, характерное время расширения(т. е. разрушения) этого проводящего канала

10 -3 с, поэтомув течение прохождения осн. части тока через проводящий канал плазму в нёмможно считать квазистационарной.

Равновесная и неравновесная Н. п. Низкотемпературнаяплазма наз. равновесной, если её компоненты находятся в термодинамич. равновесии, 10%. Однако осн. достоинство возбуждения плазмы электроннымпучком — возможность быстрого подвода энергии. Характерные времена возбужденияплазмы электронным пучком

10 -9 с. Благодаря этому электронныйпучок используется не только для создания импульсной Н. п., но и для предионизации. -7 с первоначально образованныемедленные электроны превращаются в отрицат. ионы, а процесс 12 ответственза ночное свечение неба.
Процессы возбуждения атомов и молекулсущественны и для поддержания Н. п. и при преобразовании энергии внеш. -3 — 10 -2 %.
В др. способе элементного анализа исследуемоевещество также вводится в пламя или в проточную плазму газового разряда, 17 см -3 при диаметреканала порядка 1 мм.
Ионизов. газ верх. атмосферы — ионосфера возникаетв осн. под действием излучения Солнца. Ионосферу принято делить на рядслоев (D, Е, F₁, F₂), расположенных на высотах50 — 90, 90 — 140, 140 — 200 и 200 — 400 км.
Ср. концентрация заряж. частиц в слое . составляет

10 3 см -3 . Отрицат. заряд в этом слоесоздаётся в осн. разл. отрицат. ионами; наиб. распространённым положит, + Н ₂ О.
Заряж. частицы в слое . образуютсяв результате фотоионизации газа под действием УФ-излучения. Эти заряж. 5 см -3 ,отрицат. ионы в этом слое практически отсутствуют; типы положит. 5 — 10 6 см -3 , осн. тип положит. + . Заряж. частицы в слоях F образуются в результатеионизации атомарного кислорода под действием УФ-излучения Солнца. Гибельзаряж. частиц определяется фоторекомбинацией электронов с ионом кислорода, 17 см -3 , плотностьзаряж. частиц

10 14 см -3 , темп-pa равновесной плазмы

6000 К. Это излучение определяется в осн. процессом фотоприлипания электронак атому водорода. Образуемые при этом отрицат. атомы водорода далее быстроразрушаются при столкновениях, так что отрицат. заряд фотосферной плазмыобразуется в осн. электронами.
Разреженная область плазмы над поверхностьюСолнца — солнечная корона. Плотность плазмы в короне резко падает по мереудаления от Солнца. Особенностью солнечной короны является её высокая темп-ра(

10 6 К). Поэтому солнечная корона испускает жёсткое (рентгеновское)излучение. Кроме того, она является источником солнечного ветра.

Лит.: Пикельнер С. Б., Основы космическойэлектродинамики, 2 изд., М., 1966; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земнаяфизика, пер. с англ., ч. 1 — 2, М., 1974 — 75; Смирнов Б. М., Введениев физику плазмы, 2 изд., М., 1982; Арцимович Л. А., Сагдеев Р. 3., Физикаплазмы для физиков, М., 1979; Биберман Л. М., Воробьёв В. С., Я к у б ов И. Т., Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы, М., 1982; РайзерЮ. П., Физика газового разряда, М., 1987.

Б. М. Смирнов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .