Физика плазмы ионных источников. Плотность, температура и функции распределения

Страницы работы

13 страниц (Word-файл)

Фрагмент текста работы

Глава 2

Физика плазмы ионных источников

Я. Браун

Характеристики ионного пучка определяются параметрами плазмы и извлекающего электрода (экстрактора). Так, например, ток ионного пучка зависит от плотности плазмы, ее электронной температуры, потенциала экстрактора и его геометрии. Эмиттанс пучка определяется ионной температурой плазмы и геометрией экстрактора, а состав пучка - составом плазмы. Таким образом, физика ионного источника во многих отношениях является физикой плазмы. Написано довольно много книг, в которых дано превосходное освещение основ физики плазмы и ионизационных явлений (см., например, книги [1-9]). В этой главе дается обзор принципиальных вопросов физики плазмы, необходимых для понимания как конструирования ионных источников, так и их работы.

2.1. ПЛОТНОСТЬ, ТЕМПЕРАТУРА И ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Наиболее важный параметр плазмы – ее плотность. Составляющими плазмы являются ионы, электроны и нейтральные неионизированные атомы. Соответственно различают три вида плотности: электронную nе, ионную ni и нейтральных атомов nn. Обычно плотность измеряют числом частиц в 1 см3 или 1 м3. Для большинства ионных источников плотность плазмы (определяемая в основном плотностью электронов) колеблется в широком диапазоне (1010 - 1016 см - 3). Для сравнения напомним, что при нормальных температуре и давлении (Т = 00 С, р = 760 мм рт. ст.) плотность газа равна 2,687*1019 молекула/см3, а твердые тела имеют атомную плотность, близкую к 1023 см – 3 ; плотность газа в вакуумной камере при давлении 10 - 6 мм рт. ст. составляет 3,3. 1010 молекула/см 3.

2.1.1. Процент ионизации

Величина  «процент ионизации» определяется следующим образом:

процент ионизации = ni/(nn + ni) х100%.                                            (1)

Когда процент ионизации превышает 10% или близок к этому значению, обычно говорят, что плазма сильно ионизирована, и физика среды определяется в основном плазменными эффектами. Если процент ионизации низок, скажем, ниже 1%, нужно рассматривать взаимодействие с нейтральными атомами.

2.1.2. Функции распределения

Частицы плазмы обладают кинетической энергией, и поэтому ансамбль частиц, составляющих плазму, может быть описан функцией распределения по скоростям. Функция распределения по скоростям определяет число частиц в заданном интервале скоростей.

.

Здесь υ — вектор скорости (υx, υy, υz), dυ = dυxyz — элемент пространства скоростей. Обычно функция распределения нормализуется на плотность частиц, так чтобы выполнялось соотношение

                                                             (2)

В отсутствие внешних сил плазма стремится к тепловому равновесию, описываемому максвелловской функцией распределения

                     (3)

где m — масса частицы, k = 1,38 • 10-23 Дж/К — постоянная Больцмана, Т— температура плазмы. За единицу температуры плазмы обычно принимают электронвольт (эВ), соответствующий 11600 К. Плазма дугового разряда, например, может иметь температуру около 5 эВ, или 50000 К. Электронвольт является энергетической единицей и эквивалентен 1,6 -10-19 Дж.

Если все ионы плазмы находятся в состоянии термодинамического равновесия друг с другом, то можно говорить об ионной температуре Ti ; при этом электроны могут находиться в другом равновесном состоянии, определяемом электронной температурой Те. Нейтральные частицы имеют обычно более низкую температуру, чем ионы или электроны. Понятие «температура плазмы» не определено до тех пор, пока между

Похожие материалы

Информация о работе