Влияние столкновений. Влияние ионизации на плотность нейтрального газа, страница 2

Интересно, что отношение λ/a не зависит от аи от плотности плазмы.

Рассмотрим, например, цезиевую плазму с электронной температурой 2 эВ, когда можно использовать выражение (4.4). Из рис. 3.8 следует, что  =1,8∙10 ^-14 м³/с, тогда имеем

                                                        (4.6)

где выражено в квадратных метрах. Сечения упругого рассеяния— величины порядка 10 ^{-19 м2}, что дает λ/a= 265 и указывает на несущественность упругих столкновений. Если применить (4.5) к аргоновой плазме с электронной температурой 5 эВ, α = 0,080,  V=80 В и σ_p = 3∙10 ^{-20 м2}, то получим

                                                  (4.7)

Хотя эта величина в 3,5 раза меньше, чем (4.6), все равно при  м² выполнено условие λ/a>> 1.

Однако при очень низких энергиях сечение симметричной перезарядки типа Cs⁺+Cs→Cs+Cs⁺ может быть очень большим. При таких энергиях трудно получить точные значения, но из работ [199, 254, 227] следует, что сечение перезарядки может достигать 5∙10 ^-14 см² для цезия;   для аргона [24, 253] оно составляет значения    вплоть до 10^-14 см².    Для цезиевой плазмы из (4.6) получим при этом λ/а≈5, а для аргоновой из (4.7) найдем λ/а≈8. Это — достаточно большие величины, так что можно считать, что поток ионов практически не возмущен.

Тем не менее влияние на распределение нейтралов и поток нейтралов из  плазмы может быть существенным. В разд. 4.2 было показано, что ионизация сразу уменьшает концентрацию нейтралов, если они движутся от места их ввода с тепловой скоростью. Взаимодействие с ионами будет ускорять движение от места ввода. Появление быстрых    нейтралов перезарядки, движущихся к границе плазмы, может также ограничивать достижимые значения отношения J_i/J_a. Для плазмы с легко достижимыми  параметрами соотношения   (3.73)   и   (3.74)   приводят к величинам порядка 100; полученные Масеком [201]значения J_i/J_aдля ртути приближаются    примерно к 8:1, а для цезия  [258] — к  13:1, эти данные зафиксированы в таких условиях, когда следует ожидать больших значений, если не учитывать  перезарядку.   По-видимому,  генерация  вследствие  перезарядки  нейтралов  с энергией,     значительно  большей,  чем тепловая энергия  при  комнатной температуре,  является важным источником ухода нейтралов из плазмы.

Раздел был начат с предположения о том, что ионы движутся относительно нейтралов с очень высокими скоростями. Беглый взгляд на рис. 3.9 показывает, однако, наличие большой области порядка половины расстояния до границы, в которой поле мало и ионы движутся очень медленно. Здесь возможность перемешивания с нейтралами оптимальна и похоже, что детальный анализ, предложенный читателю в конце разд. 4.2, покажет, что нейтралы, увлекаются ионами в гораздо большей степени, чем это было установлено в указанном разделе.

4.4. Столкновения заряженных частиц

Для того чтобы выяснить, при каких условиях появившиеся ионы будут двигаться к границе плазмы без столкновений с другими заряженными частицами, как предполагалось в разд. 3.5, или когда первичные электроны будут взаимодействовать преимущественно с плазмой либо с нейтральным газом, следует рассмотреть взаимодействие между заряженной частицей и плазмой. В качестве шага в указанном направлении исследуем столкновение двух изолированных заряженных частиц.

Рассмотрим процесс в системе координат, связанной с центром масс (рис. 4.1). Изображенная ситуация относится кчастицам с зарядом одного знака, но анализ столкновения притягивающихся, а не отталкивающихся    частиц проводится аналогично. Проиллюстрируем случай отталкивания только потому, что рисунок получается проще тогда, когда траектории частиц не пересекаются.

Поместив начало координат в центр масс, положим