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 10⁵ К. Плазма с болеевысокой темп-рой наз. горячей или высокотемпературной. Обычно Н. п. слабоионизованная, взаимодействие дальнодействующее, тоналичие заряж. частиц в Н. п. в большой степени определяет её свойства,

Рис. 1. Низкотемпературная плазма в природе.

Рис. 2. Параметры лабораторной низкотемпературнойплазмы.

Стационарная и нестационарная Н. п. СтационарнаяН.п. обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксациив ней. Нестационарная (импульсная) Н. п. живёт огранич. время, определяемоекак временем установления равновесия в плазме, так и внеш. условиями. Плазма, -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, Равновесная плазма обычно реализуетсяв газе при высоком давлении, где столкновения частиц происходят часто искорость установления равновесия относительно велика. Примерами такой плазмыявляются плазма дугового разряда при атм. давлении, плазма искрового разрядаили молнии в атмосфере.

Рис. 3. Параметры равновесной и неравновеснойнизкотемпературной плазмы; Т - температура газа; Т _е- температура электронов.

Характерным примером неравновесной плазмыявляется плазма тлеющего разряда или плазма дугового разряда низкогодавления; напр., в плазме гелий-неонового лазера при давлении газа ~10тор теми-pa газа в центре разрядной трубки тогда как ср. энергия электронов неск. эВ (рис. 3).

Идеальная и неидеальная плазма. Плазмасчитается идеальной, если ср. кииетич. энергия заряж. частиц (3/2)kТ многобольше ср. энергии её взаимодействия с окружающими частицами:

где е - заряд электрона, Т - темп-pa,r_D - дебаевский радиус экранирования. Идеальную плазму можноопределить также как плазму, в к-рой число заряж. частиц в сфере с дебаевскимрадиусом велико. Оба определения приводят к одинаковому соотношению дляпараметров идеальной плазмы:

Числовой коэф. С в этом соотношенииравен 9/32,если пользоваться первым условием, и 1/96для второго условия. Такое различие делает границу между идеальной и неидеальнойплазмой весьма размытой, а это означает, что в промежуточной областипараметров неидеальность плазмы может существенно влиять на одни её свойстваи не сказываться на других.
Неидеальная плазма с чисто кулоновскимвзаимодействием между частицами (полностью ионизованная) реально не существует. рекомбинация ионов и электронов схарактерными временами значительно меньше атомных. За такие времена плотностьзаряж. частиц существенно падает, а их темп-pa повышается и плазма перестаётбыть неидеальной. Неидеальная плазма существует в многокомпонентной системе, газ всегда является идеальной плазмой.
Н. п. можпо также разделять на типы поспособам её получения или использования: газоразрядная, пучковая, фоторезонансная, 2. Способы создания Н. п.

В Н. п. потери заряж. частиц связаны срекомбинацией электронов и ионов и с уходом заряж. частиц на стенки сосудаили за пределы занимаемого объёма. Для поддержания существования плазмынеобходимы процессы ионизации, к-рые создают новые заряж. частицы.
Наиб. старый и простой способ созданияН. п. - газоразрядный. Плазма создаётся в результате протекания в газеэлектрич. тока между электродами, к к-рым приложена постоянно поддерживаемаяразность потенциалов. Газовый разряд содержит ряд областей, различающихсяпо своим свойствам, и поэтому имеется неск. типов газовых разрядов (см. Электрическиеразряды в газах). Для газоразрядной плазмы характерна квазистационарность, Газоразрядному способу создания Н. п. искровой разряд. Подобное явление имеет место в приземной атмосфере:молния - пробой газа между облаками или между облаком и землёй во времягрозы.
Пробой газа может произойти за счёт высокойнапряжённости эл.-магн. волн при прохождении сфокусиров. лазерного излучениячерез газ - лазерный пробой (см. Оптические разряды). Н. п., образовавшаясяпри газовом пробое, распадается в результате рекомбинации и диффузии заряж. Под действием резонансного излучения образуетсят. н. фоторезонансная плазма. Энергия фотонов резонансного излучениясовпадает с энергией возбуждения атомов или молекул газа. Образуемые припоглощении резонансных фотонов возбуждённые атомы или молекулы при дальнейшихстолкновениях ионизуются.
В качестве источника резонансного излученияиспользуется разрядная лампа, содержащая данный газ, или перестраиваемыйлазер. Этот способ генерации плазмы позволяет легко регулировать её параметры, фоторезонансная плазма применяется при создании плазменных нелинейныхоптич. элементов для преобразования и стабилизации частоты лазерного излучения, При прохождении электронного пучка черезгаз возникает пучковая плазма. Обычно для её создания используются пучкиэлектронов с энергией в неск. сотен кэВ. Такие электроны свободно проходятчерез тонкие фольги и поэтому могут транспортироваться из электронной пушкив лаб. установку, содержащую газ при более высоких давлениях. Осн. процессвзаимодействия быстрых электронов с атомами или молекулами газа - ионизацияатомов или ионов. Образуемые при этом вторичные электроны имеют энергию, потенциал ионизации атомов или молекул. Т. о.,при прохождении пучка электронов через газ энергия быстрых электронов преобразуетсяв энергию вторичных электронов (к-рая далее и используется) с высоким коэф. кпд устройств, возбуждаемых электронным пучком, 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. электронный пучок создаёт однородную первичнуюплазму, к-рая далее развивается под действием электрич. импульсного разряда.
В 1980-е гг. широкое развитие приобретает лазернаяплазма. Лазер используется для разл. технол. операций - обработки поверхностей, лазерная плазма, к-рая, взаимодействуя с лазернымизлучением, может поглощать его, препятствуя проникновению лазерного излученияк обрабатываемой поверхности. Лазерная плазма - специфич. физ. объект, Имеется много др. способов генерации Н. ионосфера Земли и др. планет), в результате прохождения пучка ионовили нейтронов через газ. В качестве генератора Н. п. могут быть использованырадиоакт. источники.
Ещё один способ создания Н. п. - химический:в пламенах заряж. частицы образуются в результате процессов хемионизации.

3. Процессы в Н. п.

Осн. процессами в Н. п. являются элементарныепроцессы возбуждения и ионизации газа, рекомбинации заряж. частиц и др.,процессы переноса заряж. и возбуждённых частиц, а также процессы переносаэнергии за счёт теплопроводности, конвекции. Число типов элементарных процессовв Н. п. достигает неск. десятков. На примере плазмы воздуха (табл.) рассмотримхарактер элементарных процессов в Н. п.
Первостепенное значение среди элементарныхпроцессов в Н. п. имеют процессы ионизации, ибо они поддерживают плазму. ионизация происходит в результате столкновения с электронами. Процесс1 наз. прямой ионизацией, процесс 2 - ступенчатой ионизацией, представляющейсобой последовательность процессов возбуждения метастабильного состояния(13) и ионизации возбуждённой молекулы. Ступенчатая ионизация эффективнопроисходит в относительно плотной плазме. Заряж. частицы в Н. п. могутобразовываться с участием возбуждённых частиц - ассоциативная ионизация(3) или Пеннинга эффект. Заряж. частицы возникают также в результатефотоионизации. Процесс 4 - осн. процесс образования ионосферной плазмыпод действием КВ-излучения Солнца.
Рекомбинация заряж. частиц в плазме можетидти по разным каналам. Процессы 5, 6 - диссоциативная рекомбинация электронаи молекулярного иона, процесс 7 - взаимная нейтрализация положит. и отрицат. Элементарные процессы в низкотемпературнойплазме

Важную роль, особенно в плазме электроотрицательныхгазов, играют процессы прилипания электрона к атому или молекуле, в результатечего образуется отрицат. ион. Хотя процессы прилипания электрона не изменяютчисло заряж. частиц в плазме, но при таком переходе резко падает проводимостьплазмы, существенно изменяются её др. свойства. Процесс 10 - трёхчастичноеприлипание электрона к атому, процесс 11 - диссоциативное прилипание электронак молекуле, процесс 12 - фотоприлипание. В частности, в атм. воздухе врезультате процесса 10 за 10^-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. Процесс 14 - возбуждение резонансных состояниймолекул; в азотном лазере, напр., этот процесс создаёт инверсную заселённостьуровней. Процесс 15 - возбуждение колебат. уровней молекулы, этот процесспреобладает в тлеющем разряде в азоте и в лазере на углекислом газе, чтообеспечивает большой кпд и высокую мощность лазера.
Процессы перезарядки 16, 17 приводят кпереходу заряда от одной частицы к другой. Особенно существенна резонанснаяперезарядка (17), к-рая эффективнее упругого рассеяния, т. к. резонанснаяперезарядка происходит при прямолинейных траекториях движения иона и молекулы. подвижность икоэф. диффузии (продольной и поперечной по полю) в собств. газе.
Рассмотренные процессы типичны для разл. релаксации возбуждённых молекул, 4. Неустойчивости и структуры Н. п.

Коллективные явления не играют в Н. п. колебания, так и ионный звук. Возникновениеплазменных неустойчивостей приводит, в свою очередь, к осцилляции разрядноготока.
Неустойчивости Н. п., приводящие к нарушениюпространственного распределения плазмы или к её разрушению, существенноотличаются от неустойчивостей горячей плазмы. Осн. типы неустойчивостейН. п.: ионизационная, прилипательная и тепловые неустойчивости.
Ионизационная неустойчивость обусловленасвязью скорости ионизации с пространств. распределением заряж. частиц, Прилипательная неустойчивость связанас процессом перехода отрицат. заряда от электронов к отрицат. ионам. Вэтом случае образование отрицат. иона изменяет параметры плазмы так, чтоделает благоприятным дальнейшее прилипание электронов к атомам. В результателибо нарушается однородное распределение плазмы, либо нарушаются условиясуществования плазмы и она разрушается (подробнее см. Плазма электроотрицательныхгазов).
Тепловые неустойчивости проявляются вовлиянии теплового режима и процессов переноса на параметры плазмы. Яркимпримером является тепловой взрыв в лазере на угарном газе. Как во всякоммолекулярном газе, колебат. темп-pa в плазме этого лазера превышает поступат. Неустойчивости Н. п. нарушают однородноераспределение плазмы в пространстве и могут привести к появлению новыхструктур. Одной из них, наиб. изученной, является сжатие, или контракциягазового разряда. В длинной цплиндрич. трубке свечение газового разрядаи электрич. ток сжимаются к оси, и в остальной части трубки газ не возбуждается. Др. тип структур в газоразрядной плазме- страты - чередующиеся светящиеся и тёмные области разряда; этаправильная полосатая структура может перемещаться и "бежать" к электроду, ступенчатая ионизация газа, так что скорость ионизациизависит от плотности электронов нелинейно. Возникновение страт обусловленотем, что с увеличением плотности электронов повышаются скорость ионизациии ср. энергия (темп-pa) электронов, а это в свою очередь вызывает возрастаниеплотности электронов. Страты как осциллирующая структура распределенияэлектронов в разряде выгоднее однородного распределения, ибо при такомраспределении более эффективно используется вводимая в газ энергия. Амплитудаосцилляции плотности электронов и размер страт определяются механизмомвозникновения неустойчивости и конкретными параметрами плазмы.
В газоразрядной плазме распространён ещёодин тип структуры - домен. Первоначально такие структуры наблюдались иисследовались в полупроводниковой плазме и известны как Ганна эффект. Электрич. 5. Применение II. п.

Разнообразное использование Н. п. определяетсяпростотой её создания. Газоразрядная плазма применяется в газовых лазерахи источниках связи, в плазмохим. процессах и процессах очистки газов, дляобработки поверхностей, в разл. технол. и металлургич. процессах. Н. п. .магнитогидродинамических генераторах и термоэмиссионном преобразователе. плазмотроне Н. и. выполняет роль теплоносителя. Вводимая в плазмуэлектрич. энергия передаётся электронам, а от них - атомам или (и) молекуламгаза и нагревает его. Уд. энергия, вводимая в такой газ, заметно выше энергиив пламени газовой горелки.
Применения Н. п. можно разделить на двестадии. В первой из них плазма является рабочим телом конкретных установоки приборов (газоразрядные лазеры и лазеры, возбуждаемые электронным пучком, термоэмиссионный преобразователь, газоразрядные источникисвета и т. д.); во второй - плазма составляет основу соответствующих технологий.
Технол. применения плазмы обеспечиваютсядвумя её качествами. Во-первых, в плазме могут быть достигнуты гораздоболее высокие темп-ры, чем в горелках на хим. топливе, поэтому плазма являетсяотличным теплоносителем; во-вторых, в плазме образуется много ионов, радикалови разл. химически активных частиц, поэтому в плазме или с её помощью можнопровести хим. процессы в объёме или на поверхности, имеющие практич. значение.
Применение плазмы как теплоносителя связанос процессами сварки и резки металлов. Поскольку макс. темп-pa в хим. горелках 3000К, они не подходят для этой цели. Дуговой разряд позволяет создать плазмус темп-рой в 3 - 4 раза выше, к-рая при соприкосновении с металлом расплавляетего. Плазменные методы сварки и резки металлов обеспечивают более высокуюуд. производительность, качество продукта, дают меньше отходов, но требуютбольших затрат энергии и более дорогого оборудования.
Плазма как теплоноситель используетсяв топливной энергетике. Введение плазмы в зону сжигания низкосортных углейсущественно улучшает энергетич. параметры процесса.
Как хороший теплоноситель плазма позволяетпроизводить термич. обработку поверхности и её закалку. При этом не изменяетсяхим. состав поверхности, но улучшаются её физ. параметры. При др. способеобработки поверхности активные частицы плазмы вступают в хим. реакцию сматериалом поверхности. Напр., при проникновении ионов или активных атомовиз плазмы в приповерхностный слой в нём образуются нитриды или карбидыметаллов, что упрочняет поверхность. Плазма может не вступать в хим. реакциюс поверхностью, но образует на ней свои хим. соединения в виде плёнок, Плазменная технология).
Н. п. применяется для получения ряда хим. 3N₄), металлов и окисловметаллов (см. Плазмохимия).
Н. п. используется для анализа элементногосостава вещества, осуществляемого двумя способами. В первом из них исследуемоевещество вводится в плазменную горелку - дуговой разряд с проточной плазмой- в микроколичествах либо в виде порошка, либо в виде капель. В плазмевещество диссоциирует на атомы, к-рые частично возбуждаются и излучают. -3 - 10^-2 %.
В др. способе элементного анализа исследуемоевещество также вводится в пламя или в проточную плазму газового разряда, волны излучения. Как только излучение попадает в резонансс переходами атомов, находящихся в плазме, то изменяются условия ионизацииатомов и, следовательно, разрядный ток. Этот эффект наз. оптогальваническим;чувствительность методов, использующих этот эффект, на неск. порядков выше, 6. Н. п. земной атмосферы и Солнца

Н. п. присутствует в окружающей нас природе. поле со ср. напряжённостьюу поверхности Земли ~100 В/м, а также электрич. токи.
Одно из проявлений разделения заряда ватмосфере связано с возникновением молний. В момент прохождения осн. токамолнии её канал представляет типичную Н. п., напоминающую плазму дуги высокогодавления и плазмотронов. Темп-pa плазмы в канале молнии достигает 30 000К, плотность заряж. частиц ~ 10¹⁷ 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 ~10³ см ^-3. Отрицат. заряд в этом слоесоздаётся в осн. разл. отрицат. ионами; наиб. распространённым положит, 3 О ⁺ Н ₂ О.
Заряж. частицы в слое . образуютсяв результате фотоионизации газа под действием УФ-излучения. Эти заряж. D -слоеионосферы. Плотность электронов в E -слое ~10⁵ см ^-3,отрицат. ионы в этом слое практически отсутствуют; типы положит. Гибель заряж. частиц в слое Е обусловлена диссоциативной рекомбинациейэлектронов и ионов и уходом частиц в нижние слои.
Плотность электронов в слоях F₁ и F₂~ 10⁵ - 10⁶ 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, Слои Е и F ионосферы отражаютрадиоволны, обеспечивая связь на KB и ср. волнах на большие расстояния. распространение радиоволн. На высотах Е и F слоевработают также ИСЗ. На этих высотах чаще всего развивается полярноесияние, возникающее при проникновении потока солнечных протонов в атмосферу.
Околоземная плазма на больших высотах, солнечным ветром, и структурамагнитосферы определяется взаимодействием солнечного ветра с магн. полемЗемли. Электроны, захваченные магн. полем Земли, образуют радиационныепояса Земли.
Параметры солнечной плазмы, как и атмосферной, фотосферой. Плотностьатомарного водорода в фотосфере ~10¹⁷ см ^-3, плотностьзаряж. частиц ~10¹⁴ 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(~10⁶ 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.