Файл: Малкин, О. А. Импульсный ток и релаксация в газе.pdf

ной особенностью оказалось сравнительно малое влияние самопоглощеиия резонансных линий на условия реализации полного ЛТР. Оказалось, что критическая плотность элек­ тронов, необходимая для полного ЛТР в оптически тонкой плазме, для оптически плотного газа снижается непропор­ ционально снижению вероятности вылета резонансного фо­ тона из плазмы, а значительно медленнее.

В целом изложенная схема явлений может быть описана приближенной теорией с использованием МДП [279—281]. В настоящей работе прямым сравнением цикла комплексных измерений параметров плазмы с результатами расчетов по теории МДП, а также другим теориям, установлены грани­ цы применимости теории, выявлены конкретные случаи не­ достаточности или неправильности теоретических расчетов.

Подводя итоги экспериментальному исследованию ио­ низационной релаксации при слабой и сильной ионизации, проведенному в настоящей работе, можно указать на сле­ дующие явления.

Релаксационные процессы в слабоионизованной плазме при резких изменениях высокочастотного поля происходят при превалирующей роли электронов в элементарных про­ цессах возбуждения, ионизации и рекомбинации несмотря на то, что степень ионизации плазмы при релаксации изме­ нялась в пределах ІО-5 — 10_3. Быстрая релаксация засе­ ленностей уровней и континуума в разреженной слабоиони­ зованной плазме инертных газов обеспечивается элементар­ ными процессами с участием молекулярных ионов — дис­ социативной рекомбинацией и ассоциативной ионизацией. Интенсивный поток из континуума вследствие диссоциа­ тивной рекомбинации служит причиной возникновения ин­ версной заселенности верхних уровней аргона при резких изменениях электрического поля. Тяжелые частицы (атомы и ионы) в разреженной слабоионизованной плазме получа­ ют энергию от соударений с электронами и расходуют ее при амбиполярной диффузии к стенкам. Вследствие низкой частоты соударений и малой эффективности последних вре­ мя релаксации тяжелых частиц на порядок превышает то же для уровней и континуума. Плазма характеризуется большим различием «температуры» электронов Теэфф от практически единой температуры атомов и ионов.

Основные элементарные процессы в релаксирующей сильноионизованной плазме импульсного разряда — возбужде­ ние и ионизация атомов и ионов ударом электронов и трех­ частичная рекомбинация с участием последних. Излучатель­

263

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В книге описаны теоретические п экспериментальные ис­ следования элементарных физических процессов в неравно­ весной низкотемпературной плазме. Изучение кинетики элементарных процессов в реагирующей плазме является но­ вым научным направлением, которое призвано ускорить развитие новых отраслей науки и технологии н прежде всего плазмохимии и газовых лазеров. Одну из важных проблем кинетики элементарных процессов представляет собой использование приближенных аналитических теорий, описывающих поведение параметров плазмы и энергетиче­ ских распределении ее компонент во времени и простран­ стве. Ввиду того, что точные решения кинетических урав­ нений в большинстве случаев получить практически невоз­ можно, применение приближенных теорий, дающих анали­ тические решения, приобретает первостепенное значение.

Основным методом определения применимости прибли­ женных физических моделей неравновесной плазмы являет­ ся сравнение измеренных параметров плазмы с результата­ ми теоретического расчета. Как известно, для эффективного выполнения подобной операции необходимо проведение комплектных измерений макроскопических характеристик плазмы, а также микроскопических параметров, характе­ ризующих континуум свободных электронов, дискретные энергетические уровни и основные состояния компонент плазмы. Чтобы ограничить рассмотрение подобной весьма обширной области знания, были выбраны два крайних случая— слабо- и сильнононизованноіі плазмы, находя­ щейся как в стационарном, так и релаксирующем состоя­ ниях. Сравнительным анализом различных методов соз­ дания плазмы показано, что наиболее удобно получать ее при помощи импульсного электрического разряда, стабили­ зированного стенками.

В слабоионизованной плазме подробному рассмотре­ нию была подвергнута неравновесная ФРЭ, параметры ко­ торой существенно влияют на коэффициенты скорости не­ упругих элементарных процессов, а также на коэффициенты переноса. Описаны впервые полученные экспериментальные данные по релаксации функции распределения электронов

265

при возникновении И прекращении импульсного тока И ее влияние на величину коэффициентов скорости неупругих процессов. Рассмотрено расширение полученных результа­ тов на другие режимы существования плазмы моделирова­ нием подобия по параметру EIN, представляющему отно­ шение напряженности электрического поля к концентра­ ции частиц, с которыми сталкиваются электроны. Как из­ вестно, теория расчета стационарной неравновесной функции распределения с учетом неупругих процессов оперирует

свесьма упрощенной двухуровневой моделью атома и при­ менима лишь до небольших значений параметра EIN. В то же время в экспериментальной практике используют плазму

сбольшими EIN, а также плазму молекулярных газов, ха­ рактеризующуюся расположением энергетических уров­

ней, резко отличным от двухуровневой схемы. Сейчас толь­ ко начинаются попытки учета влияния неоднородности электрического поля, всегда наблюдающейся в электричес­ ких разрядах, на ФРЭ.. Нет строгого расчета неизотропной функции распределения, которая может возникать при боль­ ших EIN. Теория релаксации функции распределения в изменяющемся поле не учитывает неупругпе процессы, что приводит к неправильным результатам. В связи с изложен­ ным в итоге возможно лишь качественное сопоставление измеренной в настоящей работе релаксирующей функции распределения с теорией.

Вкниге описаны исследования стационарного состояния плазмы при слабой и сильной ионизации. Показано, что разная степень ионизации при практически одинаковых начальных параметрах холодного газа обусловливает резко отличающиеся свойства плазмы и приводит к возникнове­ нию совершенно различных по природе элементарных процессов. Сравнение результатов проведенных измерений

сприближенными теориями позволило установить, что для сильноионизованной плазмы теория Грима, основанная на водородоподобном приближении, не в состоянии учесть за­ трудненные условия реализации ЛТР для повышенных сту­ пеней ионизации, а также влияние самопоглощения на ре­ ализацию ЛТР. Необходима доработка теории с учетом ре­ альных схем термов многократных ионов и сечений столкновительных процессов с участием ионов и электронов.

Висследуемой в настоящей работе слабоионизованной плазме обнаружено, что основным объемным процессом обед­ нения континуума свободных электронов является дис­ социативная рекомбинация. В то же время предложенная

266

недавно теория модифицированного диффузионного при­ ближения [279—281] вообще не учитывает указанный эле­ ментарный процесс. К сожалению, сечения и коэффициенты скорости ряда процессов, важных для протекания дис­

ионов, пока неизвестны, что серьезно затрудняет разработку теоретических методов.

В книге подробно разработаны вопросы ионизационной

роны, получить количественные характеристики элементар­ ных процессов, а с другой — определить границы примени­ мости приближенных физических моделей для описания релаксирующей плазмы.

Разумеется, для дальнейшего развития исследований кинетики элементарных процессов в плазме необходимо подробное экспериментальное п теоретическое изучение физических явлений как в стационарном, так и релаксирующем состояниях газа. Пока ешдмало достоверных све­ дений о коэффициентах скорости и энергетических зависимо­ стях сечений элементарных процессов образования и исчез­ новения молекулярных ионов. Плохо исследована совокуп­ ность процессов возбуждения, ионизации и рекомбинации

вмолекулярных газах. Отсутствует теория релаксирующей ФРЭ, учитывающая неупругие соударения и особенно ре­ комбинационные процессы. Нет сведений о закономерно­ стях элементарных процессов при ионизационной релак­ сации многократно ионизованной плазмы. Практически неисследованной является обширная область свойств и па­ раметров элементарных процессов при химических реакциях

вплазме. Однако таким весьма обнадеживающим фактором

внастоящее время является возникшее недавно новое на­ учное направление, новый подход к проблеме — исследо­ вание отдельных элементарных процессов, и их взаимного влияния и взаимодействия, а не только интегральных макро­ скопических характеристик реагирующей плазмы. Это на­ правление наиболее физически обосновано и завоевывает

сейчас все большее число сторонников среди физиков, хи­ миков и математиков.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Лесков Л. В. Физические основы ускорителей плазмы. Ч. I, II. М-, Изд. МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1968—1971.

2.Макаров Ю. В., Чекалин Э. К. Физические процессы в электро­

5.В сб.: Ионные, плазменные и дуговые ракетные двигатели. М., Госатомнздат, 1961.

6.Кикоин И. К.., Сенченков А. П. «Ж- эксперпм. и теор. физ.», 1966,

8.Кривоглаз М. А. «Физика твердого тела», 1969, 11, с. 2230.

9.Малкин О. А. Релаксационные процессы в газе. М., Атомиздат,

1971.

10. Месси Г., Бархоп Е. Электронные п ионные столкновения. Пер.

с англ. Под ред. С. М. Осовец. М., Изд-во ипостр. лит., 1958.

11.Хастед Дж. Физика атомных столкновении. Пер. с англ. Под ред. Н. В. Федоренко, М., «Мир», 1965.

12.Смирнов Б. М. Атомные столкновения и элементарные процес­ сы в плазме. М., Атомиздат, 1968.

с англ. Под ред. М. Л. Левина. М., «Мир», 1965.

15.Бейтс Д., Далгарно А. В. В сб.: Атомные и молекулярные про­ цессы. Под ред. Д. Бейтса. Пер. с англ. Под ред. Л. М. Бнбермана и В. А. Фабриканта. М., «Мир», 1964, с. 224.

16.Гейдон А. Г., Вольфгардт X. Т. Пламя, его структура, излу­ чение и температура. Пер., с англ. Под ред. С. А. Гольденберга. М., Металлургиздат, 1959.

17.Степанов Е. М., Дьячков Б. Г. Ионизация в пламени и электри­ ческое поле. М., «Металлургия», 1968.

18.Ударные трубы. Сб, ст. Пер. с англ. Под ред. X. А. Рахматулина, С. С. Семенова. М., Изд-во иностр. лит., 1962.

19.Ступоченко Е. В., Лосев С. А., Осипов А. И. Релаксационные процессы в ударных'волнах. М., «Наука», 1965.

20.Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Т. 1. М., Гостех-

издат, 1952.

268