Введение к работе
r,„. I
Актуальность темы, Слабоионизованная плазма атомарных и молекулярных газов, помещенная в достаточно сильное электрическое поле, является, как правило, неравновесной. При этом в большинстве случаев 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 потоки. 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, СО - 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 опергетического 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 для нейтрального газа или полностью ионизованной плазмы. Ее развитие для слабоионизованной плазмы во внешнем магнитном поле, зри наличии переменного электрического поля и т. д. позволяет исследовать стационарные характеристики плазмы и ее устойчивость в достаточно сложных случаях.
Цель работы. Целью padc-ты 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-ионнус рекомбинацию, прилипание к молекуле
в плотных средах} и на случай, когда прилипающий электрон является
несвободным Сперезарядка высоковозбужденного атома на молекуле
О 3. г
-
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.
-
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
ірилипательной неустойчивостей.
6. Предложен новый механизм усиления звука в
:лабоионизованной плазме, вызванный трением между электронами и
митральными 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 іагнитном 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 рассматриваемые 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 нг 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 (Минск 1981, Пизг 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 (Красноярсі 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 «Взаимодействие акустических волн с плазмой» (Мегри 1989), а также на сессияі
Іаучньїх советов АН СССР по проблемам «Физика низкотемпературной щазмы», «Физика электронных и атомных столкновений», «Научные )сновы электрофизики и электроэнергетики:».
Публикации. В основу диссертации положены работы, публикованные в 37 статьях, список которых приведен в конце івтореферата, 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.
