Газоразрядная плазма

12.03.2023

Мы продолжаем изучение физических принципов лежащих в основе работы газоразрядных электронных приборов. Во многих таких приборах используется самостоятельный разряд, который характеризуется высокой степенью ионизации газа. Газ в сильно ионизированном состоянии, при условии равенства нулю суммарного заряда электронов и ионов в каждом элементарном объеме, называется плазмой. Плазма может возникать при разных физических процессах. Например, под действием температур в миллионы градусов возникает высокотемпературная плазма. Но мы сегодня будем рассматривать только плазму, возникающую при газовом разряде. Такую плазму называют газоразрядной. Температура такой плазмы относительно низкая. Причем между молекулами и электронами в такой плазме нет термодинамического равновесия. Этим она отличается от высокотемпературной, которую еще называют изотермической.

Что бы плазма находилась в стационарном состоянии, необходимо, что бы протекали процессы восполняющие убыль ионов в результате рекомбинации. То есть, в плазме будут протекать и процессы рекомбинации, и процессы ионизации. В газоразрядной плазме электроны и ионы находятся в электрическом поле. Мы рассматривали все это в предыдущей статье. Но там мы не учитывали, что скорость частиц имеет две составляющие. Первая составляющая, обозначим ее v, относится к хаотичному, тепловому, движению. Вторая составляющая, обозначим ее u, относится к упорядоченному, направленному, движению под действием электрического поля. Для электронов упорядоченное движение происходит в направлении противоположном вектору напряженности электрического поля E.

Мы будем рассматривать не скорость каждого электрона, участвующего в процессе ударной ионизации, а среднюю скорость электронов в единице объема. <v> это средняя скорость хаотического движения электронов, <u> средняя скорость направленного движения электронов. В момент включения электрического поля в газе будет иметься некоторое количество электронов, причем их средняя скорость будет определяться температурой газа Tг

Средняя скорость направленного движения будет равна 0, так как электрического поля еще не было. Рассмотрим движение электрона между двумя последовательными соударениями с молекулами или ионами

Траектория его движения будет немного искривлена под действием силы -eE, так как электрон движется в электрическом поле. При этом электрон будет в среднем проходить путь λ, а электрическое поле будет совершать над ним работу

Здесь lF это проекция перемещения электрона на направление действующей на него силы. Из-за соударений направление движения электрона все время изменяется случайным образом. Поэтому величина и знак lF будут различными в разные моменты времени. И работа поля тоже будет различной. На некоторых участках траекторий движения электрическое поле будет увеличивать скорость, а значит, и энергию, электрона. А на некоторых уменьшать. При отсутствии электрического поля среднее перемещение было бы равно 0. Но при наличии поля среднее значение lF будет отлично от нуля, так как поле вносит свой вклад в упорядочивание движения электрона. Будет отличным от нуля и и среднее значение работы. Причем работа будет положительна.

Здесь τ это средняя продолжительность свободного пробега электронов. Причем <u> << <v>. Другими словами, электрическое поле в среднем увеличивает энергию электронов. При столкновении с молекулой электрон передает ей часть своей энергии. Но в предыдущей статье мы выяснили, что при упругом соударении доля переданной энергии, обозначим ее δ, очень мала. В среднем она будет равна, при центральном ударе

Здесь m это масса электрона, а M масса молекулы.

В разряженном газе λ достаточно велико. При большой напряженности поля E работа может превзойти энергию, передаваемую в среднем молекуле при каждом столкновении. Как следствие, энергия хаотического движения электронов будет расти. В конечном итоге она достигнет значения, достаточного для возбуждения или ионизации молекулы. С этого момента времени некоторые соударения перестанут быть упругими и будут сопровождаться большой потерей энергии. Мы рассматривали это в предыдущей статье. Средняя доля передаваемой энергии <δ> увеличится.

Таким образом, энергию, необходимую для ионизации, электроны накапливают постепенно, за несколько свободных пробегов между столкновениями. Ионизация приводит, как мы уже знаем, к появлению большого количества электронов и ионов. Возникает плазма. При этом энергия электронов плазмы определяется условием равенства работы, совершаемой полем над электроном за один свободный пробег, среднему значению энергии, отдаваемой электроном при соударении с молекулой

Здесь <δ> является функцией от <v>. Опыты показывают, что для электронов в газоразрядной плазме имеет место максвелловское распределение по скоростям. Так как электроны слабо взаимодействуют с молекулами (при упругом столкновении), а количество неупругих столкновений мало, средняя скорость хаотического движения электронов будет во много раз больше скорости соответствующей температуре газа. Это и есть то самое отсутствие термодинамического равновесия.

Концентрация носителей тока в плазме очень велика. Поэтому плазма обладает хорошей проводимостью. При этом подвижность электронов примерно в 1000 раз выше подвижности ионов. А это означает, что ток в плазме создается в основном электронами. Поэтому газоразрядные приборы все таки являются электронными. Хоть при этом остаются и ионными, так как в их работе очень важное значение имеют процессы ионизации газа.

Заключение

Вот теперь мы готовы поближе познакомится с тлеющим разрядом, который используется во многих газоразрядных электронных приборах. Этим и займемся в следующей статье. На радость тем, кто не очень любит математику и физику, в ней практически не будет формул.

Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме