Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ
2.1. Определение плазмы по Ленгмюру
Плазма – четвертое состояние вещества, ионизованный газ. Во вселенной – 99,9 % вещества – плазма. На земле – около 0 %.
Квазинейтральность – основное свойство плазмы. zini 0. Условие квазиэлектронейтральности означает малость суммарного заряда плазмы по сравнению с суммой зарядов одного знака.
Потенциал электрического поля, существующего в окрестности любого заряда в плазме
= (zie/r) exp(– r/D),
потенциал Дебая – Хюнкеля (кулоновский потенциал 0 = zie/r).
Дебаевский радиус экранирования заряда D для равновесной изотетмичной плазмы равен
D = (kT/8zi2e2ni)1/2,
для неравновесной плазмы, но при максвелловском распределении частиц внутри каждой из групп частиц
D = [kTeTi/8zi2e2(Te + Ti)ni]1/2.
На расстоянии D потенциал убывает в e раз по сравнению с кулоновским потенциалом. D – характеризует линейный масштаб декомпенсации нейтральности плазмы.
Определение плазмы по Ленгмюру: совокупность заряженных и нейтральных частиц, для которой выполняется условие квазинейтральности zini 0 и D << L (характерного размера плазмы).
2.2. Взаимодействие частиц, эффективное сечение
Типы взаимодействия частиц: кулоновские, упругие и неупругие. Ближние и дальние кулоновские взаимодействия. Траектории движения частиц.
Вероятности взаимодействия характеризуются так называемыми эффективными сечениями взаимодействия (из кинетической теории газов).
Рассмотрим (рис. 2.1) мишень с однородной плотностью = MN неподвижных частиц, пучок взаимодействующих частиц с концентрацией n и скоростью u.
Рис. 2.1. Воображаемое сечение элементарного параллелепипеда единичной площади при взаимодействии частиц.
Число частиц испытывающих взаимодействия пропорционально плотности частиц мишени, плотности частиц самого потока и длине dx, на котором рассматривается взаимодействие
dn = nN dx = nNu dt.
Коэффициент пропорциональности это эффективное сечение данного взаимодействия для отдельной частицы.
Вероятность взаимодействия
Pc = N/p0,
где p0 – приведенное давление (Торр).
p0 = 273 p/T,
где температура T и давление p при данных условиях. Pc – среднее число взаимодействий частицы на расстоянии 1 см при давлении 1 Торр и 0 С.
Длина свободного пробега lср
lср = 1/N = 1/ Pcp0.
2.3. Упругие взаимодействия
Кулоновские взаимодействия и рассеяние электронов и ионов на нейтралах.
F = z1z2e2/r2, упр< кулон
Эффект слабого рассеяния электронов при малых энергиях в инертных газах, назван эффектом Рамзауэра (рис. 2.2). Он объясняется чисто квантовыми явлениями – дифракцией электронов на атомах. При больших энергиях применимо классическое рассмотрение, т.к. длина волны электронов становиться много меньше размера атомов.
Рис.2.2. Зависимость сечения рассеяния электронов на различных частицах от скорости электронов.
упр для электронов имеет характерные значения порядка 10–15 см2.
2.4. Неупругие взаимодействия
Максимальное изменение потенциальной энергии частицы
(Eпот)max = E1m2/( m1 + m2),
где E1 – кинетическая энергия налетающей частицы. Из формулы видно, что при соударении электрона с тяжелой частицей возможен практически полный переход кинетической энергии в потенциальную, т.е. неупругие столкновения с участием электрона наиболее эффективны.
2.4.1. Возбуждение (тушение) атомных, ионных и молекулярных состояний.
e + Ak0(+) An0(+) +e
Это пороговый процесс, в (Ekn) имеет величину порядка нескольких эВ.
kn 10–16 – 10–19 см2. Максимум при Eкин = (1,5 2) Ekn (рис. 2.3).
Рис.2.3. Типичный вид зависимости сечения возбуждения атомов электронным ударом от энергии электронов.
Возбуждение (тушение) молекулярных состояний:
e + Mk,i,j0(+) Mk,i,j0(+) +e
Энергетические зазоры между колебательными уровнями 10–2 – 1 эВ, между вращательными уровнями 10–3 – 10–1 эВ. Поэтому медленные электроны эффективно теряют энергию на возбуждение этих уровней.
Для N2 сечение возбуждения колебательных уровней (0,5 3) 10–16 см2.
2.4.2. Диссоциация молекул.
e + M A +B + e
Вероятность прямого разбиения молекулы из основного состояния мала. Причина – кратковременность воздействия, в течение которого атомы (или радикалы) не успевают получить необходимого для разлета количества движения.
Диссоциация молекул часто преимущественно идет ступенчато через электронно-колебательные, электронные и колебательные возбужденные состояния с достаточным временем жизни:
e + M M + e
e + M A + B + e
Обратный процесс – ассоциация.
Зависимость сечения диссоциации молекул электронным ударом от энергии электронов имеет разный вид для различных молекул (рис. 2.4).
Рис.2.4. Зависимости сечения диссоциации молекул электронным ударом от энергии электронов.
2.4.3. Ионизация атомов и молекул.
e + Ak Ai+ + e + e
Обратный процесс – тройная рекомбинация.
Из основного (k = 1) состояния потенциал ионизации Eи для разных частиц находится в интервале 4 – 25 эВ. Максимум 1 достигается при Eкин = (3 5)Eи, ход зависимости 1(Eкин) для разных атомов и молекул имеет одинаковый вид (рис. 2.5), соответствует аппроксимации Фабри–Канта.
Рис.2.5. Зависимости сечения ионизации атомов и молекул прямым электронным ударом из основного состояния от энергии электронов.
Ионизация из возбужденного состояния называется ступенчатой.
kи(Eкин) = k3 1(Eкин) т.е. kи k3, k – главное квантовое число уровня.
При Te << Eи эффективна ступенчатая ионизация по сравнению с прямой.
Частота ионизации и (характеризует скорость рождения зарядов) т.е. число актов ионизации в 1 см3 в 1 с производимое электроном для газового разряда
и = (5 102 – 103) Гц.
и = na<u> = nakи.
<u> - усредненное по энергетическому спектру. Коэффициент kи – называют константой (или коэффициентом) скорости ионизации, смысл kи следует из выражения:
(dne/dt)и = kиnena.
Аналогичные выражения можно записать для процессов возбуждения и диссоциации. Коэффициент скорости процессов возбуждения, ионизации и диссоциации электронным ударом можно определить так:
,
где A – некоторая постоянная, m – масса электрона, – его энергия, () – сечение процесса, 0 – энергия верхнего уровня при возбуждении или пороговая энергия при ионизации и диссоциации, f() – функция распределения электронов по энергиям.
Для молекул не редко более эффективно проходит диссоциативная ионизация
e + M A+ + B + e + e,
например e + CF4 CF3+ + F + e + e,
2.4.4. Рекомбинация с участием электронов.
Процесс обратный ионизации электронным ударом называется тройной рекомбинацией:
A+ + e + e A + e
М+ + e + e М + e.
Избыточная энергия передается второму электрону или тяжелой частице (в этом случае рекомбинацию называют трехчастичной). Процесс происходит ступенчато:
- захват электрона на далекую орбиту
- переход на нижележащий уровень в результате столкновения с электроном, тяжелой частицей или излучения кванта света.
Трехчастичная рекомбинация может быть при участии нейтральной или ионизованной частицы (атома или молекулы):
A+ + e + B A + B,
A+ + e + B+ A + B+.
Рекомбинация с излучением кванта света называется радиационной рекомбинацией
A+ + e A + h,
h = eи + meue2/2.
Скорость рекомбинации равна
(dne/dt)рек = nenи.= ne2.
Коэффициент скорости рекомбинации пропорционален концентрации третьей частицы. 10–14 – 10–8 см3/с.
Для радиационной рекомбинации коэффициент скорости имеет величину 10–14 – 10–13 см3/с.
Диссоциативная рекомбинация
(AB)+ + e Ak + B
имеет коэффициент скорости порядка 10–8 см3/с. Здесь третья частица образуется в ходе рекомбинации. Обратный процесс называется ассоциативной ионизацией. Вероятность диссоциативной рекомбинации значительно больше, чем тройной, поэтому процесс диссоциативной рекомбинации может быть существенным источником генерации возбужденных атомов и радикалов.
Для газового разряда низкого давления рекомбинация электронов на поверхности во много раз превышает объемную рекомбинацию и определяет скорость гибли электронов.
2.4.5. Образование отрицательных ионов.
Образование отрицательных ионов т.е. процесс прилипания электронов к тяжелым частицам характерен для ряда атомов и молекул (в том числе щелочных металлов и галоидов): F, Cl, Br, I, Li, Na, Ka, O2, H2O, OH, O.
Основная характеристика отрицательных ионов – энергия их связи (энергия сродства) к электрону. Она численно равна энергии необходимой для разрушения иона. Типичные значения сродства E 0,1 – 3 эВ, у галоидов 3 – 5 эВ.
E = E0 – E_ + meVe2 /2.
Механизмы прилипания:
1) e + AB A– + B – диссоциативное прилипание,
1) e + A + B A– + B – трехчастичное прилипание,
1) e + A A– + h - радиационное прилипание.
Разрушаются отрицательные ионы ударами электронов и тяжелых частиц, но определяющим для газоразрядной плазмы являются процессы гибели при реакциях ассоциации:
O– + O O2 + e,
O– + N NO + e,
O2– + O2 O2 + O2 + e,
O– + CO CO2 + e,
H– + H H2 + e,
OH– + O HO2 + e,
OH– + H H2O + e,
F– + F F2 + e.
Процесс убыли отрицательных ионов называется рекомбинацией ионов.
A– + B+ A + Bk
(dnи/dt)рек = (dn–/dt)рек = иn–nи.
и 10–6 - 10–7 см3/с, и и уменьшаются с ростом температуры.
2.5. Неупругие столкновения тяжелых частиц
Вероятность неупругого взаимодействия значительна только если относительная скорость частиц примерно равна скорости электрона в атоме (108 см/с), что соответствует энергии тяжелых частиц в 10 – 100 кэВ, поэтому для газоразрядной плазмы низкого давления неупругие взаимодействия тяжелых частиц типа возбуждение, диссоциация и ионизация являются несущественными.
2.6. Химические реакции в плазме
Коэффициенты скорости реакций. Реакции ассоциации (присоединения), обменные, замещения, в объеме и на поверхности. Химические реакции в плазме как вторичные процессы активации газоплазменной среды.
n u
dx
N
упр, Å2
24
6
8
0
0
H
Ar
5
H2
10
u, эВ½
упр, Å2
30
20
Eкин, эВ
10
Ekn
Eкин, эВ
40
, 10–16 см2
1
50
H2
CO
N2
O2
, 10–16 см2
3
50
200
100
150
Eкин, эВ
H2
Ar
N2
Eи
1
2
4