Физика газового разряда

Ю.П. РАЙЗЕР



            ФИЗИКА ГАЗОВОГО
            РАЗРЯДА


Третье издание, переработанное и дополненное











л

Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2009

    Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований по проекту № 09-02-07050д






    Райзер Ю.П.
       Физика газового разряда. Научное издание / Райзер Ю.П. — 3-е изд. перераб. и доп. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009. — 736 с.
       ISBN 978-5-91559-019-8

       На современном уровне рассмотрен широкий круг проблем физики газового разряда: элементарные атомные процессы, взаимодействие постоянного и переменных полей с электронами плазмы, разряды всевозможных типов, от тлеющего до молнии. Цель монографии — разъяснить сущность явлений, облегчить изучение специальной литературы, дать необходимые сведения для исследовательской работы. Для этого приводится много фактических и полезных справочных данных, результатов экспериментов, простых оценок физических величин, теоретические формулы доведены до расчетного вида. Новое издание существенно переработано по сравнению с предыдущими и дополнено по возможности более поздними результатами. Книга призвана послужить одновременно руководством для специалистов и учебником для начинающих.
       Для научно- технических работников в области газовой электроники и низкотемпературной плазмы, а также для студентов и аспирантов физических и технических специальностей.
















ISBN 978-5-91559-019-8

                  © 2009, Райзер Ю.П.
                                                  © 2009, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

        ОГЛАВЛЕНИЕ










Предисловие к третьему изданию....................................25
Предисловие к первому изданию.....................................27
Глава 1
Введение..........................................................29
   1.1. Что изучает физика газового разряда.......................29
   1.2. Типичные разряды в постоянном электрическом поле..........30
   1.3. Классификация разрядных процессов.........................32
   1.4. Коротко об истории исследования разрядов..................34

Часть I

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ
И ЭЛЕМЕНТЫ РАЗРЯДНЫХ ПРОЦЕССОВ


Глава 2
Упругие столкновения электронов и ионов с атомами, молекулами и друг с другом...........................................................39
    2.1. Основные понятия физики атомных столкновений и кинетической теории газов.........................................................39
       2.1.1. Упругие и неупругие удары...................................39
       2.1.2. Эффективное сечение.........................................39
       2.1.3. Частота столкновений .......................................41
       2.1.4. Длина свободного пробега....................................43
       2.1.5. Вероятности различных пробегов .............................44
       2.1.6. Числа столкновений при нормальных условиях..................44
    2.2. Сечения рассеяния электронов нейтральными атомами и молекулами........................................................45
    2.3. Потери импульса и энергии электронов.............................48
       2.3.1. Дифференциальное сечение и угловое распределение рассеяния .48
       2.3.2. Транспортное сечение и потери импульса......................49
       2.3.3. Упругие потери энергии......................................51
    2.4. Упругое рассеяние по классической механике.......................52
       2.4.1. Приведенная масса...........................................52
       2.4.2. Система центра масс ........................................53

JL Оглавление

       2.4.3. Относительное движение....................................54
       2.4.4. Максвелловское распределение по относительным скоростям........................................................56
       2.4.5. Дифференциальное сечение..................................57
       2.4.6. Расходимость полного сечения..............................57
    2.5. Обмен импульсом и энергией в общем случае упругого рассеяния............................................................58
       2.5.1. Потеря импульса...........................................58
       2.5.2. Транспортное сечение для столкновения частиц сравнимой массы............................................................59
       2.5.3. Обмен энергией ...........................................60
       2.5.4. Релаксация в поступательных степенях свободы газа.........61
    2.6. Столкновения ионов с нейтральными частицами....................63
       2.6.1. Поляризационное сечение...................................63
       2.6.2. Взаимодействие с дипольными молекулами....................66
    2.7. Резонансная перезарядка........................................67
    2.8. Кулоновские столкновения заряженных частиц.....................70
       2.8.1. Формула Резерфорда........................................71
       2.8.2. Интеграл транспортного сечения............................72
    2.9. Экранирование зарядов в плазме и дебаевский радиус.............73
       2.9.1. Потенциал вокруг заряда в плазме..........................73
       2.9.2. Дебаевский радиус.........................................75
       2.9.3. Идеальность плазмы........................................75
    2.10. Столкновения заряженных частиц (продолжение)..................76
       2.10.1. Кулоновский логарифм .....................................76
       2.10.2. Частоты столкновений и длины пробега ....................76
       2.10.3. Обмен энергией и релаксация...............................78

Глава 3
Неупругие столкновения электронов с атомами и молекулами................80

    3.1. Ионизация......................................................80
       3.1.1. Потенциалы и сечения ионизации............................80
       3.1.2. Формула Томсона...........................................82
       3.1.3. Ионизация возбужденных атомов.............................84
       3.1.4. Ионизация ионов...........................................85
    3.2. Возбуждение и дезактивация электронных состояний...............85
       3.2.1. Схемы уровней.............................................85
       3.2.2. Метастабильные и резонансные уровни.......................87
       3.2.3. Сечения возбуждения.......................................88
       3.2.4. Принцип детального равновесия ............................90
       3.2.5. Сечение дезактивации......................................91
    3.3. Возбуждение молекулярных колебаний..............................92

Оглавление JU 5

       3.3.1. Адиабатические и резкие удары............................93
       3.3.2. Квантовая трактовка......................................93
       3.3.3. Возбуждение через захват.................................94
    3.4. Возбуждение вращений молекул..................................96
    3.5. Диссоциация молекул...........................................97
    3.6. Замечания о возбуждении и ионизации ионами....................98

Глава 4
Дрейф, энергия и диффузия заряженных частиц в постоянном поле.........100
    4.1. Дрейф электронов в слабоионизованном газе....................100
       4.1.1. Уравнение усредненного движения........................ 100
       4.1.2. Скорость дрейфа........................................ 101
       4.1.3. Подвижность.............................................102
       4.1.4. Подобие, результаты измерений, дрейф в смесях газов.....102
    4.2. Проводимость ионизованного газа..............................104
       4.2.1. Слабоионизованная плазма .............................. 104
       4.2.2. Сильноионизованная плазма.............................. 105
       4.2.3. Почему электрон-электронные столкновения не вносят вклада в электрическое сопротивление................................. 105
    4.3. Энергия электронов............................................106
       4.3.1. Джоулево тепло...........................................106
       4.3.2. Среднее приобретение энергии электроном в одном эффективном столкновении...................................................106
       4.3.3. Истинные изменения энергии электрона при столкновениях. 107
       4.3.4. Уравнение баланса энергии электрона.................... 108
       4.3.5. Средняя энергия.........................................109
       4.3.6. Соотношение между хаотической и дрейфовой скоростями... 110
       4.3.7. Релаксация энергии; критерии постоянства и однородности поля...........................................................111
    4.4. Диффузия электронов..........................................112
       4.4.1. Диффузионный поток и уравнение непрерывности............112
       4.4.2. Соотношение между коэффициентами диффузии, подвижностью и средней энергией............................................ 114
       4.4.3. Нахождение коэффициентов диффузии...................... 116
       4.4.4. Продольная и поперечная диффузия электронов ............116
    4.5. Ионы.........................................................119
       4.5.1. Подвижность в несильных полях.......................... 119
       4.5.2. Энергия ионов ..........................................120
       4.5.3. Дрейф в сильных полях.................................. 122
       4.5.4. Коэффициенты диффузии при умеренных значениях Е/р........ 123
       4.5.5. Продольная и поперечная диффузия ...................... 124
    4.6. Амбиполярная диффузия........................................126
       4.6.1. Коэффициент амбиполярной диффузии ......................126

JL Оглавление

       4.6.2. При каких условиях диффузия амбиполярна..................127
       4.6.3. Определение понятия «плазмы».............................128
    4.7. Протекание электрического тока в плазме в присутствии продольных градиентов плотности зарядов............................128
       4.7.1. Уравнение непрерывности для электричества................128
       4.7.2. Диффузионный ток и искажение поля градиентами............129
       4.7.3. Уравнение для плотности плазмы...........................130
       4.7.4. Критерий электронейтральности ...........................130
       4.7.5. Амбиполярный поток зарядов вдоль неоднородного поля......131
    4.8. Гидродинамическое описание электронов.........................132
       4.8.1. Уравнения непрерывности и движения.......................132
       4.8.2. Уравнение энергии........................................132
       4.8.3. Плазма с током ..........................................133
    4.9. Движение зарядов в газе в присутствии магнитного поля.........134
       4.9.1. Дрейф в электрическом поле...............................134
       4.9.2. Проводимость и ток Холла.................................135
       4.9.3. Диффузия.................................................135

Глава 5
Образование и гибель заряженных частиц в газе..........................138

    5.1. Различные механизмы! и их роль в условиях газового разряда....138
       5.1.1. Рождение электронов и положительных ионов ...............138
       5.1.2. Электрон-ионная рекомбинация.............................140
       5.1.3. Отрицательные ионы.......................................141
       5.1.4. Ион-ионная рекомбинация..................................142
       5.1.5. Диффузионный уход зарядов к стенкам разрядного сосуда....142
    5.2. Ионизация электронным ударом в электрическом поле.............143
       5.2.1. Частота ионизации........................................143
       5.2.2. Электронная лавина.......................................143
       5.2.3. Частота ионизации при максвелловском спектре.............144
       5.2.4. Ионизация в однородном поле..............................144
       5.2.5. Связь между частотой ионизации и ионизационным коэффициентом..................................................145
       5.2.6. Экспериментальное определение скорости ионизации.........146
       5.2.7. Эмпирическая формула для ионизационного коэффициента ....149
       5.2.8. Очень сильные поля.......................................151
       5.2.9. Оптимальные условия ионизации............................152
    5.3. Фотоионизация.................................................153
    5.4. Ионизация при столкновении возбужденного атома с атомом или молекулой......................................................154
       5.4.1. Резонансно-возбужденные атомы............................154
       5.4.2. Метастабильные атомы — эффект Пеннинга...................155
       5.4.3. Ассоциативная ионизация .................................156

Оглавление -Jb 7

    5.5. Термодинамически равновесная плотность электронов...............158
    5.6. Рекомбинация электронов  и положительных ионов..................159
       5.6.1. Закон рекомбинации........................................ 159
       5.6.2. Фоторекомбинация.......................................... 160
       5.6.3. Рекомбинация в тройных столкновениях с участием дополнительного электрона и образованием атома в основном состоянии......................................... 161
       5.6.4. Ударно-радиационная рекомбинация в тройных столкновениях . 161
       5.6.5. Сопоставление фото- и тройной ударно-радиационной рекомбинации..................................................163
       5.6.6. Ударно-радиационная рекомбинация с участием атомов.........164
       5.6.7. Диэлектронная рекомбинация................................ 164
       5.6.8. Диссоциативная рекомбинация............................... 165
    5.7. Образование молекулярных ионов в атомарных газах................169
    5.8. Прилипание электронов к атомам и молекулам......................170
       5.8.1. Термодинамически равновесные плотности отрицательных ионов.........................................................171
       5.8.2. Фотоприлипание............................................ 172
       5.8.3. Прилипание в тройных столкновениях с участием молекул .... 173
       5.8.4. Прилипание к сложным молекулам.............................175
       5.8.5. Диссоциативное прилипание................................. 176
       5.8.6. Прилипание в тройных столкновениях с участием электрона... 178
       5.8.7. Коэффициент прилипания в постоянном поле ..................179
    5.9. Освобождение электронов из отрицательных ионов..................181
       5.9.1. Электронные удары..........................................181
       5.9.2. Отлипание при столкновениях с атомами и молекулами.........182
   5.10. Рекомбинация положительных и отрицательных ионов................184
       5.10.1. Рекомбинация в парных столкновениях.......................185
       5.10.2. Тройные столкновения при средних давлениях................186
       5.10.3. Высокие давления......................................... 187
   5.11. Диффузионные потери зарядов.....................................188
       5.11.1. Частота диффузионных уходов.............................. 188
       5.11.2. Пространственные распределения плотности электронов...... 189
       5.11.3. Характерная диффузионная длина............................189

Глава 6
Испускание электронов твердыми телами....................................191

    6.1. Электроны проводимости в металле................................191
       6.1.1. Температура вырождения ................................... 191
       6.1.2. Распределение Ферми ...................................... 192
       6.1.3. Работа выхода .............................................192
       6.1.4. Аналогия со связью в атоме................................ 193
    6.2. Термоэлектронная эмиссия........................................194

JL Оглавление

       6.2.1. Эмиссионный ток насыщения................................194
       6.2.2. Эффективные термокатоды .................................196
       6.2.3. Влияние внешнего поля на работу выхода...................196
    6.3. Эмиссия электронов под действием частиц.......................197
       6.3.1. Ионно-электронная эмиссия................................198
       6.3.2. Потенциальное вырывание электронов возбужденными атомами........................................................199
       6.3.3. Фотоэлектронная эмиссия..................................200
       6.3.4. Вторичная электронная эмиссия............................201
    6.4. Эффективный коэффициент вторичной эмиссии     в разряде.......202
       6.4.1. Влияние вторичной эмиссии на усиление тока первичных электронов.....................................................202
       6.4.2. Вклад вторичной фотоэмиссии..............................203
       6.4.3. Результаты измерений у. Положительные ионы или фотоны? ..204
    6.5. Вырывание электронов из тела сильным электрическим полем..............................................................206
       6.5.1. Автоэлектронная эмиссия..................................206
       6.5.2. Термоавтоэлектронная эмиссия.............................208
    6.6. Элементарный ток в цепи, содержащей разрядный промежуток.........................................................209

Глава 7
Взаимодействие электронов ионизованного газа с переменными электрическими полями и электромагнитными излучениями..................212

    7.1. Колебания электронов в осциллирующем поле ....................212
       7.1.1. Свободные колебания .....................................212
       7.1.2. Влияние столкновений.....................................213
       7.1.3. Дрейфовые колебания......................................214
    7.2. Энергия электронов............................................215
       7.2.1. Бесстолкновительное движение.............................215
       7.2.2. Приобретение энергии от поля.............................215
       7.2.3. Баланс энергии электрона.................................216
       7.2.4. Средняя установившаяся энергия...........................216
       7.2.5. Истинные изменения энергии электрона при столкновениях...217
       7.2.6. Почему электрон-электронные столкновения не приводят к диссипации энергии поля......................................218
    7.3. Основные уравнения электродинамики сплошных сред..............219
       7.3.1. Уравнения Максвелла .....................................219
       7.3.2. Токи смещения, поляризации, проводимости зарядов.........220
       7.3.3. Разложение на гармоники .................................220
       7.3.4. Уравнение связи для гармонических компонент..............221
       7.3.5. Уравнение закона сохранения энергии .....................221

Оглавление -Л,        9

7.4. Высокочастотные проводимость и диэлектрическая проницаемость плазмы..............................................................222
    7.4.1. Вычисление ст, и еф......................................222
    7.4.2. Предел «больших» частот («бесстолкновительная» плазма) ..223
    7.4.3. Статический предел.......................................223
    7.4.4. Почему у диэлектриков обычно е> 1, а у плазмы е< 1.......223
7.5. Распространение электромагнитных волн в плазме.................224
    7.5.1. Комплексная диэлектрическая проницаемость................224
    7.5.2. Плоская электромагнитная волна...........................225
    7.5.3. Показатели преломления и затухания волны ................225
    7.5.4. Закон ослабления потока энергии .........................226
    7.5.5. Коэффициент поглощения волны в плазме ...................227
    7.5.6. Квазистационарное поле и скин-слой.......................227
7.6. Полное отражение электромагнитной волны от плазмы..............228
    7.6.1. Непоглощающая среда с отрицательной диэлектрической проницаемостью .................................................228
    7.6.2. Критическая плотность электронов ........................229
7.7. Плазменные колебания и волны...................................230
    7.7.1. Плазменная частота.......................................230
    7.7.2. Волны....................................................231
    7.7.3. Затухание Ландау.........................................231
7.8. Обмен квантами между полем излучения и свободными электронами в газе..................................................232
    7.8.1. Классический и квантовый подходы к проблеме
         взаимодействия ............................................232
    7.8.2. Интенсивность излучения, коэффициенты поглощения, вынужденного и самопроизвольного испускания.....................233
    7.8.3. Принцип детального равновесия и соотношения между коэффициентами..................................................234
    7.8.4. Результирующее поглощение световой волны.................235
    7.8.5. Приобретение энергии электроном..........................236
7.9. Полуклассический способ нахождения квантовых коэффициентов.......................................................236
    7.9.1. Тормозное излучение .....................................237
    7.9.2. Закон Кирхгофа ..........................................238
    7.9.3. Квантовые коэффициенты...................................239
7.10. Фактические границы применимости классического подхода к эффектам взаимодействия...........................................240
     7.10.1. Предельный переход от квантовой теории к классической..240
     7.10.2. Критерий применимости формул классической теории.......241
     7.10.3. Статистическая трактовка классического выражения в сугубо квантовом случае ............................................. 241

JL Оглавление

Глава 8
Излучение и поглощение света плазмой..................................243

    8.1. Типы радиационных переходов..................................243
    8.2. Тормозное излучение при столкновениях электронов с ионами...........................................................244
    8.3. Рекомбинационное излучение...................................245
       8.3.1. Сечение фотозахвата.....................................245
       8.3.2. Излучательная способность...............................247
       8.3.3. Усреднение спектральной функции.........................247
    8.4. Полное испускание в непрерывном спектре......................248
       8.4.1. Спектральная излучательная способность..................248
       8.4.2. Уточнения...............................................249
       8.4.3. Интегральное излучение..................................250
    8.5. Поглощение в непрерывном спектре ............................250
       8.5.1. Тормозное поглощение ...................................251
       8.5.2. Сечение фотоионизации...................................251
       8.5.3. Полный коэффициент поглощения ..........................252
       8.5.4. Квантовая форма закона Кирхгофа.........................254
    8.6. Излучение спектральных линий.................................255
       8.6.1. Вероятности радиационных переходов......................256
       8.6.2. Классическая модель излучающего атома...................256
       8.6.3. Естественные ширина и форма линии.......................257
       8.6.4. Уширение линий..........................................258
       8.6.5. Сдвиг границы серии ....................................260
       8.6.6. Излучательная способность...............................260
    8.7. Селективное поглощение.......................................260
       8.7.1. Эффективное сечение поглощения в линии, уширенной столкновениями.................................................260
       8.7.2. Площадь «классической» линии ...........................261
       8.7.3. Сила осциллятора........................................262
    8.8. Молекулярные спектры.........................................263
    8.9. Перенос излучения, выход его из плазменного объема, радиационные потери................................................265
       8.9.1. Уравнение переноса излучения............................265
       8.9.2. Интенсивность на выходе из тела.........................265
       8.9.3. Прозрачное тело.........................................266
       8.9.4. Абсолютно черное тело ..................................266
       8.9.5. Самопоглощение..........................................267
       8.9.6. Степень черноты.........................................267
       8.9.7. Суммарные спектры и интегральное излучение .............268
       8.9.8. Лучистый теплообмен.....................................271