Ионизация и возбуждение частиц в газе

Ионизация и возбуждение частиц в газе

Плазму, как среду, состоящую из заряженных частиц, характеризует степень ионизации или соотношение между количеством заряженных и нейтральных частиц:

— концентрация электронов, — концентрация атомов.

В случае низкотемпературной плазмы, когда температура составляет Т_e0,1−1 эВ, степень ионизации невелика 0,01−0,1. Это присуще ряду газовых разрядов: тлеющему, дуговому, искровому и т. д. С другой стороны, высокотемпературная водородная плазма при температуре Т_e=1−10 кэВ практически полностью ионизована и ~1. Такая ситуация реализуется на установках по получению управляемого термоядерного синтеза: токамаках, магнитных ловушках, пинчах и т. д.

Ввиду изначального присутствия заряженных частиц весьма важными при рассмотрении плазмы являются процессы, связанные с ионизацией нейтральных частиц и их возбуждением. Приведем классификацию процессов, свойственных низкотемпературной плазме:

• 1) Упругие процессы, которые происходят при столкновении заряженных и нейтральных частиц. При каждом упругом столкновении частица теряет часть своей энергии. Для столкновения электрона и молекулы — это приблизительно 10^-4 часть исходной энергии электрона. Ввиду этого, чтобы отдать значительную часть своей энергии, электрон должен совершить около 10⁴ столкновений.
• 2) Неупругие процессы, приводящие к возбуждению и ионизации нейтральных частиц при их взаимодействии с заряженными частицами и фотонами. Наиболее важным видом ионизации является процесс, связанный с электронным ударом. Тем не менее, определенный вклад в ионизацию вносят процессы ионизации ионами и нейтральными частицами. Для ряда газовых разрядов имеют значение фотоионизация квантами ультрафиолетового диапазона, а также термоионизация, учитывающая суммарный эффект увеличения температуры газа. При возбуждении электронами нейтральных частиц наиболее важными являются процессы, приводящие к возбуждению электронных (метастабильных) состояний и молекулярных колебаний, и процесс диссоциации молекул.
• 3) Образование отрицательных ионов (прилипание), свойственное низкотемпературной плазме, т.к. энергия связи электрона с атомом (молекулой) при этом достаточно мала (Е=0,1−3 эВ) и при повышении температуры газовой среды отрицательные ионы разрушаются.

При рассмотрении упругих столкновений частиц важной характеристикой является сечение процесса, которое в случае идеального газа имеет порядок 10^-16 см².

Упругое столкновение электрона с атомами и молекулами представляет собой взаимодействие электрона со сложным силовым полем нейтральной частицы.

Сечение данного процесса зависит от энергии электрона, и, как правило, находится экспериментально. Для учета рассеяния электрона на различные углы вводится так называемое транспортное сечение:

Где — средний косинус угла рассеяния. Эффективная частота столкновений и длина пробега при этом выражаются соответственно:

В низкотемпературной плазме отдельные взаимодействия описываются потенциалом, имеющим следующий вид:

В данной формуле — постоянный коэффициент, а знак плюс или минус выбирается в зависимости от отталкивания или притяжения соответственно. Показатель степени n=1 полагается при кулоновском взаимодействии, n=4 описывает случай индуцированного взаимодействия электронов или ионов с поляризованной молекулой, обладающей дипольным моментом, и для взаимодействия поляризованных молекул иногда используют потенциал с n=9−15. Рассмотрим основные результаты, связанные с выводом формулы Резерфорда, необходимой для получения кулоновского сечения заряженных частиц. Формула для числа частиц, рассеянных в 1 с в телесный угол на рассеивающем центре (1) с зарядом +Ze (рис. 1) имеет вид:

В данной формуле n — концентрация рассеиваемых частиц (2), v — их скорость, () -кулоновское сечение. Заряд каждой частицы +ze.

Рис. 1

Взаимодействие налетающей частицы (2) и рассевающего центра (1) рассматривается в системе центра масс (Цсистеме) и описывается потенциалом:

Для угла рассеивания записываются следующие выражения:

Где М — приведенная масса, v₀ -скорость налетающей частицы в Ц — системе.

Дифференциальное сечение кулоновского взаимодействия выражается как:

Окончательный вариант формулы Резерфорда для сечения имеет вид:

Одной из первых формул для ионизации атома электронным ударом явилась формула Томсона (1912 г.). Ее вывод был основан на представлениях классической механики и электродинамики. Ионизация атома представляется в виде формулы:

e- + A 2e- + A+.

Томсон исходил из представления, что столкновение электрона происходит с валентным электроном атома, которому в результате столкновения передается энергия E>I (I — энергия ионизации). В момент столкновения связью валентного электрона и атома можно пренебречь. Это существенно упрощает вывод. Рассмотрим столкновение электрона и атома в Ц-системе. В силу слабой связи валентного электрона и атома рассматривается взаимодействие рассеиваемого электрона и иона. Для энергии, переданной атому электроном в зависимости от угла рассеивания, записывается следующая формула:

Рис. 2.

На рис. 2 представлены скорости электрона до и после взаимодействия, и — скорость атома. Согласно формуле Резерфорда кулоновское сечение для атома водорода имеет вид:

После интегрирования выражения от энергии ионизации I до энергии налетающего электрона получается следующее выражение:

Для сечения ионизации атома водорода электронным ударом формула Томсона имеет вид:

Впоследствии был получен универсальный вид формулы Томсона при учете безразмерной функции f (x) для атома, имеющего n валентных электронов:

На рис. 3 представлена данная функция f (x) и экспериментальные точки для атомов водорода и гелия. Формула Томсона, несмотря на сделанные допущения (о валентном электроне), дает достаточно хорошие данные для сечения ионизации ряда атомов. При квантово-механическом выводе данного сечения ионизации формула была скорректирована формула путем введения логарифмической зависимости от E в числителе:

Рис. 3.

Рис. 4

Рассмотрим в качестве примера зависимости для сечений ионизации атомов и молекул электронным ударом для некоторых газов (рис. 4). Характерной формой зависимости является наличие порога для величины E_пор, максимума для сечения в диапазоне _i=(0,5−4)10^-16 см² и последующего спада при увеличении энергии в диапазоне Е>200 эВ.

Представим наиболее важные результаты для термической ионизации и фотоионизации. Данные процессы играют важную роль для низкотемпературной плазмы, в особенности для дугового, искрового и скользящего разрядов. При термической ионизации рассматривается суммарный вклад электронов и атомов в возбуждение и в ионизацию атомов. Для вывода формул используется формула Саха, использующая представления о термодинамическом равновесии в плазме. Основными случаями являются (рис.5) ступенчатая (а) и прямая (б) ионизации.

а) б).

Рис. 5

Для ступенчатой ионизации водорода коэффициент ионизации имеет вид:

g_a=2, C=3 6.

Прямая ионизация водорода описывается следующей формулой:

— сечение ионизации электронами.

В данной формуле предполагается, что наибольший вклад в ионизацию атомов вносят электроны.

При низкой температуре Te ступенчатая ионизация преобладает над прямой ионизацией, т. е.: .

Фотоионизация является сугубо пороговым процессом возможным, когда энергия фотона превышает энергию ионизации атома (E>I). Процесс фотоионизации описывается формулой:

+ А = А⁺ + e^-

Для атома водорода при энергии фотона более энергии ионизации () выражение для сечения фотоионизации имеет вид:

— боровский радиус водорода.

В случае сильновозбужденного состояния атома водорода справедлива формула Крамерса:

n — Главное квантовое число.

Значения сечений фотоионизации для ряда атомов находятся в диапазоне _ф=(0,1−8)10^-18 см². Значение _ф максимально у порога и затем спадает при увеличении частоты фотона.

ионизация частица ион заряженный термоядерный.