Источник плазмы как конечное звено системы обеспечения его функционирования, страница 2

Для описания плазмы, прежде всего, необходимо знать концентрацию (плотность) частиц разного сорта, N_α или n_α где индекс α означает сорт частиц. Все величины, относящиеся к электронам плазмы, обычно обозначают индексом е, к ионам – индексом i, а к нейтральным частицам - индексом n, 0 либо индекс вообще опускается (соответственно N_n, n₀ илипросто n). Если в плазме присутствуют ионы нескольких сортов, следует задавать отдельно концентрацию ионов каждого сорта.

Состав плазмы можно также характеризовать другим параметром - отношением концентрации электронов к концентрации нейтральных частиц, или степенью ионизации η. По степени ионизации плазму обычно подразделяют на слабоионизованную (η <10^-2…10^-3) и полностью ионизованную (η→∞), т. е. плазму состоящую только из заряженных частиц. Часто под степенью ионизации понимают отношение концентрации электронов к суммарной концентрации нейтральных и заряженных частиц. В этом случае полная ионизация означает η=1.

Если ионизация рабочего газа является неполной, то необходимо ввести вспомогательный параметр

                                         (1.1.1.)

Поскольку в плазме присутствуют частицы различных сортов, нужно знать их заряд  и массу _. Заряд ионов  ( - кратность ионизации или зарядовое число). Масса иона m_i= 1 а.е.м.·A_i, где  - атомный вес рассматриваемого вещества.

В условиях лабораторных исследований или какой-то промышленной установки, использующей плазму для выполнения своих функций, гравитационные силы обеспечить удержание плазмы в виде компактного образования не могут и нейтральные частицы плазмы, как впрочем, и заряженные, диффундируют к «границам» плазменного образования. Кроме этого, известно, что в зависимости от давления в среде все ее частицы испытывают взаимодействие друг с другом. При этом между ними происходит не только обмен энергиями, но, в случае взаимодействия разноименно заряженных частиц, возможна их нейтрализация или как говорят рекомбинация заряженных частиц. В общем случае взаимодействие частиц может привести к их перезарядке. Аналогичные процессы наблюдаются и при взаимодействии частиц со стенками устройства содержащего плазму. В результате этого происходит нейтрализация заряженных частиц на металлической стенке либо накопление заряда - на диэлектрической.

Если в плазменное образование нет поступления новых заряженных частиц, то их количество со временем убывает и, в конце концов, плазма превращается в обычный газ, практически не содержащий заряженных частиц. Таким образом, плазменное образование по своей сути квазидинамично и его стабильность во времени связана с поступлением новых частиц взамен ушедших из него в результате диффузии или других процессов. В противном случае имеет место так называемая «распадающаяся» плазма. На практике такие плазменные образования генерируются импульсными генераторами и ускорителями плазмы, например импульсными ЭРД (ИПД). Постоянство же свойств плазмы в выделенной точке пространства может быть только в динамике и всегда связано с притоком в нее новых нейтральных и заряженных частиц, т. е. плазмы. Границами плазменного образования можно считать область с резко уменьшающимся количеством заряженных частиц в единице его объема.

Поступление новых частиц в объем ПО происходит за счет их движения из области, где эти частицы (имеются в виду заряженные частицы) создаются, а создаются они в области генерации плазмы. Это движение достаточно сложно как по причинам его порождающим, так и по реализуемым при этом механизмам. Прежде всего перемещение частиц может быть следствием обычного, характерного и для неионизованного газа т. н. «броуновского» т. е. теплового механизма. Поскольку зона генерации плазмы является и зоной выделения энергии, затрачиваемой на ионизацию газа, то одновременно первый механизм диффузии – тепловой. Кроме этого, концентрация частиц, в том числе и заряженных, в зоне генерации плазмы, как правило, выше, чем в ПО, и тем более чем на его периферии. В таких условиях реализуется механизм диффузии вследствие разности концентраций.