1). Амбиполярная диффузия. В слабоионизировавнной плазмедавление плазменной компоненты много меньше давления нейтральной компонентыи электрон- ионные столкновения играют существенной роли по сравнению со столкновениями заряженных частиц с молекулами нейтрального газа. В этом случае нейтральная компонента представляет собой неподвижную среду, в которой диффундируют электроны и ионы. Задача о медленном изменении состояния плазмы сводится к задаче диффузии. Попадая на стенки, электроны и ионы оседают на них и затем нейтрализуются. Стенки являются «поглотителями » зарядов, плотность плазмы у стенок почти равна нулю. В окрестности стенок возникают радиальные (поперечные) градиенты концентрации и поперечные потоки от середины объема к стенкам. Это не должно приводить к возникновению тока, так как иначе в плазме возникло бы сильное разделение зарядов. Следовательно, потоки электронов и ионов должны быть одинаковыми. Это приводит к амбиполяроной диффузии при которой ионы и электроны переносятся с одинаковой скоростью. Таким образом, диффузия происходит без тока
.
Особенностью диффузии заряженных частиц в случае слабой ионизации и большой концентрации нейтральных частиц, является малая длина свободного пробега заряженных частиц. Медленность процессов и большая частота соударений с нейтральными частицами позволяет пренебречь инерциальными членами в уравнениях движения;
При амбиполярной диффузии в поперечном к столбу направлении, должны быть одинаковы поперечные скорости ионов и электронов. Это позволяет получить представление для поперечного электрического поля
. (15.10)
Уравнения движения заряженных частиц можно представить в виде
, - плотности потоков электронов и положительных ионов. Потоки представляются в виде сумм диффузионных и дрейфовых составляющих:
, ,
-коэффициент диффузии, - постоянная Больцмана, - подвижность.
Между коэффициентами диффузии и коэффициентами подвижности имеет место соотношение Эйнштейна
.
Поле (15.10) можно представить в виде
и, следовательно имеет место представление
, (15.10.А)
где - коэффициент амбиполярной диффузии. Обычно и имеет место представление
.
Формула (15.10.А) представляет собой закон Фика для диффузии, но с новым коэффициентом - с коэффициентом диффузии . Физически коэффициент выступает как результат возникновения в плазме поперечного поля , которое удерживает электроны и не дает им «убегать» от ионов. Одновременно, это поле «подталкивает» ионы, обеспечивая режим амбиполярной диффузии.
Уравнение, описывающее распределение концентрации заряженных частиц с учетом ионизации в статическом состоянии можно представить в виде
. (15.11)
Рассмотрим модель амбиполярной диффузии Энгеля и Штеенбека. Для этого уравнение (15.11) решим в цилиндрической геометрии с граничными условиями
.
Условие называется условием Шоттки. Имеет место представление
, где - функция Бесселя, . Так как , то - первый корень бесселевой функции. Таким образом, имеет место связь между параметрами
.
Температура ионной компоненты близка к температуре окружающей среды. Последнее соотношение может быть использовано для нахождения температуры электронной компоненты.
2). Рекомбинация. Если относительная скорость столкновения электрона с ионом мала, то они с большой вероятностью могут рекомбинировать и образовывать нейтральный атом. Уменьшение концентрации плазменной компоненты из за рекомбинации можно описать введя отрицательный источник в уравнение непрерывности. Этот член будет пропорционален . Пренебрегая эффектом диффузии, уравнение неразрывности заряженной компоненты запишем в виде нелинейного уравнения
, или
.
Интегрирование дает следующий результат
.
После того как концентрация станет существенно меньше своего начального значения, она будет убывать по закону
.
При низких значениях концентрации главную роль начинает играть диффузия. Временная зависимость в этом режиме радикально изменяется: концентрация плазменной компоненты уменьшается со временем экспоненциально.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.