Повна версія

Головна arrow Техніка arrow ЕЛЕКТРОНІКА. ЧАСТИНА 1 ВАКУУМНА ТА ПЛАЗМОВА ЕЛЕКТРОНІКА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ПРОЦЕСИ В ПЛАЗМІ

Плазму можна отримати при розігріві речовини, що знаходиться в газоподібному або твердому стані. Плазму називають четвертим станом речовини. Стан рівноважної плазми, як і будь-якого газу, визначається її складом, концентрацією компонент і температурою. Позначимо парціальні концентрації компонент плазми л а , надаючи індексу а значення а (нейтральні частинки), i (іони), q (електрони). Взагалі кажучи, плазма може містити різні види (сорти) атомів і іонів. У більшості випадків будемо розглядати так звану просту плазму, що складається з нейтральних частинок одного сорту, однозарядних іонів того ж сорту і електронів. Тоді ступінь іонізації Л можна визначити як відношення концентрації іонів і нейтральних атомів:

Температуру плазми Т будемо висловлювати в енергетичних одиницях. Вона пов'язана з звичайно використовуваним визначенням температури співвідношенням:

де Т до - температура, К; А: - постійна Больцмана.

У рівноважної плазмі параметри концентрації і температури повністю характеризують її стан. Температура такої плазми визначає не тільки середню енергію, а й розподіл часток за швидкостями (максвелловское розподіл). За концентрації і температурі плазми можна знайти ступінь іонізації, концентрацію іонів, збуджених атомів, фотонів і т. П. Однак далеко не завжди плазму можна вважати рівноважної. Зокрема, газорозрядна плазма, одержувана зазвичай в лабораторії, далека від рівноваги. У деяких випадках зустрічається так зване часткове рівновагу, при якому розподіл швидкостей заряджених і нейтральних частинок є максвелловським.

Температури, що визначають цей розподіл для електронів і важких частинок, різні. Для такої неізотермічної плазми можна ввести окремо електронну та іонну температури - Т "Т ,. У загальному випадку розподіл швидкостей заряджених частинок в нерівноважної плазмі може суттєво відрізнятися від максвеллівський. Однак тут ми будемо також говорити про температуру компонент плазми, визначаючи її як міру середньої енергії хаотичного руху частинок. Зрозуміло, для отримання повної інформації про поведінку нерівноважної плазми відомостей про середніх енергіях (температурі) компонент недостатньо, т. К. Необхідно ще знати функцію розподілу частинок за швидкостями.

Характерною особливістю плазми є її макроскопічна нейтральність, що підтримується внаслідок взаємної компенсації просторового заряду позитивних іонів і електронів. Однак така компенсація має місце лише в досить великих обсягах і протягом великих проміжків часу. Тому кажуть, що плазма квазінейтральності середу. Розміри областей і проміжки часу, в межах яких може порушуватися компенсація об'ємного заряду, називають просторовим і тимчасовим масштабами поділу зарядів.

При порушенні квазінейтральності плазми в обсязі виникають просторові електричні поля і просторові заряди. Як правило, виникають процеси, що призводять до відновлення квазінейтральності плазми.

Ступенем іонізації тазми називається число а, яке визначається в умовах термодинамічної рівноваги формулою Саха:

де величина К визначається наступним чином

де / - енергія іонізації, еВ; - число всіх частинок в кубі з ребром

де до - постійна Больцмана, І - постійна Планка, Т -температура плазми.

Залежно від величини а говорять про слабо, сильно або повністю іонізованої плазми. Розрізняють високотемпературну плазму з 10 6 -10 8 До і низькотемпературну

плазму з Т < 10 5 К.

Існує два найважливіших показника, згідно з якими властивості плазми відрізняються від властивостей нейтрального газу:

  • 1. Взаємодія частинок в плазмі визначається кулоновскими силами тяжіння або відштовхування, а не тільки температурними процесами. Така взаємодія електрично заряджених частинок є колективним.
  • 2. Електричні та магнітні поля сильно діють на плазму, формуючи в ній електричні заряди і струми.

Квазінеітральност' плазми дотримується в тому випадку, якщо лінійні розміри області плазми багато більше дебаєвсьного радіусу екранування.

Фізичний сенс дебаєвсьного радіусу екранування полягає в тому, що він є просторовим масштабом в плазмі (або напівпровідниках), на якому екранується поле зарядженої частинки. Причиною екранування будь-якого заряду є процес переважного групування заряджених частинок протилежного знака. Якщо заряджена частинка з зарядом Zq створює електричний потенціал Фд, то дебаевский радіус екранування / * /, визначається з виразу

При цьому відбувається нейтралізація заряду системи на відстані ~ r D . В цьому випадку плазму можна розглядати як квазінейтральності колектив, який містить велику кількість заряджених частинок і займає область з лінійними розмірами L » r D .

де q e і q, - заряди електронів та іонів, n t і п, - електронна і іонна щільності, Т в і Т, - температура електронної та іонної складової плазми, відповідно.

Плазма називається ідеальною, якщо потенційна енергія взаємодії частинок мала в порівнянні з тепловою енергією.

У плазмі виникають поздовжні коливання просторового заряду - ленгмюровских хвилі, кутова частота яких визначається співвідношенням:

де ш / ( - плазмова частота, q "m - заряд і маса електрона.

Наявність власних коливань і хвиль - характерна властивість плазми. Електрони і іони в плазмі рухаються по спіралях: електрони обертаються за годинниковою стрілкою, а іони проти годинникової стрілки.

Магнітні моменти ц кругових струмів рівні

де m - маса, v - маса і швидкість часток, В - вектор індукції магнітного поля.

Як і будь-яке діамагнітне речовина, плазма виштовхується з області сильного магнітного поля в область слабкого поля.

Важливою характеристикою плазми є довжина вільного пробігу частинки L :

де величина х = -, v - частота зіткнень, п - число частинок зі швидкістю V. час- nV

тота зіткнень визначається за формулою де т - час між зіткненнями.

Слід особливо відзначити, що довжина вільного пробігу в плазмі істотно відрізняється від довжини вільного пробігу в газах.

У плазмі розрізняють три часу взаємодії при зіткненні:

1. т «. - максвелловское розподіл для електронів.

. fnr

2. х і - максвелловское розподіл для іонів: т "= т -.

У т <

, Т ,

3. - максвелловское розподіл для плазми: x w = т Л . -.

т з

Різниця цих часів зобов'язує ввести поняття температури для іонної Т, і електронної T t складової плазми. Якщо процеси в плазмі не завершені, то Т е * T t . Зіткнення частинок визначають дисипативні властивості квазинейтральной плазми.

Електропровідність а повністю іонізованої плазми не залежить від щільності плазми і пропорційна Т 372 .

При Г »1,5x10 7 До електропровідність плазми перевершує електропровідність срібла. При збільшенні температури властивості плазми наближаються до властивостей надпровідника.

Одним з методів опису плазми є рух частинок. У плазмі зарядженачастка летить зі швидкістю V " уздовж магнітної силової лінії, обертаючись по спіралі з плазмовою частотою ra fl = J ^ Kn ^ e , де q і m - маса і заряд частинки, п - щільність час- V / і

тиц (рис. 5.2).

У загальному випадку на частку зарядом q і масою т, що дрейфує в плазмі, діє сила F, яка визначається виразом:

У цьому виразі перший доданок є складовим гравітаційного поля, де g - прискорення вільного падіння. Другий доданок характеризує дрейф в електричному полі Є. Третє складова - діамагнітная складова в поле з індукцією В і градієнтом V за координатами і магнітною проникністю р. Четверте доданок обумовлено відцентровою силою в викривленому поле по нормалі п . П'яте доданок пов'язано зі зміною електричного дрейфу і називається поляризационной силою.

Схема обертання електрона q  і позитивного іона qi по ларморовской спіралі

Мал. 5.2. Схема обертання електрона q e і позитивного іона qi по ларморовской спіралі

Якщо Е = 0, g = О, то на частку діють тільки діамагнітниє і відцентрові сили. У цьому випадку частка дрейфує по бинормали, а траєкторії повільних частинок є поверхні, перетину яких мають форму бананів.

 
<<   ЗМІСТ   >>