Кинетика электронов и отрицательных ионов в слабоионизованной неравновесной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова

На правах рукописи УДК 537.50

АЛЕКСАНДРОВ Николай Леонидович

КИНЕТИКА ЭЛЕКТРОНОВ Л ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ В СЛАБОИОНИЗОВАННОЙ НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЕ

01.04.08 — физика и химия .плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва — 1991

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного знамени физико-техническом институте ■

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор А.Т.Рахимов Доктор физико-математических наук,

профессор ' Б.М.Смирнов Доктор физико-математических наук,

профессор Л. Д. Цендин

Ведущая организация: Институт прикладной физики АН СССР

Защита состоится < »_ 1992 г. в _ часов на

заседании специализированного Ученого совета Д.034.04.01 при "при Институте атомной энергии им. И. Б. Курчатова по адресу: г. Москва, пл. им. И.В.Курчатова, N1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАЭ им. И. В. Курчатова.

Автореферат разослан <-< > _ 1991 г.

Ученый секретарь Совета кандидат физико-математических наук ' / К 5.Карташеь

^ | ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

с ртирЗ }

Актуальность темы. Слабоионизованная плазма атомарных и молекулярных газов, помещенная в достаточно сильное электрическое поле, является, как правило, неравновесной. При этом в большинстве злучаев не только температуры различных частиц и степеней свободы молекул отличаются друг от друга, но и энергетическое распределение электронов является немаксвелловским. Плазма такого типа присутствует как в естественных условиях в природе С ионосфера, грозовые разряды), так и образуется в результате деятельности человека во всевозможных видах газового разряда. В последние десятилетия газовый разряд широко используется в технике при создании газовых лазеров, плазмохимических реакторов, мощных источников света и т.д.

Свойства неравновесной плазмы зависят от большого числа различных процессов. В однородной плазме концентрация электронов л ее проводимость определяются балансом объемных процессов рождения и гибели электронов. При наличии сильного электрического юля и неоднородностей становятся важными процессы переноса заряженных частиц - дрейф в электрическом поле и диффузионные тотоки. Все эти кинетические процессы влияют не только на стационарные характеристики неравновесной плазмы, но и на ее устойчивость.

Одной из основных характеристик плазмы такого типа является энергетическое распределение электронов. За последние десятилетия з определении этих распределений достигнут существенный прогресс,

который связан с использованием численных методов решения кинетического уравнения Больцмана с учетом специфики сечений рассеяния электронов на атомах и молекулах. В результате стал возможным расчет констант скорости электронных процессов е слабоионизованной плазме и возросла актуальность исследования механизмов элементарных реакций.

В плазме электроотрицательных газов .важны процессы образования и разрушения отрицательных ионов, которые определяет плотность электронов. Для условий газового разряда типичным является большое число возбужденных частиц, которые приводят к значительному изменении кинетики электронов и отрицательных ионов. Все эти вопросы особенно актуальны для плазмы воздуха. Они встречаются при изучении электрон-ионной кинетики в Д-области ионосферы Земли, при создании искусственных плазменных образований в ее атмосфере, в задачах электрической газовой изоляции, при исследовании характеристик таких технических устройств, как озонаторы, С02- лазеры, плазмохимические реакторы для синтеза окислов азота. В последнее время интенсивно развиваются новые прогрессивные методы очистки газообразных продуктов работы теплоэлектростанций и других промышленных предприятий от вредных окислов азота и серы с помощью газового, разряда и электронных пучков. Процессы с участием электронов и отрицательных ионов могут стать важными и при оптимизации технических устройств в задачах экологии.

Другим следствием успешного решения задачи нахождения аиергетического распределения электронов в слабоионизованной однородной плазме является возможность определения электронных

коэффициентов переноса и развития теории неоднородной плазмы. Существующая гидродинамическая теория движения электронов в слабоионизованной плазме, помещенной в квазистационарное электрическое поле, значительно отличается от аналогичной теории цля нейтрального газа или полностью ионизованной плазмы. Ее развитие для слабоионизованной плазмы во внешнем магнитном поле, яри наличии переменного электрического поля и т. д. позволяет последовать стационарные характеристики плазмы и ее устойчивость в достаточно сложных случаях.

Цель работы. Целью работы являлось теоретическое исследование кинетики электронов и отрицательных ионов в слабоионизованной плазме в условиях, когда энергетическое распределение электронов является неравновесным. При этом были поставлены и решены следующие задачи:

-. определение констант скорости процессов прилипания электронов к молекулам с образованием отрицательных ионов и обратных реакций;

- разработка гидродинамической теории движения электронов в слабоионизованной плазме во внешних электрическом и магнитном полях;

- нахождение электронных коэффициентов переноса в слабоионизованной плазме;

- исследование в рамках развитого гидродинамического подхода устойчивости плазмы газового разряда.

Научная новизна и основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Предложен подход для описания трехчастичного прилипания электрона к молекуле 0£ в неравновесной плазме. Определена константа скорости этого процесса в зависимости от вида участвующих в нем частиц и параметров плазмы. Рассмотрение обобщено на другие непарные процессы гибели электронов (трехчастичное прилипание к другим атомам и молекулам, трехчастичнуи электрон-нониус рекомбинацию, прилипание к молекуле в плотных средах} и на случай, когда прилипающий электрон является несвободным Сперезарядка высоковозбужденного атома на молекуле О 3.

г

2. Впервые предложен подход для описания столкновительного разрушения иона 0" в неравновесной плазме и вычислена его константа скорости в широкой области параметров плазмы. Доказана эквивалентность импульсного приближения и классического подхода для столкновительной ионизации высоковозбужденного атома. Указанное приближение обобщено на случай процессов с участием отрицательных ионов.

3. Развит гидродинамический подход для описания движения электронов в слабоионизованной неравновесной плазме во внешних постоянных и переменных электрическом и магнитном полях.

4. Впервые проведен расчет электронных коэффициентов переноса, вызванного неоднородностью и нестационарностью приведенного электрического поля, для конкретных газов. Развиты аналитический подход для определения коэффициентов переноса в случае модельного интеграла столкновений и приближенный метод

оценки их величины в общем случае. Показано, что учет кулоновских столкновений и образования нестабильных отрицательных ионов может привести к дополнительной перенормировке коэффициента продольной циффузии электронов.

5. В рамках развитого гидродинамического описания электронов проведено теоретическое исследование ряда неустойчивостей неравновесной плазмы: термотоковой неустойчивости и влияния юперечного магнитного поля на развитие доменной, ионизационной и 1рилипательной неустойчивостей.

6. Предложен новый механизм усиления звука в слабоионизованной плазме, вызванный трением между электронами и шйтральными частицами.

Научная и практическая значимость работы. Научная ценность >аботы заключается в возможности взглянуть на различные 'рехчастичные процессы с участием электронов с единых позиций, (тот вопрос близко связан с вопросом о том, как меняются свойства [золированной частицы и всего вещества в целом с ростом его [лотности. Кроме того, развитие гидродинамической теории движения лектронов в слабоионизованной плазме во внешних электрическом и (агнитном полях имеет отношение и к другим разделам физической :инетики. Ряд полученных в работе выводов применим для переноса онов и позитронов в газе, а также для описания кинетики лектронов и дырок в полупроводниковой плазме.

Практическая ценность работы состоит в получении констант корости образования и разрушения отрицательных ионов, а также лектронных коэффициентов переноса в слабоионизованной плазме. Эти

данные необходимы при исследовании стационарных характеристик к устойчивости разряда в воздухе и других газах.

Степень обоснованности научных результатов определяется

адекватным выбором математических моделей рассматриваемых физических явлений, численными и аналитическими решениями тестовых задач, изучением предельных случаев, сравнением с существующими расчетами других авторов, а также детальныь сравнением с данными экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на V, VI, VII, VIII Всесоюзных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Киев 1979, Ленинград 1983, Ташкент 1987, Минск 1991); VII, VIII, IX, X Всесоюзных конференциях пс физике электронных и атомных столкновений (Петрозаводск 1978, Ленинград 1981, Рига 1984, Ужгород 1988); XV, XX Международны} конференциях по явлениям в ионизованных газах СМинск 1981, Пиз; 1991); VII, X Европейских конференциях по атомным и молекулярных процессам в ионизованных газах (Бари 1984, Орлеан 1990); Международном совещании «Мощное СВЧ излучение в плазме» (Суздаль, 1990); Всесоюзной школе по экспериментальной физике (Красноярс! 1981); III, IV Всесоюзных конференциях по физике газового разряд* (Киев 1986, Махачкала 1988); II, III, IV Всесоюзных симпозиумах пс динамике элементарных атомно-молекулярных процессов СЧерноголовке 1983, 1985, 1987);' I, II Всесоюзных научных семинара] «Элементарные процессы в плазме электроотрицательных газов: (Ереван 1981, 1984); Всесоюзном семинаре «Взанмодействи* акустических волн с плазмой» (Мегри 1989), а также на сессия!

¡аучных советов АН СССР по проблемам «Физика низкотемпературной щазмы», «Физика электронных и атомных столкновений», «Научные >сновы электрофизики и электроэнергетики^

Публикации. В основу диссертации положены работы, щубликованные в 37 статьях, список которых приведен в конце [втореферата, а также в тезисах упомянутых выше конференций,

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести ■лав, заключения и списка цитируемой литературы из 349 названий. 1бъем диссертации - 316 страниц. Из них 245 стр. приходится на юновной- текст, 25 стр. - на 46 рис. и 46 стр. - на список [итературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ¡формулированы ее цель и задачи, охарактеризованы научная новизна [ практическая ценность полученных результатов, кратко изложено «держание по главам.

Первая глава посвящена изучению трехчастичного прилипания электрона к молекуле в слабоионизованной неравновесной плазме. В >азделе 1.1 описаны возможные механизмы этого процесса. Из-за юльшой практической важности наиболее хорошо исследована реакция е + 0 + М 0" + М (1)

г 2

I большинстве работ измерена ее константа скорости. Теоретических 1абот значительно меньше, и практически все они посвящены изучению ;роцесса С13 для тепловых электронов. Основным механизмом этого :роцесса является механизм Блоха и Брэдбери [1, 21, согласно

которому реакция идет в две стадии. Сначала электрон прилипает к молекуле 0г с образованием отрицательного' иона кислорода в автоионизационном состоянии (СГ]*. Далее происходит тушение автоионизационного уровня при столкновении с третьей частицей.

В диссертации Сраздел 1.23 предложен полуэмпирический количественный подход, который позволяет объяснить с единых позиций большинство имеющихся экспериментальных данных по скорости процесса С13 в слабоионизованной плазме в электрическом поле, когда энергетическое распределение электронов является неравновесным. Часть этих экспериментов выполнена после опубликования результатов настоящей работы. Наряду с этим предложенный подход дал возможность вычислять скорость процесса С13 в ранее не исследованных областях средней энергии электронов и состава газа, а также изучать новые зависимости характеристик этого процесса от параметров плазмы.

В разделе 1.2.1 описан предлагаемый полуэмпирический подход", который основан на формулах, следующих из теории резонансного рассеяния электрона на молекуле. Параметры автоионизационных состояний иона 0" определены из обработки экспериментальных данных по сечениям и константам скорости рассеяния электрона на молекуле О . Энергетическое распределение электронов в слабоионизованной плазме во внешнем электрическом поле найдено из численного решения кинетического уравнения Больцмана. Проведен расчет константы скорости процесса С13 в зависимости от приведенного электрического поля E/N CN - плотность нейтральных частицЗ или характеристической энергии электронов в различных газах и с разными третьими частицами. Результаты расчета приведены в разделах 1.2.1 и 1. 2.2.

Они хорошо согласуются с экспериментальными данными в 0 , N [31, воздухе [4] и смесях с Н20. В разделе 1.2.3 изложены результаты расчета константы скорости процесса С1) при высоких давлениях газа, когда время жизни автоионизационных состояний иона 0~ сравнимо с обратной частотой их тушения частицами. При этом константа скорости зависит от давления газа. Получено хорошее согласие с данными экспериментов в 02 и смесях с (ХК

В разделе 1.2.4 используемый подход обобщен на случай, когда участвующие в процессе (1) частицы находятся в колебательно возбужденных состояниях, а в разделе 1.2.5 получена зависимость скорости прилипания электрона в 02 от температуры газа в неравновесной плазме. Изотопический эффект в рассматриваемом процессе изучен в разделе 1.2.6. Показано, что в зависимости от параметров плазмы изотопическое замещение в молекуле 0г может как ускорять, так и замедлять скорость прилипания.

Предложенный в работе подход позволяет исследовать и процесс колебательного возбуждения молекулы 0г электронным ударом, который идет через те же автоионизационные состояния иона 0г, что и реакция (1). В разделе 1.2.7 изложены результаты расчета констант скорости возбуждения молекулы 0г из колебательно возбужденных состояний и изотопического эффекта в этом процессе.

Раздел 1.2.8 посвящен использованию полученных выше результатов для расчета вольт-амперных характеристик стационарного несамостоятельного газового разряда в смесях азота с кислородом. Эти характеристики находились при решении уравнений баланса плотности электронов, положительных и отрицательных ионов, а также молекул 0 в первом метастабильном состоянии. Получено

удовлетворительное согласие с данными эксперимента [5] в воздухе и

смеси N :0 = 97: 3.

2 2

В разделе 1.3 рассмотрено трехчастичное прилипание электрона к другим нейтральным частицам. Показано, что электрон может прилипать к атому 0 по механизму Блоха-Брэдбери, а прилипание электрона к молекуле N0 происходит в результате одновременного столкновения трех частиц. Проведен анализ элементарных процессов в газовых смесях с N.,0 и сделан вывод о том, что наблюдаемое в эксперименте трехчастичное прилипание нетепловых электронов к молекуле N 0 можно объяснить диссоциативным прилипанием электрона и сложной кинетикой отрицательных ионов.

Трехчастичный процесс захвата электрона заряженной частицей -трехчастичная электрон-ионная рекомбинация Стретье тело молекула) - рассмотрен в разделе 1.4. Вычислена зависимость скорости этого процесса в слабоионизованной неравновесной плазме от характеристической энергии электронов и получено хорошее согласие с экспериментальными данными для плазмы С0__-

В разделе 1.5 подход, предложенный для трехчастичного прилипания, использован при описании перезарядки

высоковозбужденного атома на молекуле в рамках модели

«.свободного» электрона. Результаты расчета константы скорости перезарядки находятся в соответствии с экспериментальными данными С61. Предсказан сильный изотопический эффект в скорости перезарядки при тепловых энергиях.

Процесс прилипания электрона к молекуле в неполярной жидкости в некоторой степени аналогичен трехчастичному прилипанию в газе, так как в жидкости роль третьего тела выполняет окружающая среда.

разделе 1.6 на примере прилипания электрона к молекуле в

жиженных благородных газах теоретически показано, что скорость рилипания в жидкости может на несколько порядков быть выше, чем в азе. Этот вывод качественно согласуется с экспериментальными анными.

Во -второй главе теоретически исследован процесс разрушения грицательных ионов при столкновении с молекулами в неравновесной гсазме. Ввиду сложности этих реакций теоретические работы по асчету их сечений и констант скорости обычно основываются на сдельных предположениях. В диссертации для описания этих зоцессов предлагается несколько новых моделей, позволяющих Зъяснить ряд экспериментальных данных по константам скорости крушения отрицательных ионов при тепловых или близких к ним юргиях. Особое внимание уделено процессам в слабоионизованной тзме с высокой степенью неравновесности и большим содержанием >збужденных частиц.

В разделе 2.1 предложен полуэмпирический подход для описания крушения отрицательных ионов при столкновительном возбуждении из 1тоионизационных состояний. В рамках этого подхода рассмотрен юцесс, обратный процессу С1), то есть исследована модель, |Гласно которой разрушение иона 0~ идет в две стадии. Сначала при шкновении с налетающей частицей происходит возбуждение иона автоионизационные состояния. Потом эти состояния за время, раздо меньшее обратной частоты столкновений, распадаются на ектрон и молекулу 02. Показано, что скорость разрушения иона 0г ределяется из уравнений баланса ионов в автоионизационных стояниях, которые являются его колебательными уровнями, лежащими

выше основного состояния молекулы 0 .

С использованием характеристик автоионизационных состояний иона О;, полученных в первой главе, проведен расчет константы скорости рассматриваемого процесса как в равновесных условиях, так и в слабоионизованной неравновесной плазме в зависимости от вида сталкивающихся частиц (молекулы 0 , С0г, Нг0), температуры

газа, величины приведенного электрического поля Е/И. Ряд результатов расчета согласуется с экспериментальными данными [7, 8].

Отрицательные ионы, как и высоковозбужденные атомы, относятся к системам с малой энергией связи внешнего электрона. Поэтому можно ожидать, что подходы, развитые для описания столкновительного разрушения высоковозбужденного атома, окажутся применимы и в случае отрицательного иона.

В разделе 2.2 изучено импульсное приближение, широко используемое при описании процессов с участием высоковозбужденных атомов. На примере процессов ионизации высоковозбужденного атома при столкновении с возбужденной молекулой и перезарядки высоковозбужденного атома на молекуле показано, что импульсное приближение эквивалентно классическому подходу, а условия их применимости совпадают.

Полученные выводы обобщены в разделе 2.3 на процессы с участием отрицательных ионов. В импульсном приближении проведен расчет констант скорости разрушения иона N0 при столкновении с вращательно возбужденными молекулами Нг и колебательно возбужденными молекулами С02. Результаты расчета качественно согласуются с экспериментальными данными. Аналогичные расчеты

выполнены для процессов разрушения ионов 0", 0" при столкновении с колебательно и электронно возбужденными молекулами N , 0 .

Третья глава посвящена гидродинамическому описанию движения электронов в слабоиониэованной неравновесной плазме, находящейся во внешнем электрическом и магнитном полях. Ранее было показано [9], что такое описание в случае неравновесного энергетического распределения электронов существенно отличается от гидродинамической теории полностью ионизованной плазмы или нейтрального газа. В этом случае уравнение движения и уравнение переноса тепла электронов становятся излишними, и остается только модифицированное уравнение непрерывности для электроного газа. Его явный вид с учетом перенормировки электронных потоков вдоль электрического поля в простейшем случае плазмы во внешнем квазистационарном электрическом поле получен в работе [10]. Вывод этого уравнения и соответствующих электронных коэффициентов переноса приведен в разделе 3.1.

Раздел 3.2 посвящен обобщению гидродинамического описания электронов на случай неравновесной плазмы, помещенной во внешние квазистационарные электрическое и магнитное поля. В приближении Хи<< Ь, тки» 1 и - длина и частота релаксации

энергетического распределения электронов, Ь и т - характерные размер неоднородности и время изменения макроскопических параметров плазмы) получено модифицированное уравнение непрерывности для электроного газа в этом случае, а также найдены уравнения для определения электронных коэффициентов переноса.

В разделе 3.3 рассмотрена слабоионизованная плазма во внешнем переменном электрическом поле с частотой со » V и медленно

меняющейся амплитудой. При » 1 С г - характерное время изменения амплитуды электрического поля) получено уравнение для энергетического распределения электронов. Показано, что нестационарность амплитуды поля приводит. к поправкам в действительной и мнимой частях диэлектрической проницаемости плазмы. Найдены выражения для этих поправок.

Изучена слабоионизованная плазма, помещенная во взаимно перпендикулярные постоянное магнитное и переменное электрическое поля. Рассмотрен случай электронного циклотронного резонанса СЭЦР), когда при совпадении частот и и <д, (ш„ - циклотронная

Н Н

частота электронов) резко увеличивается передача энергии от электрического поля к электронам плазмы. Определен ЭЦР спектр при медленном изменении (тии>> 1) амплитуды электрического поля.

Модифицированное уравнение непрерывности для электроного газа в слабоионизованной неравновесной плазме в отсутствие электрического поля получено в разделе 3.4.

Четвертая глава посвящена вычислению электронных

коэффициентов переноса по формулам третьей главы. В общем случае задача об определении электронных коэффициентов переноса в слабоионизованной плазме сводится к ряду интегро-дифференциальных уравнений, которые необходимо решать численно. Но если интеграл столкновений имеет дивергентный вид

1 д ( 1 2 (Г ) =--к3 V Н (2)

0 0 у2 ^ и

С ГоСV) - функция распределения электронов по скоростям), то в некоторых случаях задачу удается решить аналитически. Интеграл столкновений (2) не только является удобной моделью для

аналитических подходов, но и имеет прямое отношение к реальности. Такой вид интеграл столкновений имеет, когда основные потери энергии связаны с упругими столкновениями (атомарные газы).

Если транспортная частота столкновений электронов V и частота являются степенными функциями от скорости электронов, то электронные коэффициенты, описывающие перенос из-за неоднородности и нестационарности параметра Е/И, в простейшем случае плазмы в квазистационарном электрическом поле определяются простыми аналитическими формулами■[ 10]. В разделе 4.1 получены аналогичные формулы для плазмы, помещенной во внешние электрическое и магнитное поля в пределе сон » V . В рамках той же модели найдена комплексная диэлектрическая проницаемость слабоионизованной плазмы в переменном электрическом поле с медленно меняющейся амплитудой. Также определена поправка к ЭЦР спектру из-за нестационарности амплитуды СВЧ сигнала. Показано, что эта поправка может менять знак как при увеличении частоты отстройки со - со , так и при изменении зависимости уш от скорости электронов.

В реальных газах энергетическое распределение электронов во внешнем электрическом поле формируется под влиянием большого числа различных элементарных процессов. Поэтому для нахождения коэффициентов переноса в конкретных газах необходим численный расчет. Раньше многократно вычислялись скорость дрейфа электронов , их коэффициент продольной и поперечной диффузии. Если меняется не только плотность электронов, но и параметр Е/Л, то направленная скорость электронов равна [10]

w = w -зе e (e 7 Inn) - * e S divE/N -0 1 * 2 t

к dlnE/N _ - «з e (e у InE/N) - —— e.

0

Коэффициенты ж Скроме ж ) для реальных газов впервые были вычислены в настоящей работе. Результаты их расчета в N , 0 , воздухе, СО, С02, Аг, Не и их смесях для E/N = (0,3-30)-10"'6В-см2 приведены в разделе 4.2. Полученные данные для коэффициента жв плазме С02 были подтверждены расчетной работой [11], где изучалась дисперсия линейного отклика скорости дрейфа электронов на высокочастотное поле.

На примере молекулярного азота вычисления аналогичных коэффициентов (здесь они становятся тензорами) были проведены и для плазмы, находящейся в квазистационарном электрическом и постоянном магнитном полях. Проведен расчет ЭЦР спектра слабоионизованной плазмы Аг в условиях медленного изменения амплитуды переменного электрического поля.

Полученные коэффициенты переноса оказываются немонотонными и знакопеременными функциями от параметра E/N. Такое их поведение объяснено с помощью развитого в разделе 4.3 приближенного подхода, основанного на уравнении баланса средней энергии электронов. Хотя точность этого подхода невелика, но он вполне применим для оценок. Из него следует, что коэффициенты ж очень чувствительны к зависимости электронных частот столкновений от их энергии е. В частности, они пропорциональны dv^/dc.

В разделе 4.4 рассмотрена слабоионизованная плазма при достаточно высокой степени ионизации а, когда частота электрон-электронных столкновений v ~ v и энергетическое

распределение электронов зависит от а. Показано, что учет кулоновских столкновений приводит к дополнительной перенормировке коэффициента продольной диффузии электронов в слабоионизованной неравновесной плазме. Для конкретных газов вычислен этот коэффициент с учетом перенормировки, вызванный

электрон-электронными столкновениями.

Если частоты рождения или гибели электронов (ионизация, прилипание, рекомбинация) в слабоионизованной плазме не очень малы по сравнению с частотой у , то эти процессы влияют на энергетическое рапределение электронов и их коэффициенты переноса. Для изучения этого эффекта обычно применялись численные методы. В разделе 4.5 развит простой подход, позволяющий исследовать влияние процессов рождения и гибели электронов на коэффициенты переноса при у0 «

В разделе 4.6 изучены процессы электронного переноса в условиях, когда важен захват электронов молекулами с образованием нестабильных отрицательных ионов. Известно, что такой захват при достаточно высоких давлениях газа приводит к .уменьшению эффективной скорости дрейфа электронов. В разделе 4.6 приведены результаты расчета этого эффекта для слабоионизованной плазмы, содержащей молекулы и МО. При этом использованы характеристики автоионизационных состояний иона 0~, полученные в первой главе диссертации. Отдельно рассмотрены случаи равновесной и неравновесной плазмы.

Показано, что захват электронов в автоионизационные состояния отрицательных ионов приводит к перенормировке коэффициента продольной диффузии электронов в слабоионизованной плазме на

величину

Б*= -- (у _ „ (3)

(у + О3 е 1

а сК

где иа и - частоты образования и разрушения нестабильных отрицательных ионов, V и wi - скорости дрейфа электронов и ионов. Проведена оценка величины Б* для конкретных газов.

В пятой главе гидродинамическая теория для электронов, развитая выше, применена для описания линейной стадии развития ряда неустойчивостей газоразрядной плазмы. В разделе 5.1 приведена система уравнений, используемая для исследования устойчивости неравновесной плазмы. Она включает уравнения баланса электронов, ионов и обычные электродинамические уравнения. Если плотность нейтральных частиц меняется, то к этой системе необходимо добавить гидродинамические уравнения для нейтрального газа.

В разделе 5.2 рассмотрена -термотоковая неустойчивость квазинейтральной неравновесной плазмы, на возможность развития которой указано в [9]. С учетом анизотропии электронного переноса найдено условие ее развития, которое имеет вид

д 1пм

О, -— <

ь д 1пЕ/Ы £

д 1т»

1 +

д 1па .

С43

д 1пБ

где = -=—I- ж + х , и С. - коэффициенты поперечной и

Е д 1пЕ/М 3 т ь

продольной диффузии электронов. На основе расчета электронных

коэффициентов переноса, выполненного в четвертой главе,

предсказано развитие термотоковой неустойчивости в

слабоионизованной плазме Не для приведенных электрических полей Е/Ы = С4 - 7)'Ю"17 В-см2 и С02 для Е/П = (7 - 24)-КГ17 В-см2. Этот вывод для Не был впоследствии подтвержден экспериментом [12], где исследовалась устойчивость самостоятельного газового разряда, а также расчетом [13] в рамках кинетического подхода без предположения о малости кХ. Ск - волновое число).

В разделе 5.3 исследовано влияние магнитного поля на развитие доменной неустойчивости в неравновесной плазме. Определен порог ее развития в плазме с поперечньм магнитным полем для конкретных неравновесных систем: системы с модельньм интегралом столкновений (2), полупроводниковой плазмы в п - СаАэ, газовой плазмы в смеси СО^-.Аг = 2:98. Исследован как случай без электрического холловского поля, так и при его наличии. Результаты расчета для газовой плазмы согласуются с данными эксперимента [14] в несамостоятельном газовом разряде, поддерживаемом электронным пучком.

Влияние магнитного поля на ионизационную и прилипательную неустойчивости неравновесной плазмы в пределе V « изучено в разделе 5. 4. Получены выражения для инкремента и фазовой скорости распространения возмущений. Показано, что наложение магнитного поля облегчает развитие прилипательной неустойчивости.

Шестая глава посвящена исследованию в рамках описанного выше гидродинамического подхода явления усиления звуковых волн в неравновесной слабоионизованной плазме. В разделе 6. 1 изучена анизотропия усиления звука в плазме газового разряда. Показано, что наблюдавшееся в эксперименте изменение усиления звука в разряде при смене направления распространения звуковых волн (вдоль

или навстречу электрическому полю) вызвано амбиполярным дрейфом плазмы. Он может быть связан с зависимостью подвижности электронов от электрического поля или с присутствием отрицательных ионов. Амбиполярный дрейф, если его скорость совпадает со скоростью звука, позволяет компенсировать снижение усиления звука, вызванное инерцией ионизационных процессов.

В разделе 6.2 предложен и теоретически ислледован новый механизм усиления звука в слабоионизованной плазме несамостоятельного газового разряда. Этот механизм вызван трением между «горячими» электронами и нейтральными частицами. Усиление возможно при распространении звука вдоль электрического тока. Коэффициент усиления при этом зависит от скорости дрейфа электронов и коэффициента Б . Если

д 1пи

-2- « 1,

д 1пЕ/И

то новый механизм оказывается конкурентоспособным с известными механизмами усиления звука в слабоионизованной плазме. Расчеты электронных коэффициентов переноса, выполненные в четвертой главе, показывают, что это может иметь место, например, в несамостоятельном разряде в смесях Иг:Аг.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертации.

1. Проведено теоретическое исследование трехчастичных процессов захвата электрона молекулами, атомами и ионами в слабоионизованной плазме.

а) Предложен подход для описания трехчастичного прилипания электрона к молекуле 0г в неравновесной плазме. Проведен расчет

константы скорости этого процесса в зависимости от характеристической энергии электронов, вида третьей частицы, давления и температуры газа, колебательного возбуждения молекулы 02 и третьей частицы, изотопного состава молекулы. Получено хорошее согласие с большим набором экспериментальных данных. Расчет вольт-амперных характеристик несамостоятельного газового разряда в смесях :0г с использованием найденной константы скорости прилипания согласуется с результатами изменений.

б) Предложены механизмы трехчастичного прилипания электрона к атому 0, молекулам N0 и ^0.

в) На примере С02 проведен расчет константы скорости трехчастичной электрон-ионной рекомбинации в слабоионизованной неравновесной плазме и получено согласие с экспериментальными данными.

2. В рамках модели «свободного» электрона определена зависимость константы скорости перезарядки высоковозбужденного атома на молекуле 0г ■от степени возбуждения атома. Результаты подтверждены данными эксперимента. Для скорости перезарядки предсказан сильный изотопический эффект.

3. Показано, что рост скорости захвата электрона молекулой в неполярной жидкости может быть связан с изменением времени жизни промежуточного нестабильного отрицательного иона. На основе этого эффекта объяснена наблюдаемая в . эксперименте высокая скорость прилипания электрона к молекуле N^0 в сжиженных благородных газах.

4. Предложен подход для описания столкновительного разрушения иона 0" при тепловых энергиях. Определена константа скорости этого процесса как в равновесных условиях, так и в слабоионизованной

неравновесной плазме в зависимости от вида налетающей частицы, температуры газа, величины приведенного электрического поля. Результаты согласуются с экспериментальными данными.

5. Показана эквивалентность импульсного приближения и классического подхода для процессов ионизации высоковозбужденного атома при столкновении с возбужденной молекулой и перезарядки высоковозбужденного атома на молекуле. В рамках импульсного приближения проведен расчет констант скорости разрушения ионов N0", 0" и О; на возбужденных молекулах.

6. Развит гидродинамический подход для описания движения электронов в слабоионизованной неравновесной плазме при наличии постоянного магнитного и постоянного или переменного электрического полей.

7. Проведен расчет электронных коэффициентов переноса, описывающих потоки электронов из-за неоднородности и нестационарности приведенного электрического поля, для ряда атомарных и молекулярных газов. Развиты аналитический подход для определения электронных коэффициентов переноса в случае модельного интеграла столкновений и приближенный метод их оценки.

8. Показано, что кулоновские столкновения и захват электронов в автоионизационные состояния отрицательных ионов приводят к перенормировке коэффициента продольной диффузии электронов в слабоионизованной плазме.

9. В рамках развитого гидродинамического описания электронов проведено теоретическое исследование устойчивости неравновесной плазмы.

аЗ Предсказано развитие термотоковой неустойчивости в

слабоионизованной плазме Не и С0г. Впоследствие было получено подтверждение этого вывода для Не в эксперименте и в расчетах на основе кинетического подхода.

б) Изучено влияние магнитного поля на развитие доменной неустойчивости в системе с модельным интегралом столкновений, полупроводниковой и газовой плазме. В последнем случае получено согласие с экспериментальными данными.

в) Исследовано влияние магнитного поля на ионизационную и прилипательную неустойчивости неравновесной плазмы.

10. Предложен новый механизм усиления звука в слабоионизованной плазме, вызванный трением между электронами и нейтральными частицами.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Месси Г. Отрицательные ионы. М. : Мир, 1979.

2. Смирнов Б. М. Отрицательные ионы. М. : Атомиздат, 1978.

3. Васильева А. Н., Гришина И. А. , Ктиторов В. И., Ковалев А. С. , Рахимов А. Т. 0 трехтельном прилипании электронов к кислороду в плазме несамостоятельного разряда. - Физика плазмы, 1979, т. 5, N 5, с. 1135-1139.

4. Schneider B.I. , Brau С. A. Two- and three-body electron attachment in air. - J. Phys. B, 1982, y. 15, N 10, p. 1601-1607.

5. Велихов E. П. , Голубев С. А., Ковалев A.C., Персианцев И. Г. , Письменный В. Д. , Рахимов А.Т. , Рахимова Т. В. Стационарный несамостоятельный газовый разряд в молекулярных смесях повышенного давления. - Физика плазмы, 1975, т. 1, N5, с. 847-853.

6. Walter C.V., Zollars В. G., Johnson C.B., Smith К. A., Dunning

F.B. Formation of 0~ ions in К (nd) - 0 collisions at 2 2

intermediate п. - Phys. Rev. A, 1986, v. 34, N 5,.р. 4431-4432.

7. Pack J.L. , Phelps A.V. Electron attachment and detachment. I. Pure 02 at low energy. - J. Chem. Phys., 1966, v. 44, N 5, p. 1870-1883.

8. Goodson D.W., Corbin R. J., Frommhold L. Electron avalanches in oxygen: Detachment from the diatomic ion 0". - Phys. Rev. A, 1974, v. 9, N 5, p. 2049-2059.

9. Тимофеев А. В. О гидродинамических уравнениях переноса для слабоионизованной плазмы газового разряда. - Журнал технической физики, 1970, т. 40, N 1, с. 192-197.

10. Александров Н. Л. , Напартович А. П. , Старостин А. Н. Уравнения переноса в неравновесной слабоионизованной плазме. - Физика плазмы, 1980, т. 6, N 5, с. 1123-1132.

И. ДяткоН. А. , Кочетов И. В., Напартович А. П. , Старостин А. Н. 0 дисперсии линейного отклика дрейфовой скорости электронов в слайоионизованной плазме на высокочастотное поле. - Теплофизика высоких температур, 1983, т. 21, H S, с. 833-838.

12. Акишев Ю. С., Дятко H.A. , Лопаткин И. Н. , Минина И. В. , Напартович А. П. , Кочетов И. В. Термотоковая неустойчивость тлеющего разряда. - Тезисы доклада VII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы, Ташкент, 1987, ч. 1, с. 261-262.

13. Швейгерт В.А. 0 терыотоковой неустойчивости тлеющего разряда в гелии. - Физика плазмы, 1988, т. 14, N 10, с. 1263-1265.

14. Александров Н.Л., Кончаков A.M. , Кочетов И.В. , Напартович А.П. , Паль А. Ф. , Пичугин В. В. , Старостин А. Н., Филиппов А. В. Влияние поперечного магнитного поля на доменную неустойчивость в низкотемпературной плазме. - ЖЭТФ, 1990, т. 98, N 3, с. 870-880.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Александров Н. Л. О механизме прилипания электронов к молекулам кислорода в азотной плазме. - Теплофизика высоких температур, 1978, т. 16, N 2, с. 231-234.

2. Александров Н. Л. Трехтельное прилипание электронов к молекулам кислорода в газовом разряде. - Теплофизика высоких температур, 1978, т. 16, N 4, с. 719-722.

3. Александров Н.Л. Разрушение ионов N0" при столкновении -с возбужденными молекулами. - Теплофизика высоких температур, 1978, т. 16, N 3, с. 1093-1094.

4. Александров Н. Л. Отлипание электронов от ионов 0 и 0г на возбужденных молекулах в газоразрядной воздушной плазме. - ЖТФ, 1978, т. 48, N 7, с. 1428-1431.

Александров Н.Л. Трехтельное прилипание электронов к 02 в газовом разряде смеси С0£ - N - Не - 0 . ЖТФ, 1979, т. 49, N 8, с. 1649-1653.

6. Александров Н. Л. Отрыв слабосвязанного электрона от отрицательного иона при столкновении с возбужденной молекулой. -ЖЭТФ, 1979, т. 76, N 4, с. 1230-1243.

7. Александров Н.Л. , Сон Э. Е. Энергетическое распределение и кинетические коэффициенты электронов в газах в электрическом поле. - В сб.: Химия плазмы /Под ред. Б.М.Смирнова. М. : Атомиздат, 1980, вып. 7, с. 33-75.

8. Александров Н. Л. Прямое и ступенчатое возбуждение колебательных уровней молекулы 0г электронным ударом. - Теплофизика высоких температур, 1980, т. 18, N 2, с. 416-418.

9. Александров Н. Л. Разрушение ионов 0г при столкновении с молекулами. - Теплофизика высоких температур, 1980, т. 18, N 5, с. 911-916.

10. Александров • Н. Л. Перезарядка отрицательного иона с малой энергией связи на многоатомной молекуле. - ЖГФ, 1980, т. 50, N1, с. 42-47.

11. Александров Н. Л. Образование и разрушение ионов 0" и N0" в слабоионизованной низкотемпературной плазме. - В кн.: Химия плазмы /Под ред. Б.М.Смирнова. М.: Энергоиздат, 1981, вып. 8, с. 90-122.

12. Александров Н. Л. , Высикайло Ф. И., Исламов Р.1., Кочетов И. В. , Напартович А.П., Певгов В.Г. Функция распределения электронов в смеси ^:0г =4:1. - Теплофизика высоких температур, 1981, т. 19, N 1, с. 22-27.

13. Александров Н. Л. , Высикайло Ф. И., Исламов Р. III., Кочетов И. В. , Напартович А. П. , Певгов В.Г. Расчетная модель разряда в смеси

:02 =4:1. - Теплофизика высоких температур, 1981, т. 19, N3, с. 485-490.

14. Александров Н. Л. , Добкин С.В. О влиянии автоионизационных состояний отрицательных ионов на плотность свободных электронов в газе при высоких давлениях. - Теплофизика высоких температур, 1981, т. 19, N 4, с. 876-878.

15. Александров Н. Л. Трехчастичное прилипание электронов к молекулам 02 в слабоионизованной плазме' при повышенных давлениях. - Химия высоких энергий, 1981, т. 15, N 3, с. 272-275.

16. Александров Н.Л. , Кончаков A.M. Электронные коэффициенты переноса в неравновесной слабоионизованной плазме. - Физика плазмы, 1981, т. 7, HI, с. 185-191.

17. Александров Н.Л. , Кончаков A.M. Электронные коэффициенты переноса в неравновесной слабоионизованной плазсе смесей С0г: Nz. - Теплофизика высоких температур, 1983, т. 21, N 1, с. 1-6.

18. Александров Н. Л., Напартович А. П. , Старостин А. Н. Уравнения переноса электронов в неравновесной слабоионизованной плазме в электрическом и магнитном полях. - Физика плазмы, 1983, т. 9, N 5, с. 1068-1075.

19. Александров Н.'Л. , Кончаков A.M. Влияние колебательного возбуждения на скорость прилипания электронов к молекулам 02 в газовом разряде - Теплофизика высоких температур, 1984, т. 22, N 2, с. 254-257,

20. Александров Н. Л. , Кончаков A.M. , Напартович А.П. , Старостин А.Н. Явления переноса заряженных частиц в слабоионизованном газе. - В сб.: Химия плазмы Под ред. Б.М.Смирнова. М. : Энергоатомиздат, 1984, вып. И, с. 3-45.

21. Александров Н.Л., Напартович А.П., Старостин А. Н. Электронные коэффициенты переноса в неравновесной слабоионизованной плазме в электрическом и магнитном полях. - Журнал прикладной механики и технической физики, 1984, N 3, с. 20-24.

22. Александров Н. Л. , Кончаков А.-М. Электронные коэффициенты переноса в неравновесной слабоионизованной плазме молекулярного азота в электрическом и магнитном полях. - Физика плазмы, 1985, т.. И, N 9, с. 1140-1146.

23. Александров Н. Л. Образование и разрушение ионов 0г в неравновесной плазме при высоких температурах. - ЖГФ, 1986, т. 56, N 7, с. 1411-1416.

24. Александров Н.Л. , Кучеренко В. И. Резонансное рассеяние электронов на молекулах 1В0г. - Теплофизика высоких температур, 1986, т. 24, N 3, с. 417-421.

25. Александров Н. Л., Напартович А.П. Влияние автоионизационных состояний отрицательных ионов на диффузию электронов в слабоионизованной плазме. - Физика плазмы, 1986, т. 12, N 9, с. 1101-1105.

26. Александров Н. Л., Кончаков A.M., Шачкин Л. В. , Шашков В, М. Диссоциативная и тройная электрон-ионная рекомбинация в газоразрядной плазме (ХК - Физика плазмы, 1986, т. 12, N 10, с. 1218-1224.

27. Александров Н. Л. Реакция захвата электрона молекулой N20 в сжиженных благородных газах. - Химическая физика, 1987, т. 6, N 10, с. 1386-1388.

28. Александров Н. Л., Кончаков А.М. Спектр электронного циклотронного резонанса в нестационарной слабоионизованной плазме. - Физика плазмы, 1987, т. 13, N 11, с. 1390-1393.

29. Александров Н. Л. , Кончаков А. М. , Напартович А. П. Влияние поперечного магнитного поля на доменную неустойчивость в полупроводниках. - Физика и техника полупроводников, 1987, т. 21. N 1. с. 84-89.

30. Александров Н.Л. Трехчастичное прилипание электрона к молекуле. - УФН, 1988, т. 154, N 2, с. 177-206.

31. Александров Н.Л. Трехчастичное прилипание электрона к молекуле 0г в колебательно-возбужденном газе. - Теплофизика высоких температур, 1988, т. 26, N S, с. 1012-1014.

32. Александров Н.Л. Ионизация высоковозбужденного атома при тепловых столкновениях с молекулой 0г - Химическая физика, 1988, т. 7., N 10, с. 1339-1364.

33. Александров Н. Л. , Куркин С.М. , Шашков В.М. Трехчастичное прилипание электрона к молекуле 0г в плазме ССК - Химическая физика, 1989, т. 8, N 9, с. 1219-1224.

34. Александров Н. Л. , Кончаков A.M., Напартович А. П., Старостин А. Н. Новый механизм усиления звука в слабоионизованном газе. ЖЭТФ, 1989, т. 95, N 5, с. 1614-1624.

35. Александров Н. Л. , Кончаков А. М. , Кочетов И. В. , Напартович А. П. , Паль А.Ф. , Пичугин В.В. , Старостин А. Н. , Филиппов A.B. Влияние поперечного магнитного поля на доменну» неустойчивость в низкотемпературной плазме. - ЖЭТФ, 1990, т. 98, N 3, с. 870-880.

36. Александров Н. Л. , Напартович А. П., Паль А. Ф. , Серов А. 0. , Старостин А.Н. Усиление звуковых волн в плазме газового разряда. - Физика плазмы,.1990, т. 16, N 7, с. 862-870.

37. Александров Н. Л., Кочетов И. В. Электронные коэффициенты переноса в неравновесной слабоионизованной плазме при наличии кулоновских столкновений. - Физика плазмы, 1991, т. 17, N6, с. 728-734.

Технический редактор С.К. Сведлова

Подписано в печать 19.11.91. Формат 60x84/16 Уч.-изд.л. 1,4. Тираж 102. Заказ 217

Отпечатано в ИАЭ