Ионизация как метод получения плазмы

Чтобы перевести газ в состояние плазмы, нужно осуществить процесс ионизации этого газа в заметном количестве. Основные пути ионизации следующие: 1) автоионизация в сильных электрических полях, когда на пространстве атома (молекулы) валентный элетрон приобретает энергию выше энергии ионизации; 2) подвод тепла - температурная ионизация; 3) поглощение лучистой энергии - фотоионизация; 4) столкновение с другими частицами газа - ударная ионизация (ионизация давлением).

Автоионизация возникает, когда атом (молекула) находятся в сильном электрическом поле. При этом на пространстве атома валентный электрон приобретает энергию:

, (14.1)

где d_а – размер атома (молекулы). Например, для молекул воздуха этот размер можно принять равным 1,49 Å. Средняя энергия ионизации для молекул воздуха составляет ~ 14,5 эВ. Тогда напряженность электрического поля, которая может вызвать автоионизацию составляет ~ 1·10¹¹ В/м. Это огромная величина. Она возникает вблизи поверхности кластеров. Так для алюминия на поверхности кластера при разности потенциалов между электродами φ = 200 В возникает электрическое поле напряженностью 4,65·10¹¹ В/м, а на поверхности медного кластера – 5,3·10¹¹ В/м. При таких напряженностях электрических полей вблизи кластеров должна возникать автоионизация газа. Важно при этом, чтобы количество атомов в области, где возможна автоионизация, было бы больше одного.

Зная радиус кластера, легко найти среднее число частиц в области, где реализуется автоионизация, а именно:

. (14.2)

Здесь ΔV – объем вокруг кластера, в котором имеет место автоионизация; Р –давление газа; Т – температура газа.

Только тангенциальная составляющая электрического поля электромагнитной волны определяет протекания тока разряда. Эта составляющая уменьшается по мере отклонения от оси симметрии кластера по косинусоидальному закону. Поэтому объем, в котором происходит автоионизация вокруг кластера, уменьшается в два раза. В соответствии с (14.2) в нормальных условиях для алюминия получаем ΔN = 0,18 и для меди ΔN = 0,177. Вследствие флуктуации плотности вероятность того, что вблизи кластера будет находиться одна частица газа, определится нормальным законом Гаусса:

, (14.3)

где х = х - х, а х = ΔN. Конкретный расчет дает для алюминия Р (0,82) = 5,5·10^-7 и для меди Р (0,823) = 5,2·10^-7. В объеме вблизи кластера, где возникает ионизация, образуется следующее количество заряда

. (14.4)

Средняя скорость, с которой образующийся электрон вследствие ионизации окружающего газа покидает кластер, в соответствии с законом сохранения энергии составит:

, (14.5)

где m_a – масса образующегося положительного иона. Деление на массу иона определяется тем, что электрический ток в замкнутой цепи является постоянным во всех элементах цепи. Вблизи катода электрический ток определяется движением ионов и электронов, а вблизи анода только электронами.

В результате между электродами, которые заканчиваются полусферой радиуса r₀, возможно протекание разряда с электрическим током равным

, (14.6)

где hа – удаление от кластера эквипотенциальной поверхности, где прекращается автоионизация окружающего газа. В результате для алюминиевого электрода максимальный электрический ток в импульсе при r₀ = 1 мм составит I = 0,97 А, а для медного электрода - I = 1,16 A. При таких значениях электрического тока может возникнуть электрический разряд. Если острие электрода имеет радиус скругления r₀ = 0,5 мм, то ток уменьшится в 4 раза и будет равен соответственно 0,24 А и 0,29 А. Протекание электрического тока разряда приводит к возникновению в межэлектродном промежутке плазмы. Для плоских электродов плотность тока разряда определяется степенью обработки, т.е. величиной шероховатости.

Уменьшение радиуса электрода приводит к резкому спаду результирующего электрического тока с электрода при постоянных актах ионизации вблизи кластера, а напряженность электрического поля вблизи электрода возрастает. Вследствие этого электрон, образовавшийся вблизи кластера, в электрическом поле у электрода может вызвать дополнительную ионизацию в достаточно большом объеме, в котором количество актов ионизации определяется плотностью окружающего газа. Когда же на длине свободного пробега электрон приобретает энергию достаточную для ионизации окружающего газа, то реализуется лавинообразное нарастание актов ионизации с удалением от электрода, что приводит к электрическому разряду. Электрический разряд возникает легче вблизи достаточно острых электродов при меньшем приложенном напряжении. Автоионизация вблизи электродов в дуговых разрядах подтверждается возникновением запрещенных переходов, которые обусловлены существенным изменением электрического поля на пространстве атома.

Если нагреть газ до высокой температуры, то он перейдет в плазменное состояние. Необходимая при этом температура тем ниже, чем слабее связаны электроны в атоме, т.е. чем меньше энергия ионизации атома (молекулы). Энергия ионизации атома химического элемента зависит от положения его в таблице Менделеева. Слабее всего связаны электроны в атомах одновалентных щелочных металлов. Из такого атома валентный электрон легче удалить. Прочнее всего связаны электроны в атомах инертных газов, поскольку они образуют замкнутые оболочки, которые трудно разрушить. Количество ионизованных атомов в термической плазме определяется формулой Саха. Для однократной ионизации она имеет следующий вид:

где n_e, n_i, n_a - соответственно концентрация электронов, положительно заряженных ионов и нейтральных атомов; Θ_i- энергия ионизации; с´ - постоянная и определяется из соотношения lg(c´) = 15,38. Термическая плазма реализуется в дуговых и искровых разрядах, а также в недрах звезд.

Фотоионизация является существенной при облучении мощными потоками излучения достаточно разреженных газов в силу того, что при больших плотностях газов столкновение между частицами гораздо существеннее, чем действие излучения. Этот тип ионизации важен для астрофизики.

Излучение горячих звезд вызывает ионизацию газовых туманностей. Излучение Солнца производит ионизацию верхних слоев атмосферы Земли.

Ионизация излучением оптического диапазона в технике стала возможной только после создания мощных лазерных потоков лучистой энергии в импульсном и непрерывном режимах.

В науке и технике наиболее широко применяют способ получения плазмы в электрическом газовом разряде (искра, дуга, тлеющий разряд). Ионизация газа в моноимпульсном разряде обусловлена возникновением электронной лавины. Этот процесс аналогичен цепной реакции в химии.

Своеобразна ионизация атомов путем увеличения давления, когда электроны как-бы «выжимаются» на высокие энергетические уровни. Такие процессы ионизации происходят в сверхплотных звездах - белых карликах, а по некоторым гипотезам в ядре Земли. Однако этот тип ионизации не относится к физике плазмы.

Элементарный процесс ударной ионизации сводится к процессу столкновения электрона с атомом, с ионом или с молекулой (рис. 167, а). Наибольшая вероятность ионизации получается при столкновении с электроном:

е+ А → А⁺ + 2е. (14.8)

Этот процесс можно рассматривать с классической точки зрения как удар двух шаров. Количество образующихся ионов в одну секунду в единице объема определяется так:

где v — скорость набегающих электронов;

σ(v) ≈ 10^-(25…27) м² - сечение ионизации.

Сечение ионизации связано с вероятностью ионизации при столкновении атома с электроном следующим образом: q(v) = σ(v)v.

Поиск по сайту: