Температура плазмы. Равновесная и неравновесная плазма

Основной термодинамической величиной, характеризующей распределение тепловой энергии между частицами плазмы, является температура. Температура T представляет собой эквивалент энергии W (За единицу энергии в плазме принят один электронвольт). В плазме как в системе разнородных частиц, имеющих различный заряд и массу, чаще всего помещенной во внешние электрические и магнитные поля, энергия этих частиц в общем случае существенно отличается. Поэтому в физике говорят о температуре (энергии) отдельных ее компонент. В общем случае каждая из компонент плазмы (электроны, ионы, нейтрали) характеризуется своей температурой – Т_е, Т_i и Т_n.

Введение величины Т как температуры плазмы оправдано только тогда, когда средняя кинетическая энергия составляющих ее частиц – электронов, ионов, нейтральных и возбужденных атомов и молекул – одинакова. Так в состоянии теплового равновесия все частицы имеют максвелловское распределение по скоростям (энергиям) и их температуры равны Т_е= Т_i = Т_n. Такую плазму называют равновесной или изотермической. При тепловом равновесии с окружающей средой изотермическая плазма может существовать неограниченно долго.

В природе изотермическая равновесная плазма составляет вещество звезд, в том числе и нашего Солнца. Вообще во Вселенной, по-видимому, большая часть вещества находится в состоянии равновесной изотермической плазмы, которую часто называют «горячей» плазмой (степень ионизации горячей плазмы близка к единице, а ее температура превышает сотни тысяч градусов).

Стационарная равновесная горячая плазма пока встречается только в космосе. В реальных лабораторных и технологических условиях размеры области, которую занимает плазма, всегда сильно ограничены (стенками камер, электродами и т. д.). В этом случае происходит отток энергии из плазмы (уход частиц на стенки рабочей камеры, электромагнитное излучение и пр.). Поскольку уходящие из плазмы частицы уносят энергию, ее нужно непрерывно восполнять из внешних источников. В разреженной плазме, когда тепловая энергия частиц намного превышает среднюю энергию их электростатического взаимодействия, процессы диссипации и подвода энергии к ней не позволяют добиться равенства температур различных компонент ввиду неэффективного обмена энергией между электронами и тяжелыми частицами. Такая плазма, в которой имеет место разделение температур компонентов, образующих плазму, неизотермична (неравновесна). При прекращении действия внешних источников энергии неизотермическая плазма исчезает в течение малых (10^-5 – 10^-4) долей секунды. В этом коренное отличие неизотермической неравновесной плазмы от изотермической, которая, будучи предоставлена самой себе, может существовать практически неограниченное время.

В плазме, которая создается в лабораторных условиях или в технологических установках Т_е обычно значительно превосходит Т_i и Т_n (Т_е>> Т_i > Т_n). Такое различие между Т_е и Т_i, Т_n обусловлено громадной разницей в массах электрона и иона (нейтрального атома, молекулы). Внешние источники электрического питания, с помощью которых создается плазма (при различных формах разряда в газах), передают энергию электронной компоненте плазмы, так как именно электроны являются носителями тока. Ионы (нейтрали) приобретают тепловую энергию в результате столкновений с быстро движущимися электронами. Относительная доля кинетической энергии электрона, которая может быть передана иону при столкновении, ~ m_e/m_i. Поскольку m_e << m_i, то электрон должен испытать большое количество (тысячи) столкновений для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии. Поскольку параллельно процессам обмена тепловой энергией между электронами и ионами идет процесс приобретения энергии электронами от внешнего источника, и одновременно с этим энергия уходит из плазмы вследствие различных механизмов теплопередачи, то в такой открытой системе обычно поддерживается большая разность температур электронов и ионов (нейтральных частиц).

Этот перепад снижается при увеличении концентрации плазмы. В плазме, существующей в условиях нормального атмосферного или повышенного давления, когда длина свободного пробега достаточно мала, количество столкновительных актов резко возрастает и энергии частиц за счет этого почти выравниваются. Однако в этом случае должны существовать внешние условия, которые быстро компенсируют потери энергии при столкновениях, т. е. эффективность передачи энергии от внешнего источника должна быть очень велика. Тогда устанавливается соотношение T_e ≈ T_i ≈ T_н и плазма может называться квазиравновесной. Такая плазма существует, например, в дуговом разряде высокого давления.

О степени нагретости плазмы обычно судят по температуре наиболее подвижной ее компоненты – электронов, Т_е. Общепринято делить плазму на высоко- и низкотемпературную. Это разделение в значительной степени связано с видами конкретных исследований и их приложений. Так, с высокотемпературной плазмой связаны исследования по проблеме управляемого термоядерного синтеза (УТС). Значительная часть современных плазменных технологий осуществляется с использованием низкотемпературной плазмы (тлеющий разряд, дуговой разряд, ВЧ- и СВЧ-разряды, лазерная плазма, образующаяся при воздействии излучения умеренной интенсивности на твердый образец и пр.)

Плазму принято считать низкотемпертурной, если энергия электронов W = kТ_е < 10 эВ (k – постоянная Больцмана). Для высокотемпературной плазмы область энергий электронов 100 эВ – 10 кэВ

Температуру, как эквивалент энергии, в физике плазмы, как правило, приводят не в кельвинах, а в эВ (исходя из выражения для тепловой энергии W = kT). Одному электрон-вольту соответствует температура 11600 К. Для низкотемпературной плазмы Т_е < 10⁵ К.