ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ (от греч
advertisement
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ (от греч. diagnostikos — способный распознавать) — определение значений параметров плазмы, характеризующих её состояние. Так как плазма в общем случае представляет собой многокомпонентную неравновесную неоднородную систему с широчайшим спектром всевозможных значений параметров, диагностика её сталкивается с большими принципиальными и техническими трудностями. Особенно сложно проводить диагностику плазмы в экстремальных условиях — при максимальных темпеpaтураx, плотностях, скоростях протекающих в плазме процессов, мощном внешнем воздействии и т. п. Поэтому важное значение в диагностики плазмы имеет широкое применение ЭВМ как для прямой обработки первичной информации в реальном масштабе времени, так и последующего анализа. Растёт роль экспериментов, в которых на основе совокупности экспериментальных данных и некоторых априорных предложений моделируются процессы реальной плазмы. Набор параметров плазмы, определяемых современными методами диагностики плазмы, весьма велик. Определяются форма и местоположение плазмы, плотность п ( = е, i, a) составляющих компонент (электронов, ионов, атомов, радикалов, фотонов) и их статистическое распределения f (по скоростям, по уровням возбуждения и т. п.), температуры Т, если распределения близки к равновесным, теплопроводность, интенсивность излучения, коэффициент поглощения, частота столкновений компонент, коэффициент диффузии и т. д. Исследование распределений этих параметров в пространстве и времени при заданных внешних условиях позволяет выделить основные кинетические и динамические процессы, протекающие в изучаемой плазме, определить их скорости, энергетические характеристики, найти способы управления значениями параметров плазмы. Помещение датчика в плазму искажает её параметры. Поэтому большинство методов диагностики-плазмы – б е с к о н т а к т н ы е , в которых носителями информации о плазме являются окружающие её поля и излучения. К числу к о н т а к т н ы х относятся различные зондовые методы (электрические, магнитные, СВЧ-зонды и пр.). Бесконтактные методы делятся на пассивные и активные. П а с с и в н ы е методы диагностики плазмы основаны на регистрации излучений и потоков частиц из плазмы или измерении характеристик окружающих её полей. А к т и в н а я диагностика плазмы основана на измерении характеристик внешнего зондирующего излучения при его прохождении через плазму и на отклике (реакции) самой плазмы на зондирующий луч. Таким образом, активные методы возмущают плазму, хотя в большинстве случаев возмущение можно сделать сравнительно малым. С другой стороны, целенаправленное создание в плазме определенных малых возмущений и изучение динамики их релаксации являются одним из направлений по определению локальных характеристик плазмы. Значит, трудности при диагностики плазмы возникают во многих методах из-за сложной связи измеряемых величин с параметрами плазмы. Установление этой связи требует выбора определенной плазменной модели. Её часто приходится формулировать априорно. Затем в рамках модели реализуют конкретный метод диагностики плазмы и далее, интерпретируя результаты, контролируют адекватность принятой модели. Другая проблема — нелокальность большинства методик. Определяется среднее значение G измеряемой величины g(x, у, z) в пределах объёма ( V) наблюдения или зондирования G gx, y, z dV , V чаще всего V — объём в пределах малого сферического угла, узких слоев и т. п., «вырезаемых» диагностическими лучами в плазме. Восстановление локальных значений g(x, у, z) требует измерений по разным направлениям. В случае простой и заранее известной конфигурации плазмы (круговой, эллиптический и т. п.) достаточно определить G вдоль параллельных хорд или по углам одной точки. Затем g(x, у, z) вычисляется с помощью интегрального уравнения Абеля. Самое общее разделение методов диагностики плазмы возможно по носителям информации о параметрах плазмы, хотя вклад каждой из таких групп в диагностики плазмы существенно неодинаков. Макроскопические методы устанавливают самые общие представления об интегральных характеристиках плазмы (факт существования, качественное представление об её структуре, динамике движения и т. п.) и обычно основываются на анализе эффективности взаимодействия плазмы с источником питания. Модель для таких методов: плазма — проводящий объём (например, токовый «шнур» и т. п.). Техническая реализация модели зависит от способа создания плазмы. Так, например, в газовых НЧ-разрядах — это, прежде всего, измерения тока и падения напряжения (электрического поля) в плазме. В сильноточных разрядах ток часто измеряется поясом Роговского (катушкой индуктивности), напряжение в тороидальных установках (например, «Токамаках») — петлей связи. В случае лазерных и СВЧ-методов формирования плазмы определяются мощности падающего, отражённого и прошедшего излучения, которые позволяют вычислить поглощаемую в плазме энергию, средне активную проводимость. Для оценки газокинетического давления в плазме п е Т е + п i Т i в ряде случаев используются её диамагнитные свойства. При возникновении плазмы происходит изменение магнитного потока через контур, охватывающий поперечное сечение рабочей части разрядной камеры. По величине изменения магнитного потока судят о величине газокинетического давления (см. Диамагнетизм плазмы). Определенною информацию о плазменном шнуре дают его индуктивные и ёмкостные свойства. Измерения полных радиационных потерь плазмы с помощью болометров, пироэлектрических детекторов и т. д. в сочетании с другими методами позволяют анализировать энергетический баланс, процессы диффузии примесных ионов и т. д. Применение коллиматоров позволяет вести приём в заданном элементе телесного угла (хордовое зондирование). Динамика плазмы исследуется с помощью скоростной оптической развёртки и регистрации излучения электронно-оптическими преобразователями. При исследованиях плазмы в магнитном поле применяются магнитные зонды — малые катушки индуктивности, расположенные обычно на периферии плазменных объектов и ориентированные в разных направлениях. По колебаниям магнитного потока, пронизывающего катушки, судят о перемещениях плазменного шнура. Диагностика плазмы, основанная на регистрации электромагнитных излучений, наиболее информативна, обширна по диапазону используемых физических принципов, способам реализации устройств и является обычно бесконтактной. Конкретные методы можно условно разделить на несколько подгрупп. Спектроскопическая диагностика плазмы в основном подразумевает регистрацию и анализ характеристик спектров электромагнитного излучения плазмы; по используемому интервалу частот её делят на СВЧ, оптическую (включал УФ) и рентгеновскую. С помощью спектров можно найти пространственно-временные распределения практически всех параметров плазмы в самых широких диапазонах их значений. Главные недостатки метода — сложность связи параметров плазмы с непосредственно измеряемыми интенсивностями и существенная зависимость от видов статистических распределений частиц и излучения, которые заранее не известны. Поэтому спектроскопические исследования проводятся в три этапа. Сначала устанавливают модель состояния плазмы и выбирают методы диагностики плазмы, допустимые в рамках этой модели, далее эти методы реализуют, а затем интерпретируют полученные результаты измерений и контролируют адекватность принятой модели. Информация, необходимая для решения задач первого этапа, может быть получена из анализа спектрального состава излучения плазмы, который позволяет определить основные компоненты ионного и химического состава плазмы; выявить линии, принадлежащие ионам (атомам) с наибольшей энергией ионизации Е i и оценить значение температуры электронов Т е по эмпирическим формулам вида Т е = аЕ i (а – коэффициент, зависящий от Е i ,). Выявление последней различимой на фоне сплошного спектра линии в сериальной последовательности позволяет оценить значение концентрации электронов п е и т. д. Обычно измеряют интенсивности, интегральные вдоль луча наблюдения. Локальные значения, связанные непосредственно с параметрами плазмы, приходится вычислять с помощью интегрального преобразования. В качестве основных в спектроскопической диагностики плазмы используются модели локального термического равновесия (ЛТР), частичного локального термического равновесия (ЧЛТР), а также коронарная или более общая ударно-радиационная (УР) модель. Наиболее надёжную и определенную информацию получают из оптически тонкой плазмы. Диагностики по интенсивности» линий в большинстве случаев основаны на модели ЛТР. Если измерена локальная абс. интенсивность I mp спектральной линии, возникающей при спонтанном переходе атомов (молекул, ионов) из возбуждённого состояния т в состояние р, то может быть определена температуpa плазмы Т, однако из других измерений должна быть известна плотность п. Проще определить Т по отношению интенсивностей линий, которое уже не зависит от п. В рамках модели ЛТР зависимость относительных интенсивностей множества линий в полулогарифмическом, масштабе от энергии их возбуждения Е т линейна с наклоном, определяемым температурой Т. Интенсивность спектральной линии с ростом температуры сначала увеличивается, а затем, когда становится существенной ионизация, падает. Значение Т, соответствующее максимуму интенсивности, зависит от состава плазмы. При известном составе оно может быть заранее рассчитано. Зафиксировав в эксперименте немонотонный ход интенсивности по радиусу столба плазмы данного состава, можно определить зону, где находится ~ максимум температуры T даже не проводя подробных измерений интенсивности. Для диагностики плазмы по с п е к т р а м п о г л о щ е н и я наиболее типичны метод поглощения тонким слоем и метод обращения. Если слой оптически тонкой однородной плазмы толщиной l «просвечивать» излучением вспомогательного источника со сплошным спектром J ( ) с яркостной температурой Т , превышающей температуру плазмы Т, то на фоне этого спектра можно наблюдать линии поглощения. Если Т < Т, то вместо линий поглощения будут наблюдаться эмиссионные линии. При I = T линии в спектре исчезают («обращение линий»). Следовательно, варьируя Т известным образом, можно по моменту обращения линий определить Т (см. также Пирометрия оптическая). В рамках модели ЧЛТР для диагностики плазмы используются только линии, создаваемые переходами с достаточно высоких уровней, населённости которых находятся в равновесии со свободными электронами. По абсолютной интенсивности такой линии можно найти либо пе, либо Те, если одна из этих величин известна из других измерений. Измеряя отношение интенсивностей линий атомов (ионов) разного типа, можно получить относительный ионный состав плазмы, а его абсолютную нормировку можно провести с помощью уравнения квазинейтральности. Если, же в плазме присутствуют ионы только одного типа, то пi = пе и Iтр ~ пe2. В этом случае отношение интенсивности дискретной линии к интенсивности континуума (обусловленного радиационной рекомбинацией и торможением на ионах) зависит только от Те и может быть использовано для её определения. Спектроскопические методы диагностики неравновесной плазмы, основанные на подходящем варианте УР модели, позволяют определить по интенсивности спектральных линий населённости уровней, которые затем с помощью системы уравнений баланса связывают с другими параметрами плазмы. Для простых моделей существуют рассчитанные графики зависимости интенсивностей линий от пе и Те. Такие зависимости имеются, например, для резонансных, интеркомбинационных и сателлитных линий водородо- и гелиеподобных многозарядных ионов, возбуждаемых в горячей (Те ≥ 107 К) сверхплотной (ne ≥ 1020 см-3) плазме. Если адекватность исходной УР модели не вполне ясна или же модель сложна, то путём сравнения измеряемых и расчётных пространственно-временных распределений интенсивностей линий выявляют основные кинетические и динамические процессы, протекающие в плазме. Диагностика плазмы по контурам спектральных линий основана на измерениях формы наблюдаемых контуров Iн(), их полуширин н и интенсивности в максимумах. Наблюдаемый контур может весьма сильно отличаться от истинного (или «локального») контура линий Iл () вследствие его искажения измеряющим спектральным прибором, характеризуемым аппаратной функцией А (). Так что Iн () представляет собой свёртку распределений Iл () и А (). Для восстановления контура Iл () по измеряемому Iн () необходимо знать форму А () (для свёртки двух распределений Лоренца и Гаусса имеются табулированные функции Фойгта). Форма Iл () определяется влиянием множеством факторов: доплеровским уширением, уширением за счёт столкновений, расщеплением уровней в электрических (Штарка эффект) или магнитных (Зеемана эффект) полях и т. д. Наибольшее значение имеют измерения уширений, обусловленных Доплера эффектом и линейным Штарка эффектом. По форме доплеровского контура спектральной линии можно определить функцию распределения f (v) излучающих частиц по скоростям. При максвелловской форме функции f (v). контур становится гауссовым, полуширина которого (в A ) однозначно связана с темп-рой частиц Т (эВ) = 4,7108 (Д /)2 А, где А — атомный вес излучающих атомов (ионов), Т — их кинетическая температуpa. Этот метод успешно применяется, например, для определения температуры ионов в плазме токамаков. Минимум температур, которая может быть, таким образом, определена (при min ~ 0,1 ), составляет (0,1 - 0,3) эВА. A При высокой плотности заряженных частиц (1014 ne 1018 см-3) уширение, обусловленное линейным эффектом Штарка для атомов водорода и водородоподобных ионов, преобладает над доплеровским. Форма линий и их полуширина Ш становятся мало чувствительными к значениям температуры Т. Это позволяет применять такие линии для определения пе путём подбора такого значения пе, при котором расчётный контур лучше всего согласуется с измеренным Iл (). Менее точен, но более удобен метод определения пе по измеренной полуширине Ш, т. к. расчётные графики зависимости Ш (пе) для многих линий построены. По контурам линий других атомов значение пе можно оценивать (довольно грубо) в тех случаях, когда их уширение обусловлено квадратичным эффектом Штарка. Диагностика плазмы по сплошному спектру («континууму») основана на определении либо абсолютной локальной интенсивности Iл (v) в какойлибо точке спектра, либо её относит, распределения в протяжённом участке (обычно в коротковолновой области). Основная трудность этих методов связана с интерпретацией измеренных интенсивностей, так как в плазме могут одновременно действовать несколько механизмов генерации континуума (см. Излучение плазма). С наибольшей надёжностью диагностики плазмы (оптически тонкой) проводится в тех условиях, в которых излучаемый ею континуум Iл (v) представляет собой совокупность тормозного (на ионах) и рекомбинационного (одноэлектронного) континуумов, а сама плазма химически однокомпонентна. В этом случае для спектральных распределений интенсивности в тормозном IТ (v) и рекомбинационном Iр (v) континуумах имеют аналитические выражения, позволяющие определять Те (при максвелловском распределении электронов) по наклону зависимости lnIл = In (IT + Iр) от v. В случае немаксвелловской формы функции распределения электронов измерения Iл (v) позволяют исследовать вид fe (). По абсолютной интенсивности континуума может быть найдена затем концентрация пе, если известен ионный состав плазмы или эффективный заряд Zэфф ионов плазмы, важный параметр высокотемпературной плазмы. В оптически плотной плазме спектры излучения уже не несут столь обширной информации. По мере распространения излучения к границам контуры линий трансформируются за счёт процессов поглощения и переизлучения. Определение «локального» контура становится невозможным. Полезность усреднённого контура основана на том, что он оказывается самообращённым; значение и положение максимума интенсивности на «крыльях» такого контура зависят от температуры на оси плазмы. Пассивная СВЧ диагностика плазмы использует ту особенность оптически плотной плазмы, что на сравнительно низких частотах регистрируемое спектральное распределение интенсивности связано с поверхностной температурой плазмы формулой Рэлея–Джинса (для абсолютно чёрного тела): Iн=2Tе/8 3с2. При отсутствии влияния магнитного 4ne 2 me (плазменной частоты). Измерения излучения плазмы с использованием СВЧприёмников получили довольно широкое распространение. Принимаемая мощность излучения Р (Вт) связана с эффективной (радиационной) температурой электронов Тр (эВ) соотношением P = B1,6 10 -19 Tp v, где v – полоса частот приёмника (в Гц), В — поглощать способность плазмы, равная доле энергии поглощаемого ею излучения. Трудности этого метода диагностики плазмы связаны с интерпретацией результатов, так как лишь при максвелловском распределении электронов их средняя энергия равна радиационной температуре (Te = Tр), которая может быть вычислена при известной В. Если Те в плазме не постоянна, то даже при В = 1 (чёрное тело) необходим расчёт толщины слоя, из которого принимается излучение. Диагностика плазмы по циклотронному излучению применяют, когда в окрестности циклотронной частоты e (или вблизи её гармоник) плазма излучает как абсолютно чёрное тело, а вдали от e излучение пренебрежимо мало. Обычно это излучение наблюдается в области СВЧ и позволяет определить Tр. Для плазмы низкой плотности по мощности излучения можно рассчитать электронное, давление пТе. Взаимодействие когерентного электромагнитного поля с плазмой используется в ряде методов диагностики плазмы. По диапазону частот делится на СВЧ и лазерную диагностику плазмы, хотя в ряде методик это деление условно. Зондирование плазмы СВЧ основано на модели плазмы как макроскопической среды, влияющей на распространение электронномагнитных волн. Этот метод даёт возможность определить пе, ve (частоту столкновения электронов с тяжёлыми частицами), а в оптическом диапазоне и концентрацию нейтральных атомов. Методика основана на зависимости диэлектрической проницаемости плазмы от частоты: 2p n Re Im 1 2 1 i e 1 e 1 i e , nc m2 — критическая концентрация, при которой = р и Re = 0. При nc 4e 2 ( р сигнал проходит через плазму, при < р происходит отражение волн (т. н. отсечка). Это первый простейший метод оценки концентрации поля необходимо, чтобы частота принимаемых волн > р = плазмы. Он используется при зондировании ионосферы, а также в лабораторных исследованиях. Широкое применение в исследованиях, особенно нестационарной плазмы, получили интерферометрические методы, основанные на зависимости разности фаз между опорным излучением и излучением, прошедшим через плазму, от плотности плазмы. Если пе < пс и длина волн — характерного размера неоднородности, то Re определяет разность фаз волны, прошедшей через плазму, и опорной: 1l 1 n e l n e n e dx, ; l0 2 2 n c l – длина зондирования. Мнимая часть Im определяет экспоненциальное n затухание волны с коэффициентом e 1 e , откуда вычисляется ve. c nc Так могут быть определены средняя по лучу зондирования концентрация и частота столкновений ve. Для восстановления профиля п (r) необходимо обратное интегральное преобразование. Диапазон частот, используемых для интерферометрических измерений, ограничен, с одной стороны, условием распространения волн р, а с другой — минимальным измеряемым сдвигом фаз. При плотностях плазмы n << 1014 см-3 используют СВЧдиапазон. В этом диапазоне существует несколько интерферометрических схем: локация в свободном пространстве, волноводный, резонаторный методы Рис. 1. КГ – клистронный (по изменению сдвига резонансной генератор, ДТ – двойной тройник, ФВ – частоты). Простейшая схема первого фазовращатель, Ат – аттенюатор. способа приведена на рис. 1. Прошедший через плазму сигнал сравнивается с опорным сигналом на детекторной головке. Для плотных плазм (nе > 1016 - 1017 см-3) может использоваться оптическая лазерная интерферометрия. При определении концентрации атомов её чувствительность поднимется на 6-10 порядков для тех атомов, для которых есть близколежащие к частоте зондирующего луча резонансные переходы. В качестве источников света в оптической интерферометрии применяются рубиновые, гелий-неоновые и др. лазеры, в различных оптических схемах — интерферометры, Майкелъсона, Маха–Цендера и др. При фотографической регистрации интерферограммы можно с помощью преобразования Абеля получить мгновенный профиль концентрации. Фотоэлектрические методы регистрации позволяют проводить анализ последовательно. Лазерная диагностика. Диагностика плазмы по рассеянию волн на свободных электронах развита в результате использования лазерной техники. Классическое (томсоновское) сечение рассеяния на свободных 8 e2 электронах имеет вид: ST d r02 , где r0 - классический радиус 2 3 mc электрона, Ω — телесный угол. Изменение частоты излучения при рассеянии на электроне, движущемся со скоростью , определяется эффектом Доплера: k , где k 2k sin ; φ – угол рассеяния, k —волновой вектор 2 зондирующей волны. Если krD 1 (rD – дебаевский радиус экранирования), то плазменные эффекты несущественны. Рассеяние от отдельных электронов суммируется, частотный спектр рассеянного излучения определяется распределением скоростей электронов и при максвелловском распределении оказывается гауссовым (при Те ≤ 0,5 кэВ): m e 2 . I ~ n e exp 2 2 k T e Таким образом, измерения I позволяют определить Те и пе. Наблюдение под большим углом к падающему лучу ~ обеспечивает 2 локальность методики – рассеянное излучение фиксируется приёмной аппаратурой из элемента объёма, определяемого пересечением поля зрения системы регистрации и канала пучка (рис. 2). В магнитном поле, если угол между k и напряжённостью магнитного поля H , спектр рассеяния состоит из узких пиков, частотный интервал 2 между которыми равен Ωe, а огибающая имеет вид гауссовой кривой с Те = Te . На этом эффекте основаны предложения по измерению магнитного поля в плазме. По сдвигу частоты ωмакс в рассеянном спектре, обусловленном эффектом Доплера, можно определять средне направленную скорость электронов. Диагностика плазмы по коллективному (когерентному) рассеянию. В плотной плазме при krD 1 преобладающим оказывается рассеяние на крупномасштабных (по сравнению с rD ) тепловых и нетепловых колебаниях и флуктуациях плотности плазмы (зарядов Z). В случае тепловых флуктуации интенсивность рассеяния может превысить томсоновскую в Z раз, в контуре линии возникает острый пик. На этом основываются предложения по измерению ионной температуры. В плазме с высоким уровнем надтепловых флуктуации рассеяние определяется этими колебаниями. Исследование зависимости k позволяет определить амплитуды и дисперсионные характеристики нетепловых колебаний в плазме. Такого рода эксперименты в основном реализуются с применением лазеров. Возможны они и в СВЧ-диапазоне, хотя трудны как из-за малой эффективности рассеяния, так и из-за недостаточной монохроматичности генераторов. Диагностика плазмы с помощью резонансной флуоресценции основана на определении интенсивности излучения резонансно возбуждённых атомов и ионов под действием внешнего источника. Процесс можно рассматривать как рассеяние излучения на частоте, близкой к резонансной одного из атомных переходов. При достаточной интенсивности зондирующего излучения происходит насыщение эффекта флуоресценции. Зная атомные константы, можно определить концентрацию флуоресцирующих компонент. Диагностика локальна, так как наблюдение ведётся под большим углом к зондирующему лучу. Голографические методы диагностики плазмы основаны на применении голограмм.. Так как голограмма несёт информацию о фазе исходной волны, её можно использовать для интерференционных измерений вместо самого объекта. Это – важное преимущество, так как заменяет интерферометрические измерения на объекте измерениями на голограмме. В принципе, с помощью одной голограммы можно восстановить интерференционные измерения под разными углами и найти пространственное распределение концентрации электронов и другие величин, влияющих на распространение волн в неосесимметричной системе. Методика иногда применяется и в СВЧ-диапазоне. Корпускулярная диагностика плазмы обычно подразумевает анализ потоков тяжёлых частиц или излучаемых самой плазмой (пассивная диагностика плазмы), или пронизывающих её и испускаемых внешним источником (активная диагностика плазмы). Однако к этой группе относится целый ряд методов, использующих др. частицы плазмы. Корпускулярная диагностика плазмы с использованием тяжёлых частиц является основной Рис. 3. 1 – быстрый ион, 1' – быстрый атом для изучения физических характеристик тяжёлой горячей плазмы в проблеме перезарядки, 2,2' – компоненты соответственно управляемого термоядерного синтеза. С помощью холодные (медленные) пассивных методов исследуют нейтральные атомы, частицы. покидающие плазму в результате перезарядки ионов в объёме (рис. 3). Основной элемент устройства – анализатор атомов перезарядки. В нём атомы за пределами сильного магнитного поля термоядерной установки вновь ионизуются в камерах перезарядки и затем анализируются. Диапазон анализаторов: от 100-200 эВ до десятков КэВ, разрешение по энергиям ΔE/E 10-20%. Анализ часто ведут сразу по множеству энергетическим каналам. Методика является одним из основных способов измерения Тi. Для реализации корпускулярной активной диагностики плазмы используются ослабление пучков нейтральных частиц в плазме, упругое рассеяние первичного пучка, возбуждение частиц пучка с последующим изменением их траектории. По ослаблению интенсивности пучка нейтральных частиц (в результате перезарядки) на выходе из системы можно определить концентрацию ионов. Регистрация потока атомов перезарядки на пучке и атомов пучка, рассеянных на ионах, даёт возможность определить температуру и плотность ионов водорода в исследуемом объёме плазмы. Основные проблемы использования методики – ограниченная прозрачность плазмы для диагностического пучка и особенно для выходящих атомов перезарядки, возмущения плазмы первичным пучком. Комбинированная диагностика плазмы основана на регистрации излучений, возбуждаемых частицами зондирующих пучков при столкновении с частицами плазмы. Процесс идёт по схеме перезарядки: Аz+ + Н0 А(z-1)* + Н+ A(z-1)+ + H+ +h. Метод даёт возможность реализовать локальную диагностику примесей с различным зарядом Z. Возможны и другие варианты комбинированной диагностики. Так, например, пучок атомов Li использовался для определения концентрации электронов по интенсивности возбуждения спектральной линии 2s-2р (6708 Å); по углу поворота плоскости поляризации излучения оценивалась напряжённость магнитного поля в токамаке. Диагностика электронной компоненты плазмы с помощью различных анализаторов на границе плазмы позволяет определить функцию распределения fe (v) электронов, уходящих за пределы плазмы. В магнитном поле анализ обычно ограничен продольными (вдоль Н) скоростями электронов. fe (v) несёт также косвенную информацию об элементарных процессах и коллективных явлениях в плазме. В активных методах корпускулярной диагностики плазмы используют для зондирования плазмы электронный пучок заданной энергии. Распределение электронов по энергиям в рассеянном пучке несёт информацию об объёмных свойствах плазмы, её компонентном составе и т. д. Эти методы применяются редко. Метод «меченых» атомов позволяет контролировать поведение отдаление тяжёлых компонент плазмы (до сих пор использовался мало). Пассивной нейтронной диагностика плазмы измеряются потоки нейтронов при реакциях синтеза в горячей плазме для оценки температуры ионов и их распределения по скоростям. Выделение «истинных» термоядерных нейтронов требует комплекса измерений (углового и пространственного распределения, их энергетического спектра, рентгеновского излучения в установке и т. п.) Зондовая диагностика плазмы основана на помещении в плазму зондов (датчиков). Все зондовые методики (кроме зондов-анализаторов, расположенных на границе плазмы) возмущают плазму. Однако обычно возмущение локализуется в прилегающих зонду слоях, а параметры призондовой плазмы удаётся связать с её объёмными свойствами. Энергетический поток, который может выдержать зонд, ограничен. Поэтому все варианты зондовых методик пригодны только для анализа низкотемпературной или периферийных зон горячей плазмы. Электрические зонды (Ленгмюра), представляющие собой один или несколько небольших металлических электродов, погружённых в плазму, являются одним из основных средств диагностики локальных свойств низкотемпературной плазмы. Схемы некоторых конструкций зондов приведены на рис. 4. Основная первичная информация – вольтамперная характеристика (ВАХ) зонда, из которой можно определить ne,fe(ve), Te, φр – потенциал плазмы. ВАХ зависит от геометрических и плазменных параметров: lе,i – длины свободного пробега заряженных частиц, rD, rр – размера зонда и его конструкции; Те, Te/T, lia – длины пробега атомов до ионизации, напряжённости магнтиного поля Н. Обработка ВАХ для различного диапазона параметров плазмы существенно различна. Если отбор тока (частиц) на зонд происходит в прилегающем к зонду возмущённом неквазинейтральном слое rs, меньшем lе,i (бесстолкновительный слой), то зонд вносит наименьшие возмущения в плазму. Имеется последовательная теория этого случая, которая даёт значение токов Iе, Ii; и позволяет определить функцию распределения электронов по скоростям. При rs > lе,i – частицы, попадающие на зонд, испытывают в слое несколько столкновений. Строгая теория для таких условий отсутствует. Однако существует экспериментально подтверждаемая интерполяционная формула, позволяющая определить Ii, и функцию распределения электронов по энергиям. В случае гs l плазма может рассматриваться как сплошная среда. Возмущение плазмы оказывается наибольшим. Характеристики потоков на зонд увязываются с параметрами плазмы на бесконечности соответствующими уравнениями переноса. Обычно используется ионная ветвь ВАХ, т. к. электронный ток при отборе искажается сильнее и труднее поддаётся расчёту. Электрические зонды часто используются как локальный метод определения флуктуации концентрации и потенциала в неустойчивой плазме. Однако для правильного определения флуктуационных характеристик плазмы необходим корректный расчёт передаточных функций, что во многих случаях трудно разрешимо. Многосеточные электрические зонды являются электрическими анализаторами заряженных частиц. На входе зонда плазма «разрывается» большой разностью потенциалов и анализируется электронная или ионная компонента. В ВЧ- и СВЧ-зондах конец ВЧ-токопровода используется как электромагнитный излучатель. По изменению характеристик излучения и распространению возбуждаемых в плазме волн оцениваются её параметры (обычно п, ve). Литература: Диагностика плазмы, [в. 1-3], М., 1963-73; Голант В.Е., Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы, М., 1968; Грим Г., Спектроскопия плазмы, пер. с англ., М., 1969; Кузнецов Э.И., Щеглов Д.А., Методы диагностики высокотемпературной плазмы, 2 изд., М., 1980; Пятницкий Л.Н., Лазерная диагностика плазмы, М., 1976; Зайдель А.Н., Применение топографической интерферометрии для диагностики плазмы, «УФН», 1986, т. 149, в. 1; Шеффилд Дж., Рассеяние электромагнитного излучения в плазме, пер. с англ., М., 1978; Чан П., Тэлбот Л., Турян К., Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме, пер. с англ., М., 1978; Диагностика термоядерной плазмы, под ред. С. Ю. Лукьянова, М., 1985; Proceedings of the 5th topical conference on high temperature plasma diagnostics, 1984, N. Y., 1985. А. П. Жьлинский, В. Н. Колесников. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА 1. Общие свойства Низкотемпературной плазмы. Низкотемпературной называют плазму, у которой средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (< 10 эВ); температура её обычно не превышает 105 К. Плазма с более высокой температурой называется горячей или высокотемпературной. Обычно Низкотемпературная плазма слабоионизованная, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц – электронов и ионов. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называется степенью ионизации плазмы. Поскольку кулоновское взаимодействие между заряженными частицами значительно сильнее, чем взаимодействие между нейтральными частицами, и это взаимодействие дальнодействующее, то наличие заряженных частиц в низкотемпературной плазме в большой степени определяет её свойства, в том числе электрические и электромагнитные. Много видов низкотемпературной плазмы существует в природе (рис. 1), создают низкотемпературную плазму и в различных специальных лабораторных системах (рис. 2). Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной. Стационарная и нестационарная низкотемпературная плазма. Стационарная низкотемпературная плазма обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) низкотемпературная плазма живёт ограниченное время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внешними условиями. Плазма, время жизни которой превышает характерное время переходных процессов, называется квазистационарной. Например, плазма в канале молнии образуется и поддерживается в результате прохождения через него электрического тока. Характерное время установления равновесия в проводящем канале ~10-5 с, характерное время расширения (т. е. разрушения) этого проводящего канала ~10-3 с, поэтому в течение прохождения основной части тока через проводящий канал плазму в нём можно считать квазистационарной. Равновесная и неравновесная низкотемпературная плазма. Низкотемпературная плазма называется равновесной, если её компоненты находятся в термодинамическом равновесии, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. В низкотемпературной плазме легко создаются неравновесные условия в результате селективного действия внешних электрических полей: электрическая энергия от них передаётся заряженным частицам, а те отдают её частицам газа при столкновениях. При таком способе введения энергии средняя энергия заряженных частиц может значительно отличаться от тепловой энергии нейтральных частиц. В первую очередь это относится к электронам, которые из-за малой массы неэффективно обмениваются энергией при упругом столкновении с нейтральными частицами газа. При этом не только средняя энергия электронов, но и вид распределения электронов по энергиям может существенно отличаться от равновесного. Равновесная плазма обычно реализуется в газе при высоком давлении, где столкновения частиц происходят часто и скорость установления равновесия относительно велика. Примерами такой плазмы являются плазма дугового разряда при атмосферном давлении, плазма искрового разряда или молнии в атмосфере. Характерным примером неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда или плазма дугового разряда низкого давления; например, в плазме гелий-неонового лазера при давлении газа ~10 тор температуpa газа в центре разрядной трубки 400 К, тогда как средняя энергия электронов несколько эВ (рис. 3). Идеальная и неидеальная плазма. Плазма считается идеальной, если средне кинетическая энергия заряженных частиц (3/2)kT много больше средней энергии её взаимодействия с 3 e2 окружающими частицами: kT , 2 rD где е – заряд электрона, Т – температура, rD - дебаевский радиус экранирования. Идеальную плазму можно определить также как плазму, в которой число заряженных частиц в сфере с дебаевским радиусом велико. Оба определения приводят к одинаковому соотношению для параметров идеальной плазмы: Ne6/T3 << C Числовой коэффициент С в этом соотношении равен 9/32, если пользоваться первым условием и 1/96 для второго условия. Такое различие делает границу между идеальной и неидеальной плазмой весьма размытой, а это означает, что в промежуточной области параметров неидеальность плазмы может существенно влиять на одни её свойства и не сказываться на других. Неидеальная плазма с чисто кулоновским взаимодействием между частицами (полностью ионизованная) реально не существует. В такой плазме с большой скоростью происходит рекомбинация ионов и электронов с характерными временами значительно меньше атомных. За такие времена плотность заряженных частиц существенно падает, а их температура повышается и плазма перестаёт быть неидеальной. Неидеальная плазма существует в многокомпонентной системе, где возникают дополнительные условия стабилизации плазмы. Типичным примером неидеальной плазмы является плазма металла, которая сохраняется неидеальной за счёт сил взаимодействия с участием ионов решётки металла. Таким образом, неидеальная плазма существует при плотности частиц, сравнимой с плотностью конденсированного состояния вещества. Слабоионизованный газ всегда является идеальной плазмой. Неидеальную плазму можно также разделять на типы по способам её получения или использования: газоразрядная, пучковая, фоторезонансная, лазерная, ионосферная, солнечная, космическая плазма. 2. Способы создания низкотемпературной плазмы. В низкотемпературной плазме потери заряженных частиц связаны с рекомбинацией электронов и ионов и с уходом заряженных частиц на стенки сосуда или за пределы занимаемого объёма. Для поддержания существования плазмы необходимы процессы ионизации, которые создают новые заряженные частицы. Наиболее старый и простой способ создания низкотемпературной плазмы – газоразрядный. Плазма создаётся в результате протекания в газе электрического тока между электродами, к которым приложена постоянно поддерживаемая разность потенциалов. Газовый разряд содержит ряд областей, различающихся по своим свойствам, и поэтому имеется несколько типов газовых разрядов (см. Электрические разряды в газах). Для газоразрядной плазмы характерна квазистационарность, т. е. время её существования значительно превышает характерное время жизни отдельно выделенной заряженной частицы. Газоразрядному способу создания низкотемпературной плазме подобно создание плазмы при электрическом пробое газа, который осуществляется под действием разности потенциалов, приложенной к электродам. В этом случае получают импульсную плазму, которая распадается, как только электроды разрядятся. Пробой газа имеет несколько стадий, в итоге которых образуется проводящий канал – искровой разряд. Подобное явление имеет место в приземной атмосфере: молния – пробой газа между облаками или между облаком и землёй во время грозы. Пробой газа может произойти за счёт высокой напряжённости электромагнитных волн при прохождении сфокусированного лазерного излучения через газ – лазерный пробой (см. Оптические разряды). низкотемпературная плазма, образовавшаяся при газовом пробое, распадается в результате рекомбинации и диффузии заряженных частиц. Такую плазму называют распадающейся плазмой или плазмой в послесвечении и используют для измерения скоростей рекомбинации и коэффициент диффузии заряженных частиц. Под действием резонансного излучения образуется так называемая фоторезонансная плазма. Энергия фотонов резонансного излучения совпадает с энергией возбуждения атомов или молекул газа. Образуемые при поглощении резонансных фотонов возбуждённые атомы или молекулы при дальнейших столкновениях ионизуются. В качестве источника резонансного излучения используется разрядная лампа, содержащая данный газ, или перестраиваемый лазер. Этот способ генерации плазмы позволяет легко регулировать её параметры, поэтому фоторезонансная плазма применяется при создании плазменных нелинейных оптических элементов для преобразования и стабилизации частоты лазерного излучения, для создания источников ионов разного сорта, акустических источников и т. д. Фоторезонансная плазма отличается от газоразрядной плазмы по своим параметрам. В газоразрядную плазму энергия вводится через электроны, а от них она передаётся плазме, в фоторезонансной плазме энергия первоначально вкладывается в возбуждение атомов. Поэтому средняя энергия электронов в фоторезонансной плазме существенно ниже, чем в газоразрядной. При прохождении электронного пучка через газ возникает пучковая плазма. Обычно для её создания используются пучки электронов с энергией в несколько сотен кэВ. Такие электроны свободно проходят через тонкие фольги и поэтому могут транспортироваться из электронной пушки в лабораторную установку, содержащую газ при более высоких давлениях. Основной процесс взаимодействия быстрых электронов с атомами или молекулами газа – ионизация атомов или ионов. Образуемые при этом вторичные электроны имеют энергию, в несколько раз превышающую потенциал ионизации атомов или молекул. Таким образом, при прохождении пучка электронов через газ энергия быстрых электронов преобразуется в энергию вторичных электронов (которая далее и используется) с высоким коэффициентом преобразования. Поэтому кпд устройств, возбуждаемых электронным пучком, достаточно велик. Например, кпд молекулярных, химических и эксимерных лазеров, возбуждаемых электронным пучком, > 10%. Однако основное достоинство возбуждения плазмы электронным пучком – возможность быстрого подвода энергии. Характерные времена возбуждения плазмы электронным пучком ~10-9 с. Благодаря этому электронный пучок используется не только для создания импульсной низкотемпературной плазмой, но и для предионизации. В мощных лабораторных устройствах электронный пучок создаёт однородную первичную плазму, которая далее развивается под действием электрического импульсного разряда. В 1980-е гг. широкое развитие приобретает лазерная плазма. Лазер используется для различных технологических операций – обработки поверхностей, сварки, резки металлов и т. д. При взаимодействии лазерного излучения с поверхностью образуется лазерная плазма, которая, взаимодействуя с лазерным излучением, может поглощать его, препятствуя проникновению лазерного излучения к обрабатываемой поверхности. Лазерная плазма специфически физический объект, требующий исследования в плане конкретных технологических процессов. Имеется много других способов генерации низкотемпературной плазмы. Плазма может быть получена под действием жёсткого излучения, ионизующего газ (ионосфера Земли и других планет), в результате прохождения пучка ионов или нейтронов через газ. В качестве генератора низкотемпературной плазмы могут быть использованы радиоактивные источники. Ещё один способ создания низкотемпературной плазмы – химический: в пламенах заряженых частицы образуются в результате процессов хемионизации. 3. Процессы в низкотемпературной плазме. Основными процессами в низкотемпературной плазме являются элементарные процессы возбуждения и ионизации газа, рекомбинации заряженных частиц и другие, процессы переноса заряженных и возбуждённых частиц, а также процессы переноса энергии за счёт теплопроводности, конвекции. Число типов элементарных процессов в низкотемпературной плазме достигает несколько десятков. На примере плазмы воздуха (табл.) рассмотрим характер элементарных процессов в низкотемпературной плазме. Первостепенное значение среди элементарных процессов в низкотемпературной плазме имеют процессы ионизации, ибо они поддерживают плазму. Чаще ионизация происходит в результате столкновения с электронами. Процесс 1 называется прямой ионизацией, процесс 2 – ступенчатой ионизацией, представляющей собой последовательность процессов возбуждения метастабильного состояния (13) и ионизации возбуждённой молекулы. Ступенчатая ионизация эффективно происходит в относительно плотной плазме. Заряженные частицы в низкотемпературной плазме могут образовываться с участием возбуждённых частиц – ассоциативная ионизация (3) или Пеннинга эффект. Заряженные частицы возникают также в результате фотоионизации. Процесс 4 – основной процесс образования ионосферной плазмы под действием КВ-излучения Солнца. Рекомбинация заряженных частиц в плазме может идти по разным каналам. Процессы 5, 6 – диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона, процесс 7 – взаимная нейтрализация положит, и отрицательных ионов, процесс 8 – трёхчастичная рекомбинация электрона и иона, процесс 9 – фоторекомбинация. Каждый из этих процессов при соответствующих условиях может быть доминирующим. Элементарные процессы в низкотемпературной плазме Типы процесса Ионизация Рекомбинация Прилипание Возбуждение Перезарядка № процесса 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Схема типичного процесса е + N2(Х1+g) 2e + N+2 е + N2(A3+u) 2e + N+2 2N2(A3+u) N+4 + e O + h + e е + N+2 N + N е + N+4 N2 + N2 N+2 + О2- N2 + О2 е + О+ + N2 О + N2 е + О+ О + h е + О2 N2(О2) О2- + N2(О2) е + О2 О- + О е + О О- + h е + N2(Х1+g) e + N2(A3+u) е + N2(Х1+g) e + N2(С3Пu) е + N2( = 0) e + N2( 0) N2 + О2+ N2+ + О2 N+2 + N2 N2 + N+2 Важную роль, особенно в плазме электроотрицательных газов, играют процессы прилипания электрона к атому или молекуле, в результате чего образуется отрицательный ион. Хотя процессы прилипания электрона не изменяют число заряженных частиц в плазме, но при таком переходе резко падает проводимость плазмы, существенно изменяются её другие свойства. Процесс 10 – трёхчастичное прилипание электрона к атому, процесс 11 – диссоциативное прилипание электрона к молекуле, процесс 12 – фотоприлипание. В частности, в атмосферном воздухе в результате процесса 10 за 10-7 с первоначально образованные медленные электроны превращаются в отрицательные ионы, а процесс 12 ответствен за ночное свечение неба. Процессы возбуждения атомов и молекул существенны и для поддержания низкотемпературной плазмы и при преобразовании энергии внешнего источника в энергию излучения в газоразрядных лампах и газовых лазерах. Процесс 13 – образование метастабильной молекулы – является первой стадией ступенчатой ионизации молекул. Процесс 14 – возбуждение резонансных состояний молекул; в азотном лазере, например, этот процесс создаёт инверсную заселённость уровней. Процесс 15 – возбуждение колебательных уровней молекулы, этот процесс преобладает в тлеющем разряде в азоте и в лазере на углекислом газе, что обеспечивает большой кпд и высокую мощность лазера. Процессы перезарядки 16, 17 приводят к переходу заряда от одной частицы к другой. Особенно существенна резонансная перезарядка (17), которая эффективнее упругого рассеяния, т. к. резонансная перезарядка происходит при прямолинейных траекториях движения иона и молекулы. Резонансная перезарядка определяет параметры транспорта ионов – подвижность и коэффициент диффузии (продольной и поперечной по полю) в собств. газе. Рассмотренные процессы типичны для различных видов плазмы, но для каждой конкретной системы могут оказаться важными, определяющими свойства и параметры плазмы, и другие типы процессов. Например, это могут быть процессы колебательной релаксации возбуждённых молекул, процессы тушения возбуждённых молекул и атомов при столкновении с электронами и нейтральными частицами, процессы разрушения отрицательных ионов и т. д. 4. Неустойчивости и структуры низкотемпературно плазмы Коллективные явления не играют в низкотемпературно плазме первостепенной роли, как в горячей плазме, но их влияние на свойства плазмы может быть заметным. Присутствие большого числа нейтральных частиц в слабоионизованной плазме приводит к затуханию множество типов колебаний, характерных для горячей плазмы, и к устойчивости низкотемпературной плахмы относительно этих колебаний. Если степень ионизации плазмы не очень мала, то основные типы колебаний плазмы возникают в ней, хотя и не так чётко выражены. В частности, в положительном столбе дугового разряда низкого давления, где степень ионизации плазмы доходит до процентов, присутствуют как плазменные колебания, так и ионный звук. Возникновение плазменных неустойчивостей приводит, в свою очередь, к осцилляции разрядного тока. Неустойчивости низкотемпературной плазмы, приводящие к нарушению пространственного распределения плазмы или к её разрушению, существенно отличаются от неустойчивостей горячей плазмы. Основные типы неустойчивостей низкотемпературной плазмы: ионизационная, прилипательная и тепловые неустойчивости. Ионизационная неустойчивость обусловлена связью скорости ионизации с пространств, распределением заряженных частиц, со средней энергией электронов или с другими параметрами плазмы. В случае ионизации неустойчивости снижение скорости ионизации уменьшает соответствующий параметр плазмы, а это приводит к последующему понижению скорости ионизации. Механизмов развития ионизации неустойчивости может быть много в зависимости от конкретных условий. Прилипательная неустойчивость связана с процессом перехода отрицательного заряда от электронов к отрицательным ионам. В этом случае образование отрицательного иона изменяет параметры плазмы так, что делает благоприятным дальнейшее прилипание электронов к атомам. В результате либо нарушается однородное распределение плазмы, либо нарушаются условия существования плазмы и она разрушается (подробнее см. Плазма электроотрицательных газов). Тепловые неустойчивости проявляются во влиянии теплового режима и процессов переноса на параметры плазмы. Ярким примером является тепловой взрыв в лазере на угарном газе. Как во всяком молекулярном газе, колебательная температура в плазме этого лазера превышает поступательную температуру газа. В процессе колебательной релаксации, связанной с тушением колебательно возбуждённых молекул, часть колебательной энергии переходит в поступательную, что приводит к повышению температуры газа и увеличению теплового потока на стенки за счёт теплопроводности. С ростом температуры газа резко возрастает скорость колебательной релаксации. Тепловой поток в газе не в состоянии унести энергию, выделяемую при колебательной релаксации. Оставаясь в газе, она приводит к увеличению его постулат, температуры, а это, в свою очередь, к повышению скорости колебательной релаксации. Возникает тепловая неустойчивость, в результате которой колебательная энергия быстро перерабатывается в поступательную до тех пор, пока колебательная и поступательная температуры газа не сравняются. Эта неустойчивость ограничивает удельную мощность лазера на угарном газе. Неустойчивости низкотемпературной плазмы нарушают однородное распределение плазмы в пространстве и могут привести к появлению новых структур. Одной из них, наиболее изученной, является сжатие, или контракция газового разряда. В длинной цилиндрической трубке свечение газового разряда и электрический ток сжимаются к оси, и в остальной части трубки газ не возбуждается. Механизм контракции разряда может быть разным, но суть её состоит в следующем. Из-за резкой зависимости скорости ионизации от плотности газа и повышения температуры вблизи оси трубки (где проходит ток) ионизация газа происходит только вблизи оси трубки. За счёт разных механизмов рекомбинации заряженные частицы гибнут в объёме не доходя до стенок трубки. В результате заряженные частицы сосредоточены вблизи оси трубки, в этой области происходит возбуждение газа и наблюдается его свечение. Другой тип структур в газоразрядной плазме – страты – чередующиеся светящиеся и тёмные области разряда; эта правильная полосатая структура может перемещаться и «бежать» к электроду, а может быть неподвижной. Страты существуют в определенной области токов и давлений; механизмы их возбуждения и характер проявления различны для атомных и молекулярных газов. Страты возникают при таких параметрах разряда, при которых существенна ступенчатая ионизация газа, так что скорость ионизации зависит от плотности электронов нелинейно. Возникновение страт обусловлено тем, что с увеличением плотности электронов повышаются скорость ионизации и средняя энергия (температура) электронов, а это в свою очередь вызывает возрастание плотности электронов. Страты как осциллирующая структура распределения электронов в разряде выгоднее однородного распределения, ибо при таком распределении более эффективно используется вводимая в газ энергия. Амплитуда осцилляции плотности электронов и размер страт определяются механизмом возникновения неустойчивости и конкретными параметрами плазмы. В газоразрядной плазме распространён ещё один тип структуры – домен. Первоначально такие структуры наблюдались и исследовались в полупроводниковой плазме и известны как Ганна эффект. Электрические домены в газоразрядной плазме – движущиеся в пространстве возмущения плотности электронов, представляющие собой резкое и узкое повышение плотности электронов, а за ним движется широкий и слабый «хвост». Это возмущение может перемещаться или вместе с током, или в обратном направлении. При этом проинтегрированное по времени изменение плотности электронов равно нулю. Домены могут возникнуть, если имеется немонотонная зависимость тока от напряжённости электрического поля, например в случае немонотонной зависимости дрейфовой скорости электронов от напряжённости электрического поля или если отношение плотности отрицательных ионов в плазме к плотности электронов растёт с увеличением напряжённости электрического поля. Повышение напряжённости поля и рост средней энергии электронов усиливают диссоциативное прилипание электронов к молекулам и зависимость тока от напряжённости электрического поля при одном и том же токе и создают электрический домен. 5. Применение низкотемпературной плазмы. Разнообразное использование низкотемпературной плазмы определяется простотой её создания. Газоразрядная плазма применяется в газовых лазерах и источниках связи, в плазмохимических процессах и процессах очистки газов, для обработки поверхностей, в различных технологиях и металлургия, процессах. Низкотемпературная плазма как рабочее тело используется при преобразовании тепловой энергии в электрическую, в магнитогидродинамических генераторах и термоэмиссионном преобразователе. В плазмотроне низкотемпературная плазма выполняет роль теплоносителя. Вводимая в плазму электрическая энергия передаётся электронам, а от них – атомам или (и) молекулам газа и нагревает его. Удельная энергия, вводимая в такой газ, заметно выше энергии в пламени газовой горелки. Применения низкотемпературной плазмы можно разделить на две стадии. В первой из них плазма является рабочим телом конкретных установок и приборов (газоразрядные лазеры и лазеры, возбуждаемые электронным пучком, МГДгенератор, термоэмиссионный преобразователь, газоразрядные источники света и т. д.); во второй — плазма составляет основу соответствующих технологий. Технологическое применения плазмы обеспечиваются двумя её качествами. Во-первых, в плазме могут быть достигнуты гораздо более высокие температуры, чем в горелках на химическом топливе, поэтому плазма является отличным теплоносителем; во-вторых, в плазме образуется много ионов, радикалов и различных химически активных частиц, поэтому в плазме или с её помощью можно провести химические процессы в объёме или на поверхности, имеющие практическое значение. Применение плазмы как теплоносителя связано с процессами сварки и резки металлов. Поскольку максимальная температура в химических горелках < 3000 К, они не подходят для этой цели. Дуговой разряд позволяет создать плазму с температурой в 3-4 раза выше, которая при соприкосновении с металлом расплавляет его. Плазменные методы сварки и резки металлов обеспечивают более высокую удельную производительность, качество продукта, дают меньше отходов, но требуют больших затрат энергии и более дорогого оборудования. Плазма как теплоноситель используется в топливной энергетике. Введение плазмы в зону сжигания низкосортных углей существенно улучшает энергетические параметры процесса. Как хороший теплоноситель плазма позволяет производить термическую обработку поверхности и её закалку. При этом не изменяется химический состав поверхности, но улучшаются её физические параметры. При другом способе обработки поверхности активные частицы плазмы вступают в химическую реакцию с материалом поверхности. Например, при проникновении ионов или активных атомов из плазмы в приповерхностный слой в нём образуются нитриды или карбиды металлов, что упрочняет поверхность. Плазма может не вступать в химическую реакцию с поверхностью, но образует на ней свои химические соединения в виде плёнок, обладающих некоторым набором механических, тепловых, электрических, оптических и химических свойств в зависимости от параметров плазмы. Толщина плёнки, напыляемой на поверхность из плазмы, пропорциональна времени плазменного процесса. Изменяя через некоторое время состав плазмы, можно создавать многослойную структуру. Обработка отдельных слоев сфокусированы излучением ртутной лампы или лазера позволяет создавать профилирующие плёнки с минимальным размером отдельных элементов в несколько микрон (см. Плазменная технология). Низкотемпературная плазма применяется для получения ряда химических соединений, полимеров и полимерных мембран, а также при производстве порошков керамических соединений (SiC, Si3N4), металлов и окислов металлов (см. Плазмохимия). Низкотемпературная плазма используется для анализа элементного состава вещества, осуществляемого двумя способами. В первом из них исследуемое вещество вводится в плазменную горелку – дуговой разряд с проточной плазмой – в микроколичествах либо в виде порошка, либо в виде капель. В плазме вещество диссоциирует на атомы, которые частично возбуждаются и излучают. По спектральному составу излучения определяется элементный состав вещества. Этот метод, называется эмиссионным спектральным анализом, имеет долгую историю и применяется для анализа металлов и сплавов; он позволяет надёжно определять содержание примесей в количестве, превышающем 10-3 – 10-2%. В другом способе элементного анализа исследуемое вещество также вводится в пламя или в проточную плазму газового разряда, которые находятся между двумя электродами. Пламя или плазма облучаются излучением перестраиваемого лазера, и протекающий через плазму ток измеряется как функция длины волны излучения. Как только излучение попадает в резонанс с переходами атомов, находящихся в плазме, то изменяются условия ионизации атомов и, следовательно, разрядный ток. Этот эффект называется оптогальваническим; чувствительность методов, использующих этот эффект, на несколько порядков выше, чем в эмиссионном спектральном анализе. 6. Низкотемпературная плазма земной атмосферы и Солнца. Низкотемпературная плазма присутствует в окружающей нас природе. На небольших высотах плазма может возникать под действием электрических полей, существующих в атмосфере. В результате конвективных течений в атмосфере происходит разделение заряда и возникают электрическое поле со средней напряжённостью у поверхности Земли ~100 В/м, а также электрические токи. Одно из проявлений разделения заряда в атмосфере связано с возникновением молний. В момент прохождения основного тока молнии её канал представляет типичную низкотемпературную плазму, напоминающую плазму дуги высокого давления и плазмотронов. Температуpa плазмы в канале молнии достигает 30000 К, плотность заряженных частиц ~ 1017 см-3 при диаметре канала порядка 1 мм. Ионизованный газ верхней атмосферы — ионосфера возникает в основном под действием излучения Солнца. Ионосферу принято делить на ряд слоев (D, Е, Fl, F2), расположенных на высотах 50-90, 90-140, 140-200 и 200-400 км. Средняя концентрация заряженных частиц в слое D составляет ~103 см-3. Отрицательный заряд в этом слое создаётся в основном различными отрицательными ионами; наиболее распространённым положительным ионом является кластерный ион Н3О+ · Н2О. Заряженные частицы в слое Е образуются в результате фотоионизации газа под действием УФ-излучения. Эти заряженные частицы дрейфуют в нижние слои атмосферы и служат источником плазмы в D-слое ионосферы. Плотность электронов в Е-слое ~105 см-3, отрицательные ионы в этом слое практически отсутствуют; типы положительных ионов — О2+ и О+. Гибель заряженных частиц в слое Е обусловлена диссоциативной рекомбинацией электронов и ионов и уходом частиц в нижние слои. Плотность электронов в слоях F1 и F2 ~ 105-106 см-3, основной тип положительных ионов О+. Заряженные частицы в слоях F образуются в результате ионизации атомарного кислорода под действием УФ-излучения Солнца. Гибель заряженных частиц определяется фоторекомбинацией электронов с ионом кислорода, фотоприлипанием электрона к атому кислорода, а также уходом заряженных частиц в нижние слои. Слои Е и F ионосферы отражают радиоволны, обеспечивая связь на KB и средних волнах на большие расстояния. Поскольку плазма этих слоев создаётся под действием излучения Солнца, параметры плазмы могут существенно меняться на протяжении суток и времени года, что влияет на распространение радиоволн. На высотах Е и F слоев работают также ИСЗ. На этих высотах чаще всего развивается полярное сияние, возникающее при проникновении потока солнечных протонов в атмосферу. Околоземная плазма на больших высотах, а также межпланетная плазма создаются солнечным ветром, и структура магнитосферы определяется взаимодействием солнечного ветра с магнитным полем Земли. Электроны, захваченные магнитным полем Земли, образуют радиационные пояса Земли. Параметры солнечной плазмы, как и атмосферной, резко различаются в зависимости от области Солнца. Во внутренней части Солнца температуpa достаточно высока, так что там находится сильноионизованная плазма. На поверхности Солнца и в окрестности Солнца степень ионизации плазмы невысока, т. е. здесь содержится низкотемпературная плазма. Поверхностный слой Солнца толщиной ~1000 км, из которого испускается основная часть электромагнитного излучения Солнца, называется фотосферой. Плотность атомарного водорода в фотосфере ~1017 см-3, плотность заряженных частиц ~1014 см-3, температуpa равновесной плазмы ~ 6000 К. Это излучение определяется в основном процессом фотоприлипания электрона к атому водорода. Образуемые при этом отрицательные атомы водорода далее быстро разрушаются при столкновениях, так что отрицательный заряд фотосферной плазмы образуется в основном электронами. Разреженная область плазмы над поверхностью Солнца – солнечная корона. Плотность плазмы в короне резко падает по мере удаления от Солнца. Особенностью солнечной короны является её высокая температура (~106 К). Поэтому солнечная корона испускает жёсткое (рентгеновское) излучение. Кроме того, она является источником солнечного ветра. Литература: Пикельнер С. Б., Основы космической электродинамики, 2 изд., М., 1966; Акасофу С. И., Чепмен С, Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 1—2, М., 1974—75; Смирнов Б. М., Введение в физику плазмы, 2 изд., М., 1982; Арцимович Л. А., Сагдеев Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979; Биберман Л. М., Воробьёв В. С, Якубов И. Т., Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы, М., 1982; Райзер Ю. П., Физика газового разряда, М., 1987.