электромагнитное поле ускоряет эти ионы

Электронная эмиссия, ионизация воздуха и электрическая искра

Электрон обладает самым малым отрицательным электрическим зарядом. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Отрицательный заряд обозначается знаком минус, а положительный — знаком плюс.

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется через электрическое поле, в котором проявляют себя электрические силы, связанные с этими зарядами. Электрическим полем называется пространство вокруг электрического заряда (заряженного тела).

Автоэлектронная эмиссия в вакууме

Итак, известно, что в металлах существуют электроны проводимости. И хотя они непрерывно участвуют в тепловом движении, тем не менее постоянно удерживаются внутри металла благодаря действию сил, направленных от поверхности металла — внутрь него, и не дающих электронам произвольно покинуть данный металл. Эти силы — силы притяжения, действующие на электроны со стороны положительно заряженных ионов кристаллической решетки металла.

В результате вблизи поверхности внутри металла имеется электрическое поле E, обуславливающее разность потенциалов φ на переходе из пространства снаружи металла — внутрь него. То есть потенциальная энергия электрона, чтобы он смог проникнуть снаружи вовнутрь металла, должна уменьшиться на величину eφ.

1587476251 1

Рассмотрим энергетическую диаграмму. Здесь изображены: W0 — энергия покоящегося электрона вне металла; Ec – минимальная энергия электрона проводимости.

Налицо потенциальная яма, глубина которой как раз и равна eφ = W0 – Ec. Данная величина называется электронным сродством и характеризует конкретное вещество. Соответственно, если некий электрон внутри металла обладает энергией W1, которая меньше W0, то у такого электрона просто не хватит энергии чтобы покинуть металл.

Но электронам внутри металла можно каким-нибудь способом сообщить дополнительную кинетическую энергию, так что часть электронов сможет покинуть металл, и мы будем наблюдать явление электронной эмиссии, то есть испускание электронов с поверхности данного металла.

Одним из частных случаев электронной эмиссии является автоэлектронная эмиссия — испускание электронов поверхностью металла под действием достаточно сильного электрического поля.

1587476314 2

Рассмотрим для примера вакуумированную трубку, внутри которой с двух ее сторон впаяны два электрода, один из которых (а именно — катод) имеет заостренную форму, а другой — отличается сравнительно большой площадью поверхности.

Катод, как следует из его названия, подключается к отрицательному полюсу источника напряжения, а анод — к положительному. В этой ситуации линии напряженности электрического поля E возле катода окажутся сгущены сильнее по сравнению с пространством возле анода.

Разберем ситуацию более подробно. Допустим, у нас есть анод в форме сферы радиуса b, а катод представляет собой маленький шарик радиуса a, причем b>>a, при этом катод установлен точно в центре сферы. В этом случае в точке на расстоянии r от центра сферы напряженность электрического поля будет равна:

1587476268 3

А если принять r = a, то найдем напряженность поля E у самой поверхности катода. Она будет приблизительно равна:

1587476250 4

Значит уже при напряжении между катодом и анодом в 1000 вольт и радиусе катода в 0,01 мм, напряженность электрического поля на его поверхности будет равна 100 МВ/м! В таких условиях в вакуумированной трубке возникнет слабый электрический ток (измеряемый микроамперами), поскольку электроны начнут покидать острие катода и станут носителями данного тока. И чем выше мы поднимем напряжение между катодом и анодом — тем большим окажется этот ток.

Катод при этом может быть холодным, поэтому данный вид эмиссии называют холодной эмиссией или автоэлектронной эмиссией. Если напряжение продолжить повышать дальше, то катод начнет разогреваться вплоть до испарения металла и возникновения газового разряда в данной трубке.

Нетрудно понять, что автоэлектронная эмиссия возникает просто в силу того, что сильное электрическое поле возле катода изменяет потенциальный барьер на поверхности металла — высота барьера уменьшается, поэтому и необходимая работа выхода для электронов становится меньше. Барьер к тому же становится тоньше, а это значит, что в целом повышается вероятность того, что электрон проникнет сквозь него и покинет таки поверхность металла.

При высокой напряженности электрического поля у катода автоэлектронная эмиссия способна проявить себя даже при достаточно низкой его температуре, в этих условиях вовсе не обязательно подогревать катод или освещать его ультрафиолетом или рентгеновскими лучами, чтобы добиться эмиссии. Напомним, что здесь мы рассмотрели процессе эмиссии в вакууме.

1587476256 11

Самостоятельный разряд в газе на примере воздуха

В своем обычном состоянии газы электрический ток не проводят. Но если подвергнуть газ определенному внешнему воздействию, его можно сделать электропроводным.

Например в атмосферном воздухе под действием ультрафиолетовых лучей появляются заряженные частицы. Это происходит потому, что от атомов газа отщепляются электроны, и вместо нейтральных атомов в воздухе будут присутствовать также положительные ионы и электроны. Часть электронов будет вскоре захвачена нейтральными атомами, тогда в данном объеме появятся еще и отрицательные ионы.

Для ионов газа справедливо утверждение, что скорость упорядоченного движения ионов пропорциональна напряженности электрического поля E, в котором они находятся, а также подвижности ионов b:

1587476246 5

Подвижность ионов определяется как средняя скорость, которую приобретают ионы газа в электрическом поле напряженностью равной 1 В/м. Причем подвижности отрицательных и положительных ионов различны:

1587476258 6

Приведенное выше утверждение справедливо тогда, когда число соударений достаточно велико, и средняя длина свободного пути ионов газа значительно меньше чем расстояние между катодом и анодом. В обычных условиях это положение выполняется практически всегда, поскольку давления в газе около десятых мм рт.ст уже достаточно, иначе можно было бы считать что процесс происходит в вакууме. В результате подвижность ионов обратно пропорциональна давлению в газе в широком интервале давлений.

Стоит отметить, что характер движения ионов в газах сильно сложнее чем характер движения электронов в металлах. Дело в том, что ионы в газе зачастую распределены неравномерно между электродами, поэтому имеется определенный градиент концентрации ионов между электронами, вызывающий поток диффузии ионов.

Поскольку токи положительных и отрицательных ионов не равны друг другу, в газе формируются объемные заряды, усложняющие картину распределения напряженности электрического поля между электродами. Кроме того носители заряда здесь могут возникать также по причине ударной ионизации электронами, и концентрация ионов может поэтому зависеть от напряженности электрического поля. Все это ведет к тому, что в газе закон Ома обычно не выполняется.

1587476266 7

В условиях ионизации в газе возможно возникновение самостоятельного разряда по принципу лавины. Допустим, из катода вылетел электрон. На длине свободного пробега он движется ускоренно под действием электрического поля, и приобретает кинетическую энергию.

Если данная энергия больше или равна энергии ионизации атомов газа, то при столкновении с атомом, атом будет ионизирован, он станет положительным ионом, в результате уже имеются движущийся положительный ион и новый электрон. Электроны станут двигаться к аноду, а положительные ионы — к катоду.

После соударений электроны будут набирать энергию, и при следующих соударениях появятся четыре электрона. Затем восемь, потом шестнадцать и т. д. Так образуется лавина электронов по мере их движения к аноду (и соответствующее число положительных ионов, движущихся к катоду).

Число пар ионов и электронов, образовавшихся на единице пути от одного электрона называется коэффициентом объемной ионизации α. А поскольку энергия электронов тем больше, чем больше напряженность электрического поля Е, то и коэффициент объемной ионизации α зависит от напряженности Е.

Коэффициент α также пропорционален давлению в газе. Чтобы разряд при этом стал самостоятельным, необходимо, чтобы электронная лавина поддерживалась процессом поставки новых электронов взамен тех, которые уходят на анод.

Одним из таких процессов может выступать вторичная электронная эмиссия, при которой некоторые особо быстрые положительные ионы выбивают из катода некоторое число электронов.

В определенных гипотетических условиях (при определенной напряженности), оба процесса в совокупности приведут к возникновению самостоятельного разряда.

Но в реальности бесконечного возрастания лавин электронов не возникнет, так как цепь разряда имеет сопротивление, при значительном возрастании тока напряжение на промежутке уменьшится, а значит уменьшится и электрическое поле. Поэтому значение тока конечно, и зависит как от ЭДС источника, так и от сопротивления цепи.

1587476502 15

Искра в воздухе

Вернемся к атмосферному воздуху. Будем постепенно наращивать напряжение между катодом и анодом, имеющими форму больших шаров. Электрическое поле между ними будет почти однородным.

В определенный момент, в процессе увеличения напряженности электрического поля, между шарами возникнет электрическая искра — тонкий изогнутый светящийся канал, соединяющий электроды.

Это произойдет в момент, когда электрическая напряженность Е достигнет определенного критического значения Eк. Для воздуха в нормальных условиях это 3 МВ/м. При действии на воздух внешнего ионизатора напряжение пробоя, конечно уменьшится.

1587476238 8

Казалось бы, процесс образования искры можно было бы объяснить электронной лавиной, по приведенной выше схеме. Но нет! Если бы существенную роль в искре играла только ударная ионизация электронами, то время развития искры составляло бы порядка 10 — 100 мкс, но практически оно составляет не более 100 нс — в сотни раз меньше!

1587476289 9

На самом деле процесс образования искры хорошо объясняет стримерная теория. Согласно стримерной теории, в первый момент появляется скопление ионизированных частиц, имеющих слабое свечение. Эти частицы пронизывают промежуток между катодом и анодом, образуя многочисленные проводящие каналы, по которым устремляются более мощные потоки электронов. Здесь участвуют не только электронные лавины ударной ионизации, но и фактор ионизации газа излучением самого искрового разряда.

Так, кроме первой электронной лавины, возникающей непосредственно возле катода, в точках расположенных далеко впереди «головы» первоначальной лавины зарождаются новые лавины, являющиеся следствием появления затравочных электронов в результате фотоионизации от излучения предыдущей лавины.

Отдельные лавины достигая друг друга сливаются и формируют канал стримера высокой проводимости. Поэтому общий путь стримера «искры» в несколько раз превышает путь проходимый самой первой лавиной. Параллельно стримерам распространяющимся от катода к аноду (отрицательным стримерам), существуют и положительные стримеры, движущиеся от анода к катоду.

Источник

Ионы в магнитном поле

Вы будете перенаправлены на Автор24

Атом – это незаряженная частица. Ядро атома несет положительный заряд, в нем сосредоточена почти вся масса частицы. Суммарный заряд электронов, «окружающих» ядро равен заряду ядра, но противоположен по знаку.

Ион из атома получается так:

Сила Лоренца

Магнитное поле оказывает силовое воздействие на перемещающиеся заряженные частицы.

$d\vec=qnvdS\left( d\vec\times \vec \right)\left( 2 \right)$.

$d\vec=qN\left( \vec\times \vec \right)\left( 3 \right)$.

$\vec_=q\left( \vec\times \vec \right)\left( 4 \right)$.

Сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, определяемая выражением (4) называется силой Лоренца.

Иногда силой Лоренца именуют суммарную силу, которую испытывает заряженная частица, при движении в электрическом и магнитом полях:

$\vec_=q\vec+q\left( \vec\times \vec \right)\left( 5 \right)$.

Готовые работы на аналогичную тему

Выражение (4) указывает нам на то, что магнитное поле:

Движение иона в однородном магнитном поле

Из выражения (4), которое содержит векторное произведение ($\vec\times \vec$) очевидно, что сила Лоренца, оказывающая действие на частицу в магнитном поле, будет направлена перпендикулярно к ее скорости. Из этого можно сделать вывод о том, что эта сила работы не совершает и не может изменять величину скорости. Но влиять на изменение направления скорости она может.

На ион со стороны поля в этом случае будет действовать сила Лоренца по величине, равная:

Из равенства силы Лоренца и центростремительной силы, найдем радиус траектории движения иона:

Время перемещения иона по кругу составит:

Движение является периодическим, поэтому время одного оборота названо периодом. Формула (8) показывает нам, что период движения иона не зависит от его скорости.

При движении по силовой линии ион не будет «ощущать» воздействия магнитного поля. Раскладывая вектор скорости на две компоненты:

За время, соответствующее периоду обращения иона по окружности, величина перемещения частицы по линии поля составит:

Движение иона в неоднородном магнитном поле

Если ион движется в неоднородном магнитном поле, то радиус и шаг ее винтовой траектории непрерывно изменяются.

Так, при перемещении частицы по направлению увеличения магнитной индукции поля:

Особенности движения заряженных частиц в магнитных полях часто применяются в разных устройствах электронной оптики:

Циклотрон

Независимость частоты обращения (ν=1/T) в магнитном поле от энергии частиц применяют для устройства ускорителя заряженных частиц – циклотрона.

Этот прибор предназначен для ускорения тяжелых заряженный частиц, коими и являются ионы, без использования высокого напряжения.

Ускорение ионов происходит между парой полукруглых металлических электродов, которые имеют вид коробок (называются дуантами). На дуанты подают переменное напряжение несколько десятков киловольт. В промежутке между дуантами появляется электрическое поле, которое ускоряет ионы.

Сами ионы порождает газовый разряд в специальном источнике ионов. Ионы направляют в центр щели между дуантами. Дуанты размещены внутри вакуумной камеры, находящейся между полюсами электромагнита.

Циклотрон осуществляет ступенчатое ускорение ионов. Всякий ион, который попал в щель между дуантами, ускоряется электрическим полем и влетает в один из дуантов. Там магнитное поле заставляет его описать полуокружность и через половину периода, ион вновь оказывается между дуантами в электрическом поле. Поля настраивают так, чтобы к моменту вылета иона электрическое поле изменило свое направление на противоположное, тогда ион получает повторное ускорение, во втором дуанте он будет перемещаться по окружности большего радиуса. Так, двигаясь из одного дуанта в другой через щель с электрическим полем ион будет перемещаться по раскручивающейся спирали, постоянно увеличивая свою энергию.

Источник

Электромагнитное поле ускоряет эти ионы

ЧАСТЬ 2. ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ГЛАВА 7. ЧТО ТАКОЕ ПЛАЗМА?

Физики-плазменщики нередко утверждают, что на 95% (а, по мнению некоторы х, и на 99%) Вселенная состоит из плазмы. Хотя это нельзя опровергнуть или подтвердить, тем не менее, оно не кажется чрезмерным, если перечислить, где мы встречаемся с плазмой.

В нынешнюю эпоху плазменными образованиями являются звёзды, туманности, ею заполнена межзвёздная среда. Солнечная система заполнена плазмой в виде солнечного ветра. Верхняя атмосфера Земли на высотах image004 также представляет собой плазму.

Несмотря на столь обширную номенклатуру видов и применений плазм, все они обладают общими фундаментальными свойствами. Эти свойства являются отражением того факта, что частицы плазмы не становятся полностью свободными после ионизации атомов. Электроны и ионы взаимодействуют посредством дальнодействующих кулоновских сил. В результате они оказываются способными совершать множество новых коллективных движений. Вместо статической пространственной структуры твёрдых тел плазма обнаруживает динамические пространственно-временные структуры – различные типы колебаний и волн.

Плазма образуется при любом энергетическом воздействии на газ, в результате которого происходит ионизация атомов. Наиболее распространены следующие воздействия.

image012

image014

image016

image018

image020

image022

image024

image026

image028

image034

Эти пороговые длины волн также приведены в Табл.7.1.

5. Воздействие на газ СВЧ излучения. Ионизация газа производится электрическим полем электромагнитной волны.

В электронном приборостроении и электронной технологии применяются главным образом два последних способа создания плазмы.

ГЛАВА 8. СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ

8.1. БАЗИСНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

image057

image059

image069

Даже в водородной плазме image071 скорость ионов в 43 раза меньше электронной скорости. Для более тяжёлых ионов различие ещё значительнее. Поэтому во многих случаях при анализе процессов в плазме ионы можно считать неподвижными.

image083

или image085 (8.1)

Если параметры плазмы удовлетворяют противоположному неравенству

то она называется неидеальной или сильновзаимодействующее. Неидеальные плазмы наблюдаются в экзотических астрономических объектах – белых карликах и нейтронных звёздах. Из (8.1) и image088 следует, что идеальная плазма должна быть разреженной и горячей, тогда как неидеальная плазма – плотной и холодной.

И температура, и плотность в общем случае зависят от пространственных координат.

Пусть из слоя толщиной image093 часть электронов ушла в соседний слой такой же толщины. В результате образуется пространственный заряд (рис.8.1), плотность которого в слое image095 равна

тогда как в слое image099 она равна

image101

SHAPE \* MERGEFORMAT image108

Рис.8.1. Модельный пространственный заряд в плазме

Локальное поле связано с плотностью пространственного заряда уравнением Максвелла

image110 (8.2)

image114 (8.3)

SHAPE \* MERGEFORMAT image124

Рис.8.2. Поле в области пространственного заряда

Подсчитаем силу, действующую на все электроны в слое image126 пространственного заряда, в пересчёте на единицу площади. Это есть электростатическое давление

image128

На электроны в слое толщиной image093 действует давление

image131 (8.4)

image133

image135

image137

image139

Это типичные значения для газоразрядной плазмы. Тогда электростатическое давление

image141

image145

Таким образом, электростатическое давление даже в масштабах image147 на порядок превосходит кинетическое давление. В больших масштабах его превосходство ещё значительнее. Это значит, что в плазме действуют дополнительные мощные упругие силы, которые обусловливают новые типы колебательных движений.

8.2. ПЛАЗМЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ

Под действием электростатического давления электроны и ионы движутся навстречу друг другу. При этом, как отмечено выше, ионы в первом приближении можно считать неподвижными. Толщина слоя пространственного заряда уменьшается, а электроны приобретают столь большие скорости, что проскакивают положение равновесия и сдвигаются в противоположную сторону. Электростатическое поле также изменяет направление и начинает тормозить электроны. Это типичная колебательная ситуация. Уравнение движения электрона

image149

image157 (8.5)

Решение его суть гармоническое плазменное колебание

image159 (8.6)

8.3. ДЕБАЕВСКОЕ ЭКРАНИРОВАНИЕ

Другим проявлением коллективного поведения частиц плазмы является экранирование полей любых электрических зарядов. Вследствие подвижности электронов и ионов вокруг источника поля образуется слой из притянутых им зарядов противоположного знака. Эта «шуба» замыкает на себя силовые линии поля, так что для внешнего (вне шубы) наблюдателя поле отсутствует. Распределение потенциала в «шубе» подчиняется уравнению Пуассона

image169

image188

image193 (8.7)

image199 (8.8)

В уравнении (8.8) естественным образом появился параметр с размерностью длины

image201 (8.9),

называемый дебаевской длиной экранирования. Он определяет толщину экранирующей шубы. Покажем это на двух примерах.

image207 (8.10)

image213

Функция должна удовлетворять условиям

image215 (8.11)

image217

Решение его, удовлетворяющее условиям (8.11), есть

image219

Таким образом, потенциал положительного точечного заряда, одетого в «шубу» из электронов имеет вид

image221 (8.12)

image225

Рис.8.3. Кулоновский и экранированный потенциалы

Пример 2. Экранирование поля плоской сетки.

image231

image235 (8.13)

image243

image247 (8.14)

Подставив численные значения параметров, получим

image249

Таким образом, вокруг каждого иона образуется «шуба» размером image251 из примерно 500 электронов. Среднее расстояние между ионами

image253

Следовательно, «шубы» многих ионов перекрываются, проникают друг в друга. Физически это значит, что один и тот же электрон участвует в экранировании многих ионов.

Соотношение (8.14) позволяет определить так называемый параметр плазмы

image255 (8.15)

image269

image271

image273

image275

image259

image278

image280

image282

image284

image286

image288

image290

image292

image294

image296

image298

image300

image300

image303

image305

8.4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕ

Элементарными будем называть процессы, в которых участвуют две или три частицы либо частица и электрод. В зависимости от состава плазмы может насчитываться несколько десятков элементарных процессов. Перечислим основные из них, изображая их в виде квазихимических реакций.

1. Упругие электрон-электронные, электрон-атомные и атом-атомные столкновения

image307

2. Неупругие электрон-атомные и атом-атомные столкновения

image309

3. Ионизация при электрон-атомных и атом-атомных столкновениях

image311

4. Рекомбинация электрона и иона при тройных соударениях

image313

5. Передача возбуждения при атом-атомных столкновениях

image315

6. Диссоциация молекул электронным ударом

image317

7. Химические реакции

image319

8. Перезарядка ионов

image321

9. Ион-электронная эмиссия с катода

10. Ионное распыление катода

Процесс 9 необходим для поддержания самостоятельного газового разряда.

Процесс 10 есть основа технологии плазменной обработки материалов.

Важными параметрами плазмы являются частоты столкновений частиц в элементарных процесса. Очевидно, что чаще будут испытывать столкновения лёгкие электроны, так как их тепловая скорость выше. Отношение электронных и ионных частот столкновений равно корню квадратному из отношения масс,

image325

Через частоту столкновений определяют среднюю длину свободного пробега

image327

image335 (8.16)

8.5. ЗАМАГНИЧЕННАЯ ПЛАЗМА

Электроны и ионы движутся по спиралям вокруг силовых линий магнитного поля. Ларморовские радиусы спиралей равны

image339 (8.17)

Критерием замагниченности служат неравенства

image341 (8.18),

Но из-за высокой проводимости, обусловленной наличием электронов и ионов, плазма оказывает также обратное влияние на магнитное поле. Под действием внешнего поля image351 в плазме создаются токи, генерирующие собственное поле, которое также оказывает влияние на движение породивших его частиц. В результате магнитное поле оказывается неразрывно связанным с плазмой. Силовые линии поля как бы «вмораживаются» в плазму, подобно инородному телу в лёд, и перемещаются вместе с ней. «Вмороженное» магнитное поле вносит дополнительный вклад image353 в плотность свободной энергии плазмы, а, следовательно, создаёт дополнительное магнитное давление

image355 (8.19)

image365 (8.20)

image378

В то же время при таком поле ларморовский радиус ионов составит десятки миллиметров, поэтому ионы вполне могут оказаться не замагниченными.

8.6. ВОЛНЫ И НЕУСТОЙЧИВОСТИ В ПЛАЗМЕ

SHAPE \* MERGEFORMAT image392 image393

Рис.8.4. Волновое возмущение среды

image419 (8.21)

image425 (8.22)

Из (8.21) и (8.22) следует, во-первых, что и для электромагнитных, и для звуковых волн, фазовая и групповая скорости одинаковы:

SHAPE \* MERGEFORMAT image444 image445

Рис.8.5. Законы дисперсии волн в непроводящем газе

В плазме параметров состояния гораздо больше, поэтому в ней, помимо звука и света, могут распространяться и другие типы волн.

Звуковые волны в плазме в принципе ничем не отличаются от таковых в газе. Их закон дисперсии также даётся формулой (8.22) (рис.8.6, график 1). Электромагнитные же волны ведут себя в плазме совсем по-другому. Их закон дисперсии имеет вид

image447 (8.23)

Фазовая и групповая скорости электромагнитных волн равны

image449 (8.24)

SHAPE \* MERGEFORMAT image468 image469

Рис.8.6 Законы дисперсии волн в плазме

В электронной подсистеме плазмы могут распространяться плазменные волны с законом дисперсии, подобным (8.23)

image471 (8.25)

Различие состоит в величине их фазовой и групповой скорости в области высоких частот (рис.8.6, график 3). Вследствие малой электронной массы скорость плазменных волн больше скорости звука.

В ионной подсистеме могут распространяться волны, называемые ионным звуком. Их закон дисперсии имеет вид

image473 (8.26)

Магнитная упругость порождает в плазме так называемые магнитогидродинамические волны двух типов. Наглядно их можно представить, как изгибные колебания силовых линий магнитного поля, «вмороженных» в плазму. Если изгибные колебания распространяются вдоль силовой линии, что волна называется альфвеновской, по имени первооткрывателя шведского физика лауреата Нобелевской премии Ханнеса Альфвена (1908 – 19..). Если же изгибные колебания распространяются поперёк силовых линий, то волна называется магнитозвуковой. Закон дисперсии обеих волн одинаков,

image487 (8.27)

image491 (8.28)

Обладание плазмой множеством степеней свободы понижает её устойчивость по отношению к внешним воздействиям и даже к некоторым внутренним процессам. Наглядно зависимость устойчивости плазмы от числа степеней свободы можно проиллюстрировать сравнением устойчивости обыкновенного человека и циркового эквилибриста (рис. 8.7). Каждая степень свободы увеличивает энергию плазмы, причём эти вклады неравнозначны. Поэтому плазме оказывается выгодным увеличить запас энергии в большом числе низкоэнергичных степеней свободы за счёт её уменьшения в небольшом числе высокоэнергичных степеней свободы. Такой переход называется плазменной неустойчивостью.

SHAPE \* MERGEFORMAT image502 image503

Рис. 8.7. Устойчивость зависит от числа степеней свободы.

Магнитогидродинамические неустойчивости – медленные, приводящие к макроскопическим последствиям, например, нарушению формы плазменных сгустков, перемещению их частей на макроскопические расстояния.

Кинетические неустойчивости – быстрые, связанные с изменением распределения частиц плазмы по скоростям. Он приводят к генерации в плазме колебаний плотности заряда и переменных электромагнитных полей. Возможны два принципиально различных варианта развития неустойчивости.

1. Неустойчивость развивается сразу во всём объёме плазмы, в результате плазма превращается в генератор электромагнитных колебаний (рис. 8.8). Такая неустойчивость называется абсолютной.

2. Неустойчивость возникает в небольшом объёме плазмы под воздействием внешней электромагнитной волны или потока частиц, а затем нарастает в пространстве в направлении движения волны или частиц (рис. 8.9). Такая неустойчивость называется конвективной. Плазменные системы, в которых возможна конвективная неустойчивость, могут служить усилителями электромагнитных колебаний.

SHAPE \* MERGEFORMAT image509 image510

Рис. 8.8. Абсолютная неустойчивость в ограниченной плазме

SHAPE \* MERGEFORMAT image511 image512

Рис. 8.8. Конвективная неустойчивость в ограниченной плазме

Приведём два примера плазменных неустойчивостей.

image531

Критическая скорость и усиливаемая частота могут бытьь вычислены по формулам

image533 (8.29)

image535 (8.30)

image541 (8.31)

image550 (8.32)

Плазменные частоты лабораторных плазм лежат в СВЧ области. Таким образом, пучковую неустойчивость можно было бы использовать для усиления электромагнитных волн, распространяющихся вдоль пучка. Но оказалось, что одновременно с конвективной неустойчивостью в системе плазма-пучок на частотах image456 развивается абсолютная неустойчивость. Спусковым механизмом её являются тепловые шумы, всегда имеющиеся в плазме. Это препятствует созданию плазменно-пучковых усилителей.

Акустическая неустойчивость в полупроводниках приводит к усилению акустических (звуковых) колебаний решётки при дрейфовом движении носителей заряда.

9.1. ПОСТОЯННЫЙ ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД

SHAPE \* MERGEFORMAT image562 image563

Рис.9.1. Модельный газоразрядный промежуток

SHAPE \* MERGEFORMAT image611 image612

Рис.9.2. ВАХ газоразрядного промежутка.

Удобно оперировать с плотностями токов которые выражаются через плотности носителей и скорости их дрейфа по действием электрического поля. Тогда

image614

image618

image635

Таким образом, ток на участке ОА подчиняется закону Ома.

image669

называется условием зажигания Таунсенда.

В точке H ток разогревает катод до температуры, при которой начинается электронная эмиссия из катода. Этот новый внутренний источник электронов настолько увеличивает ток, что для его поддержания оказывается достаточно значительно меньшего напряжения. Аномальный тлеющий разряд становится неустойчивым и совершает прыжок в новое состояние, соответствующее точке K на ВАХ. Это состояние называется дуговым разрядом. Дуговой разряд может поддерживаться, только если электроды не разрушаются огромным тепловыделением. Для этого они изготавливаются из тугоплавкого материала либо из жидкой ртути.

Источник

Adblock
detector