РЕФЕРАТ 3
Введение 3
1. Элементарные процессы в низкотемпературной плазме аргона и их
характеристики 5
1.2 Упругие и неупругие столкновения 8
1.2 Скорости протекания элементарных процессов 12
2. Кинетическое уравнение Больцмана 13
2.1 Двучленное приближение 14
2.2 Интеграл столкновений 16
2.3 Решение уравнения на энергетический спектр электронов .... 18
2.3.1 Стационарное консервативное решение 18
2.3.2 Численное решение при малых энергиях электронов (без
учета неупругих процессов) 19
2.3.4 Численное решение с учетом неупругих столкновений 23
3. Результаты расчета 25
3.1 Изотропная часть функции распределения 25
3.2 Влияние неупругих процессов на функцию распределения ... 27
3.3 Сравнение с экспериментальными данными 29
3.4 Константы скоростей элементарных процессов 30
Заключение 33
Список использованных источников и литературы 34
Низкотемпературная плазма - это ионизованный газ, состоящий из электронов, ионов и нейтральных частиц, у которого температура тяжелой компоненты не превышает нескольких сотен градусов Цельсия. Плазма называется неравновесной, если средняя энергия электронов отличается (превышает) от средней тепловой энергии нейтральных частиц. Такая плазма характерна для положительного столба тлеющего разряда и для дугового разряда низкого давления [1]. Важной особенностью является и то, что концентрация заряженных частиц в такой плазме невелика по сравнению с концентрацией нейтральных, то есть слабоионизованная плазма, электронная степень ионизации порядка 10-4 до 10-6.
В настоящий момент промышленное применение такой плазмы включает в себя обработку поверхностей различных материалов, использование в газохимических производствах (очистка отходящих газов), в газовых лазерах, газоразрядных лампах и т.д. Так же используется в медицине для обработки ран и биологических объектов [2]. Таким образом, в настоящий момент низкотемпературная плазма представляет интерес, обсуждается ее применение в промышленности и медицине, способы ее создания и поддержания при атмосферном давлении.
Немаловажную роль играет при этом кинетика плазмы. Физическая кинетика — микроскопическая теория процессов в неравновесных средах. Задача кинетической теории заключается в том, чтобы понять и описать эволюцию макроскопических процессов на основе анализа микроскопических механизмов, которые лежат в их основе [3].
Поскольку в плазме происходит большое число различных процессов (взаимодействие частиц друг с другом, с излучением и т.д.), то исследование условий, при которых происходит наработка определенных сортов частиц и вычисление скоростей процессов представляет интерес не только для теоретического описания плазмы (гидродинамические модели), но и для практических задач. Например, для применения низкотемпературной плазмы в медицине ключевое значение имеет присутствие биологически активных частиц (ионы, радикалы). В газоразрядных источниках излучения важен анализ возбуждающих столкновений.
Объектом исследования в данной работе является низкотемпературная неравновесная плазма газового разряда в аргоне. Предметом исследования является энергетический спектр электронной подсистемы.
Целью работы является определение скоростей элементарных процессов, протекающих в низкотемпературной аргоновой плазме.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1) Изучить элементарные процессы, протекающие в низкотемпературной плазме газового разряда;
2) Изучить методы теоретического описания плазмы в рамках кинетической теории;
3) Составить физико-математическую модель плазмы, получить уравнения, описывающие энергетический спектр электронов;
4) Изучить методы численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений и реализовать алгоритм решения в математическом пакете MATLAB;
5) На основе полученных функций распределения электронов по энергиям при различных параметрах задачи (например, приведенных полях) рассчитать константы скоростей реакций, а также моменты функции распределения;
6) Провести сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.
Практическая значимость заключается в том, что полученная модель позволяет детально исследовать механизмы формирования энергетического спектра электронов в плазме. В этом возникает необходимость, поскольку скорости реакций в неравновесной плазме чувствительны к форме функции распределения электронов [4].
Целью данной работы являлось определение скоростей элементарных процессов, протекающих в низкотемпературной аргоновой плазме. В ходе работы был определен набор элементарных процессов, характерный для низкотемпературной слабоионизованной газоразрядной аргоновой плазмы, а также проанализированы особенности этих процессов. Изучен кинетический подход к описанию плазмы. Для нахождения функции распределения электронов из уравнения Больцмана использованы численные методы решения дифференциальных уравнений.
В результате работы была написана программа в математическом пакете Matlab для численного расчета функции распределения электронной подсистемы, а также моментов функции распределения - средней энергии и скорости дрейфа электронов, при различных приведенных полях (параметр задачи). Рассчитаны константы скоростей для процессов упругого рассеяния электрона на атоме аргона, а также возбуждения и ионизации атома аргона электронным ударом из основного состояния. Приводится графическая иллюстрация рассчитанных величин.
Для того чтобы проверить корректность программы производится сравнение дрейфовой скорости электронов с экспериментальными данными. Константы скоростей для упругого рассеяния электрона на атоме аргона сравниваются с результатами программы Bolsig+. Также было проанализировано влияние неупругих процессов на функцию распределения электронов и их среднюю энергию
