Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Она связана с обычно используемым определением температуры соотношением: (5.8) гле у ле ук — температура, К, )г — постоянная Больцмана, В рав равновесной плазме параметры концентрации и температуры полностью характеризуют ее сос осгояние. Температура такой плазмы определяет не ~олько среднюю энергию, но и Раси 'Ределенне частиц по скоростям (максвелловское распределение) По концентрации и темпе пературе плазмы мозкно найти степень ионизации, концентрацию ионов, возбужденнь|х а В час " ~~омов, фотонов и т. и. Однако далеко не всегда плазму можно считать равновесной. астности, газоразрядная плазма, получаемая обычно в лаборатории, далека от равновесия В некоторых случаях встречается так называемое части шое равновесие, при котором Расо пРелеленне скоростей заряженных и нейтральных частиц является лзаксвелловским.
Часть 1. Вакуумная и плазменная электроника 150 Степенью иоки<анин плазмы называется число ц, определяемое в условиях термодина- мического равновесия формулой Саха: ! ч) -К где величина К определяется следующим образом l К=Л< ехр —, И' (5.9) где! — энеРгиЯ ионизацин, эВ; <<Зх = лХ,, — число всех частиц в кУбе с РебРом з <,=< <2 / е<Г, где А. — постоя иная Бал ьцмана„)< — постоянная Планка, 'Т вЂ” температура плазмы. В занисимости от величины а говорят о слабо, сильно или полностью ионизированной плазме.
Различают вь<сокотемпературную плазму с Т> 1Π— 1О К и низкотемпературную В плазму с Т й 1О' К. Существует два важнейших показателя, согласно которым свойства плазмы отличаются от свойств нейтразьного газа: 1. Взаимодейстние частиц в плазме определнется кулоновскими силами притяжения или озталкивання, а не только температурными процессал<и Такое взаимодействие электрически заряженных частиц является коллективным. 2. Электрические и ма~нитные паля сильно действуют на плазму, формируя в ней эле« трические заряды и токи. Коазиле«и<ральиоси<ь пяазмы соблюдается в том случае, сели линейные размеры области плазмы много больше дебаенского радиуса экраниронання.
Температуры, определяющие это распределение для электронов и тяжелых частиц, разли <яы Для такой неизоз ермической плазмы можно ввести о гдельно электронную и ионную температуры — Т,, Т,. В об<цем случае распределение скоростей заряженных частиц в неравновесной плазме может существенно отличаться от максвелловского. Однако здесь мы будем также говорить о температуре компонент плазмы, определяя ее как меру средней энергии хаотического движения частиц. Разумеется, для получения полной информации о поведении неравновесной плазмы сведений о средних энергиях (температуре) компонен~ недостаточно, т.
к, необходимо еше знать функцию распределения частиц по скоростям. )(арактерной особенностью плазмы является ее макроскопическая нейтральность, поддерживающаяся вследствие взаимной компенсации пространственного заряда положительных ионов и электронов. Однако такая компенсация имеет место лишь в достаточно болыпих объемах и на протяжении больших интервалов времени. Поэтому говорят, что плазма — квазинейтральная среда. Размеры областей и промежутки времени, в пределах которых может нарушаться компенсация объемного заряда, называют пространственным и ерез<еяззь< и жаештабалп< разделения зарядов. При нарушении квазинейтрапьности плазмы в объеме возникают пространственные электрические полн и пространственные заряды.
Как правило, возниканзт процессы, приводящие к восстановлению квазинейтральностн плазмы. 151 б Плазменная электроника ,1,изический смысл дебасвского радиуса экранирования заключается в том, что он являетя пространственным масштабом в плазме (или полупроводниках), на котором экранируся поле заряженной частицы. Причиной экранирования какого-либо заряда является процесс преимущественного группирования заряженных частиц противоположного знака. В ли заряженная частица с зарядом Хг) создает электрический потенциал Фгг, то дебаевкий радиус экранирования го определяется из выраягения Хг( = Фг( 7 лехр( — г 7 го). П и этом пРоисходит нейтРализациЯ заРЯда системы на РасстоЯнии -гл, В этом слУчае р плазму можно рассматривать как квенинейтральный коллектив, содержащий больцюе число заряженных частиц н занимающий область с линейными размерами 7.
» гл. (г"Т,, 7; гп 4лГг,,г(,(и,,Т„+ л,Т) (5.!О) 4ялг),, гл г (5.11) гле тг — плазменная частота, й... лг — заряд и масса электрона. Наличие собственных колебаний и воли — характерное свойство плазмы. Электроны и ионы в плазме движутся по спиралям: электроны вращаются по часовой стрелке, а ионы против часовой стрелки.
Магнитные моменты р круговых таков равны р = глт'/2. В, (5.12) где гл — масса, г — масса и скорость частиц, 77 — вектор индукции магнитного поля. )(ак и всякое диамагнитное вещество, плазма выталкивается из области сильного магнит"ого поля в область слабого поля. Важной характеристикой плазмы является длина свободного пробега частицы (л б = !/лХ где в еличина Х = —, в — частота столкновений, л — число частиц со скоростью )т. Часа !Г тога та столкновений определяется по формуле У= —, я где г— де г — — время между столкновениями.
Сле дует особо отметить, что длина свободного пробега в плазме существенно отличается от длины свободного пробега в газах. где г)„ и о, — заряды электронов и ионов, и,, и л, — электронная и ионная плотности, 7;. и 7', †- температура электронной и ионной составляющей плазмы, соответственно. Плазма называется идеальной, если потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с тепловой энергией.
В плазме возникают продольные колебания пространственного заряда в ленгмюровские волны, угловая частота которых определяется соотношением: Часть I. Вакуумная и плазменная электроника В плазме различают три времени взаимодействия при столкновении: т,, — максвелловское распределение для электронов.
~П~, тк — максвелловское распределение для ионов; тк = т,, гл,, /77, ти — максвелловское распрелеление для плазмы: ти = тм — ' . "' п~,, различие этих времен обязывает ввести понятие температуры для ионной Т, и электронной Т„. составляющей плазмы. Если процессы в плазме не завершены, то Т,. и 7;. Столкновения частиц определяют диссипативные свойства квазинейтральной плазмы.
Электропроводность о полностью ионизированной плазмы не зависит от плотности плаз. да мы и пропорциональна г При Тм 1,5х10 К электропроводность плазмы превосходит электропроводность серебра. При увеличении температуры свойства плазмы приближаются к свойствам сверхпроводника. Одним из методов описания плазмы является движение частиц. В плазме заряженная частица летит со скоростью 1;, вдоль магнитной силовой линии, вращаясь по спирали с плаз- 14клк1, менной частотой гля = )( ', где д и кп — масса и заряд частицы, л — платность час- т тиц (рис.
5.2). В общем случае на частицу зарядом Ч и массой щ, дрейфующую в плазме, действует сила Р; которая определяется выражением: кягк г Т = тд + г1 — цзуВ - л —" + лгк . Я В этом выражении первое слагаемое является составляющим гравитационного поля, где д — ускорение свободного падения. Второе слагаемое харалтеризует дрейф в электрическом поле Е. Третье слагаемое — диамагнитная составляющая в поле с индукцией В и градиентом 'к' по координатам и магнитной проницаемостью Ш Четвертое сла~аемое обусловлено центробежной силой в искривленном поле по нормали л.
Пятое слагаемое связано с изменением электрического дрейфа и называется полярпзакиояяой ссяой. Рис. 6.2. Схема вращения впвктронв д, и положительного иона О, по парморовской спирали и Плазменная электроника В.ли Е= О, и = О, то на частицу лействуют только диамагнитные и центробежные силы. Вэтом случае частица дрейфует по бинормали, а траектории медленных частиц предавляют собой поверхности, сечения которых имеют форму бананов. 5.4. Излучение плазмы Спектр изл>чения низкотемпсратурной плазмы состоит из отдельных спектральных ,линий.
В газосветных трубках, например, наряду с процессами ионизации происходят процессы Рекомбинации ионов с электронами, В результате рекомбинационных процессов формируез'ся реко моин ацио нное излучение со спектрам в виде широких полос. Спектр излучения высокотемпературной плазмы более разнообразен. Тормозное излучение с непрерывным рентгеновским спектром возникает при столкнове- нии электронов с ионами в электрическом поле. Интенсивность тормозного излучения пропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
