2.2.10. Деионизация

В любой точке стационарного разряда концентрация заряжен­ных частиц любого типа определяется равенством скоростей обра­зования и потерь частиц в этой точке. Ионизация в плазме приводит к разделению зарядов, но электрическое притяжение ограничивает степень возможного разделения и плазма остается квазинейтральной. Наряду с ионизацией непрерывно происходят уравновеши­вающие ее процессы деионизации. К ним относятся рекомбинация заряженных частиц в нейтральные, захват электронов (прилипание), дрейф проводимости и диффузионные процессы, выравнивающие концентрацию (амбиполярная диффузия).

Скорость рекомбинации ионов и электронов в нейтральные частицы при их концентрациях n_i, n_е, п_а определяется коэффици­ентом рекомбинации R по уравнению

(2.29)

Коэффициент рекомбинации R тем больше, чем больше плот­ность частиц. Он зависит также от сорта частиц, времени их жиз­ни, от размеров ионов, от наличия близко расположенных тел (нейтральных атомов воздуха или охлаждающих стенок).

Проводимость газового разрядного промежутка определяют прежде всего электроны как высокоскоростные частицы. Захват электронов атомами (прилипание) и ионами в процессе рекомби­нации можно в некоторых случаях рассматривать как обратимый процесс, а в других - как практически необратимый процесс. На­пример, процесс Na⁺ + e ↔ Na⁰ можно считать обратимым. Если же при сварке в состав покрытия электрода или флюса вводят пла­виковый шпат CaF₂, то в этом случае может происходить необра­тимый захват электрона фтором.

Захват электронов с образованием тяжелых отрицательных ио­нов может осуществляться и другими атомами металлоидов, кото­рые обладают довольно большим сродством к электрону (3.. .4 эВ). В дуговом разряде под флюсом из галогенов могут происходить, например, такие процессы:

F + е → F^-1 + 3,94 эВ; О + е → О^-1 + 3,8 эВ;

С1 + е → Сl^-1 + 3,7 эВ; Н + е → Н^-1 + 0,76 эВ.

Порядок значения сродства к электрону таков, что указанные процессы могут считаться обратимыми. Но быстрая рекомбинация образовавшихся отрицательных ионов и положительных ионов металлов в молекулы (R велико) приводит к более интенсивной деионизации разрядного промежутка.

11. Излучение плазмы

Явление рекомбинации электрона и иона заключается в том, что свободный электрон, пролетая в поле иона, захватывается им и переходит в связанное состояние. При этом освобождается энергия, равная сумме кинетической энергии свободного электрона и его энергии связи. Например, если электрон с энергиейе_е захватывается протоном и в результате образуется нормальный атом водорода, то полный выигрыш энергии составит ε_е + 13,6 эВ (рис. 2.12).

Заштрихованная область на диаграм­ме энергий соответствует свободным электронам. Их кинетическая энергия отсчитывается от линии нулевого уровня вверх. Нормальное состояние электрона, связанного в атоме водорода, соответству­ет отрицательной энергии 13,6 эВ. Напом­ним, что за нулевой уровень энергии условно принимается состояние, при ко­тором связь между ядром и электроном разорвана и эти частицы разведены на очень большое расстояние с нулевой ки­нетической энергией.

Освобождающаяся энергия может излучаться в виде фотона с энергией ε_е + 13,6 эВ. Возможен также ступенчатый переход, при котором атом сначала оказывается в одном из доступных возбужденных состояний, а затем перескакивает на нормальный уровень. Это изображено на правой стороне диаграммы. Тормозному излуче­нию соответствует изменение энергетического состояния электро­на в заштрихованной области (переход между точками А и В). Так как свободные электроны обладают непрерывным набором энер­гий, то фотоны, излучаемые в процессе рекомбинации, образуют сплошной спектр, на который накладывается линейчатый спектр возбужденных атомов, образующихся при ступенчатых переходах.

Для сварочных дуг, имеющих Т_е ≈ Т_i ≤10⁴ К, излучение ре­комбинации преобладает над тормозным излучением электронов и имеется преимущественно сплошной спектр с максимумом длин волн излучения в видимой и ультрафиолетовой областях оптиче­ского диапазона 0,3... 1,0 мкм. Спектр сварочной дуги в парах ме­таллов приближается к спектру солнечного излучения с неболь­шим сдвигом в сторону длинных волн (рис. 2.13).

Сплошной спектр интегрально дает наибольшую часть излу­чения дуги. Однако интенсивность отдельных линий линейчатого спектра на фоне сплошного спектра значительно выше. По часто­те (длине волны) и интенсивности определенных спектральных линий, излучаемых в разных зонах дугового разряда, можно су­дить о концентрации возбужденных атомов и, следовательно, о температуре зоны. Сравнивая интенсивности спектральных линий, делают заключение об электронной температуре плазмы и степени приближения ее к термодинамическому равновесию. Важные све­дения о плотности электронов в плазме получают, измеряя уширение спектральных линий.

2. Явления переноса в плазме

Направленное движение ионов и электронов в плазме может быть вызвано двумя причинами: электрическим полем, создаю­щим ток, или же разницей в концентрации частиц между раз­личными участками плазмы. Кроме того, в неравномерно нагретой плазме обмен частицами между областями с различной тем­пературой создает механизм плазменной теплопроводности, бла­годаря которому через плазму идет поток тепловой энергии. Пе­речисленные процессы объединяются общим названием - явление переноса. Они обеспечивают переход от неравновесного к равно­весному состоянию.