PROCESE FUNDAMENTALE IN PLASMA

PROCESE FUNDAMENTALE IN PLASMA

Cuprins

Clasificarea ciocnirilor;

Imbogatirea fasciculului incident. Coeficientul de ionizare in volum (primul coeficient Townsend);

Procese de ionizare in plasma;

3.1 Ionizarea prin ciocnire electronica;

3.2 Fotoionizarea;

3.3 Ionizarea multifotonica;

3.4 Transferul de sarcina;

3.5 Ionizarea Penning;

3.6 Atasarea electronica (ioni negativi);

4. Bibliografie.

Introducere

Termenul de plasma a fost introdus prin anul 1928 de catre Irving Langmuir, care studia, pe atunci, diverse tipuri de descarcari electrice in gaze, la presiuni joase. In aceste descarcari se intampla deseori ca gazul luminos sa ocupe nu numai spatiul dintre electrozi, ci sa se raspandeasca peste tot in tuburile si canalele de sticla ale sistemului vidat, analog fluidelor biologice (plasmatice) care se afla raspandite peste tot in organism, putand fi extrase din orice parte a lui. Din aceasta analogie, pur formala, s-a nascut denumirea de plasma, data de Langmuir gazului ionizat si luminos din tuburile de descarcare.

Vom defini plasma ca un sistem(sau corp) fizic cvasineutru din punct de vedere electric, in componenta caruia intra particule pozitive, negative, neutre si fotoni. Particulele pozitive sunt intotdeauna ionii atomici sau moleculari, iar cele negative, de obicei, electronii. Ionii negativi, formati in urma atasarii electronilor la atomi sau molecule, se intalnesc mai rar si au o importanta secundara. Particul 515g64f ele neutre sunt atomii sau moleculele care se pot afla fie in stare fundamentala, fie in diferite stari excitate. Dezexitarea acestora conduce la formarea fotonilor din volumul plasmei.

Procese fundamentale in plasma

Clasificarea ciocnirilor

Cum am vazut, plasma este un ansamblu de particule incarcate(ioni pozitivi, ioni negativi, electroni), particule neutre(excitate sau nu) si fotoni (radiatie electromagnetica).

Aceste particule se affla intr-o necontenita miscare si permanenta interactie si atat intre ele, cat si cu campuri electr ice, magnetice si gravitationale din exterior, precum si cu peretii incintei. Ca urmare a numeroaselor si variatelor interactii, plasma apare ca un sistem dinamic, in care procesele de pierdere a particulelor sunt concurate de procesele de formare a lor. Astfel, prin procesele de ionizare "dispar" atomi neutri, iar prin recombinare se formeaza atomi neutri. De asemenea, prin radiatie, plasma pierde fotoni, dar aceasta pierdere este concurata de formarea lor prin dezexcitarea radiativa a atomilor.

Exista, de asemenea, o permanenta interactie plasma-solid ce are loc la suprafata electrozilor si peretilor incintei in care evolueaza plasma.

O clasificare generala va avea, deci, in vedere trei tipuri de interactii:

A. Procese elementare de volum. Acestea sunt interactii intre particulele constituente ale plasmei(ciocniri elastice, excitari, ionizari, recombinari etc.)

B. Procese elementare supeficiale, adica interactii intre particulele constituente ale plasmei si suprafetele electrozilor, peretilor sau altor solide din incinta.

C. Interactii ale particulelor electrizate cu campurile electrice si magnetice prezente in plasma.

Trebuie amintita o distinctie importanta intre procesele de ciocnire si anume, ele pot fi de doua feluri: procese elastice si procese neelastice. La randul lor, procesele neelastice pot fi directe (de speta I-a) si inverse (de speta a II-a) .

Procesele elastice se caracterizeaza prin aceea ca energia interna totala a partenerilor nu se modifica cu ocazia ciocnirii

  (1)

Intr-un astfel de proces, starea cuantica a fiecareia din particulele ce iau parte la interactie ramane neschimbata in urma ciocnirii. De exemplu, daca in urma interactiei dintre un electron si un atom neutru s-a produs numai un schimb de energie cinetica intre ei (fara excitarea sau ionizarea atomului), ciocnire este elastica. Tot astfel de interactii pot avea loc intre atomi, ioni etc.

In procesele neelastice energia interna a cel putin unuia din partenerii ciocniri se modifica, astfel ca

(2)

si anume, daca >0, avem o ciocnire neelastica directa sau de speta I, iar daca <0, avem o ciocnire neelastica inversa sau de speta a II-a. In ciocnirile directe, energia interna a cel putin uneia din particule creste, cazul excitarii atomului prin coliziunea sa cu un electron rapid. In ciocnirile inverse, cel putin una din particule cedeaza energie, cazul dezexcitarii neradiactive a unui atom excitat, la ciocnirea sa cu un electron; energia de excitare va fi preluata de electron sub forma de energie cinetica (ciocnire superelastica).

Pe scurt, tabloul general al interactiilor in plasma este unratorul:

Imbogatirea fasciculului incident coeficientul de ionizare in volum (primul coeficient Townsend)

In fizica plasmei intalnim deseori cazuri in care fasciculul incident pe un corp tinta se imbogateste pe directia sa de miscare, x, in loc sa slabeasca. Mai precis, evolutia fasciculului de intensitate I(x) se caracterizeaza prin conditia I(x + dx)>I(x). Pentru claritate, vom considera un fascicul monoenergetic de electroni, de intensitate I, care intra intr-un gaz unde domneste si un camp electric de la care electronii au posibilitatea sa preia energia necesara compensarii pierderilor prin ciocniri. Presupunem de la inceput ca la fiecare impact electronii au energia cinetica corespunzatoare ionizarii particulelor gazului tinta. In urma fiecarui act de ionizare apare un ion pozitiv si (cel putin) un electron. Pe aceasta cale (a ionizarii) numarul electronilor creste pe parcurs; fasciculul se imbogateste. Se noteaza cu numarul de ionizari produse de un electron pe unitatea de drum. Acesta este primul coeficient Townsend. Pe un interval dx electronul va produce dx ionizari. Daca ionizarile sunt simple (in urma ciocnirii este epulzat un singur electron), atunci pe distanta dx apare dx electroni noi. Daca dx se afla la distanta x de suprafata S emitatoare de electroni si daca n(x) este concentratia electronilor la aceasta distanta, atunci, evident, numarul ionizarilor (deci ale electronilor noi) va fi:

  (3)

In cazul in care electronii sunt accelerati in campuri E uniforme, coeficientul nu depinde de x, si integrarea ecuatiei (3) este imediata

  (4)

unde este concentratia electronilor la x=0, adica la S. Desigur relatia (4) poate fi scrisa si pentru intensitatea curentului de particule

  (5)

Cum reiese si din definitia data mai sus, primul coeficient Townsend

(6)

se masoara in . Desi s-a folosit aceeasi notatie, el nu are nimic comun cu coeficientul de absorbtie. Dimensional, este asemanator sectiunii macroscopice, dar are alta semnificatie fizica.

Primul coeficient Townsend poate fi definit si ca raportul dintre numarul mediu de iare onizari produse de un electron in unitatea de timp si viteza medie (de antrenare) u a lui

  (7)

se mai numeste si frecventa medie de ionizare. Notand cu drumul mediu liber de ionizare

(8)

In cazul unor intervale mici de viteze, in care sectiunea de ionizare Q poate fi considerata constanta, vom putea lua , prin urmare,

  (9)

In general, insa, Q, unde v este viteza electronului. Relatia de definitie (7) deveni:

  (10)

care, evident, pentru cazurile particulare, cand Q nu depinde de viteza,trece in (9). Dupa cum se vede coeficientul Townsend poate fi calculat riguros numai in masura in care sunt cunoscute functiile de distributie electronice corespunzatoare. In plasme, calculul acestora este totdeauna afectat de erori, asa incat are in toate cazurile valori aproximative.

3. Procese de ionizare in plasma

Daca electronul legat al unui atom primeste energie destul de mare, el poate trece de pe nivelul fundamental in spectrul continuu, intr-o stare nelegata, cu valori pozitive ale energiei(E>0). Acesta este procesul de ionizare si, in functie de numarul de electroni in indepartati din atom, vorbim de ionizare de ordinul intai(ionizare simpla, cu un singur electron expulzat), ionizare de ordinul doi (ionizare "dubla") etc.Ionizarea este un proces de prima imortanta in fizica plasmei, deoarece el este de fapt procesul prin care se realizeaza trecerea de la un gaz neutru la o plasma gazoasa.

Data fiind dispunerea discreta a nivelelor energetice ale electronilor in atom, energiile de ionizare se pot calcula, ele avand, evident, valori caracteristice fiecarui tip de atom.

3.1 Ionizarea prin ciocnire electronica

Pentu ca reactia de ionizare a unui atom A prin ciocnire electronica

(11)

  (12)

Conform diagramei energetice, electronul incident(e), cu energiea cinetica E (1)>0, transfera atomului energie suficienta pentru a-i smulge un electron (e) (de exemplu, din starea fundamentala) punandu-l in libertate, cu o energie cinetica E>0. Bilantul energetic este evident

  (13)

Prin ionizare, electronul trece din domeniul starilor (legate) cu energii negative in domeniul starilor (libere), cu energii pozitive. Energia cinetica a sa va fi

(14)

Fig. 1 Reprezentarea schematica a mecanismului ionizarii

a)      ionizarea prin ciocniri electronice

b)      ionizarea Penning

Desigur, in plasme exista si procesul invers

A + e + eA + e  (15)

care este un proces de recombinare ion-electron la ciocnire tripla.

3.2 Fotoionizarea

Energia necesara smulgerii unui electron dintr-un atom poate fi primita si de la o unda electromagnetica. Reactia de fotoionizare

A + hυA+ e  (16)

va fi posibila daca

hυ eV (17)

Va exista deci o frecventa minima (lungimea de unda maxima) pentru care procesul mai este inca posibil.

Procesul invers va fi un proces de recombinare radiativa.

A + eA + hυ (18)

Fotoionizarea poate fi produsa si de cuante cu energie inferioara energiei de ionizare, daca intervin procese in trepte. Astfel, un atom excitat print-o cicnire electronica poate fi ionizat la ciocnirea cu un foton a carei energie corspunde trecerii electronului de pe nivelul de excitare in spectru continuu

A + A+ e, A + hυA + e, (hυ < eV) (19)

Prima excitare poate fi produsa si de un foton hv, urmand ca un al doilea hv< eV sa produca ionizarea

A + hυA, A + hυA, (hυ,hυ<eV) (20)

Mentionam de asemenea si fenomenul de ionizare asociativa. Astfel iluminand vaporii de cesiucu radiatie hυ < eV, reactia de ionizare mai probabila este aceea care are loc la ciocnirea a doi atomi excitati de cesiu (), dupa schema

(21)

In cazul fotonilor de mare energie si anume hυ > eV(de exemplu, radiatii X) trebuie tinut seama de probabilitatea eliberarii unui electron dintr-o patura interioara a atomului. "Golul" creat va fi ocupat de un electron de pe nivele superioare, cu care prilej se va emite o cuanta . Uneori aceasta cuanta este "autoabsorbita", eliberandu-se unul sau mai multi electroni (electroni Auger).

Mai trebuie tinut seama de faptul ca, in cazul , electronul eliberat poate avea o energie destul de mare , incat sa produca, la randul sau, noi ionizari.

3.3 Ionizare multifotonica

Ca si in cazul excitarii mutifotonice, daca fasciculul incident este foarte intens, deci daca se realizeaza in mare numar de cuante pe unitatea de volum, devin probabile ionizari prin absorbtii multifotonice de tipul

  (22)

unde, evident, . Acest proces joaca un rol important in amorsarea plasmelor cu fascicule laser foarte intense.

Precizam ca absorbtia multifotonica este un fenomen cu totul diferit de excitarea sau ionizarea in trepte. De aceea, de exemplu, procesul de fotonizare, in doua trepte cu , nu se va nota , aceasta ultima notatie reprezetand nu ionizare in doua trepte, ci ionizare bifotonica.

3.4 Transferul de sarcina

Procesul de ionizare este, desigur posibil si la ciocnirea intre particule grele. Nu vom analiza acest fenomen, ci vom mentiona doar un caz particular si anume acela in care electronul expulzat nu devine liber, ci este "transferat" de la o particula la alta. Astfel daca un ion pozitiv dintr-o plasma se ciocneste cu un atom neutru B, este posibila ionizarea lui B, iar electronul expulzat sa treaca pe neutralizandu-l

  (23)

Acest proces este mai putin probabil decat ionizarea prin ciocniri electronice, insa el poate deveni important in unele cazuri. Sectiunea eficace maxima o are transferul rezonant de sarcina, realizabil intre parteneri identici, caz in care

  (24)

Transferul de sarcina (de electroni) poate fi folosit pentru obtinere unor fascicule de particule neutre. El poate constitui un factor important de pierdere de ioni pozitivi accelerati, in plasmele fierbinti din capcanele magnetice, deoarece campurile magnetice nu mai actioneaza asupra particulelor dupa ce aceste au devenit neutre.

3.5 Ionizarea Penning

Este un alt caz particular de ionizare la interactiunea particulelor, grele. Consideram un amestec de doua gaze A si B, particulele A avand un nivel metastabil cu energia egala sau mai mare decat energia de ionizare a particulelor B

  (25)

La ciocnirea acestor doua particule este posibila ionizarea particulei B in urma unui transfer de energie de la atomul A, excitat pe nivelul metastabil

  (26)

Un exemplu este amestecul neon-argon in care atomul de Ne excitat pe nivelul , metastabil, de 16,61 eV, poate ioniza atomul de Ar, care are energia de ionizare .

  (27)

In figura 1 (b) se vede usor cum electronul atomului de Ar trece in spectru continuu de enrgii (ionizare) pe seama energiei de excitare a atomului de Ne. Avand in vedere diferenta mica antre cele doua nivele , probabilitatea de ionizare este foarte

apropiata de unitate in acest caz, procesul fiind mult favorizat si de timpul mare de viata a starii metastabile. Gazele moleculare obisnuite, avand energia de ionizare , sunt usor ionizate de atomii metastabili ai gazelor inerte, care au . Pentru ilustrare, dam cateva sectiuni eficace de ionizare Penning: , Ar (); , Kr (); , ; , Ar .

Ionizarea Penning favorizeaza micsorarea potentialului de aprindere a descarcarilor electrice in gaze (efect Penning). Daca intr-un tub de descarcare umplut cu neon se adauga o cantitae mica de argon sau mercur, descarcarea se va aprinde la un potential mai mic decat in cazul neonului pur. Scaderea potentialului de aprindere este o consencinta a aparitiei de ioni pozitivi si electroni prin ionizari Penning.

3.6 Atasarea electronica (ioni negativi)

In general, atomii cu patura electronica externa completa nu pot atasa un electron suplimentar. Acest fenomen are loc indeosebi la ciocnire electronilor cu atomii avand o vacanta in patura externa. Sectiunea eficace de atasare electronica (de formare a ionilor negativi) are o valoare maxima pentru electronii de joasa energie () care raman un timp apreciabil sub influenta campului de atractie atomic. Ea are, in general, valori intre .

Un exemplu de ciocnire cu atasare de electroni este captura radiativa.

(28)

Daca este potentialul (iar energia) de atasare, care caracterizeaza afinitatea, energia cuantei din (28) va fi

(29)

de und ese vede ca spectrul are un prag, adica .

Formarea ionilor negativi poate avea loc si prin disociere

  (30)

sau prin ciocnirea a doua particule grele

  (31)

Ionii negativi joaca un rol mai putin important in plasmele obisnuite. Sunt, insa, cazuri cand in prezenta unei particule electronegative ca F, Cl, Br, I, O, C, H, , etc. ionii negativi influienteaza proprietatile plasmei. Astfel, in conditiile in care o parte din electronii liberi sunt captati (chiar si un scurt timp) prin atasare, se modifica coeficientul Townsend de ionizare in gaz.

Bibliografie

Ioan Iovit Popescu, Dumitru St. Ciobotaru, Bazele fizicii plasmei, Ed. Tehnica, Bucuresti, anul 1987;

Ioan Iovit Popescu, Iancu Iova, Emil Toader, Fizica plasmei si aplicatii, Ed. Stiintifica si Enciclopedica, Bucuresti, anul 1981;

Callen, J., Plasma Physics and Controlled Nuclear fusion Research, 1971.