等离子体碰撞.pdf

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1、本章主要内容第五章等离子体中的碰撞与输运5.1等离子体中的二体碰撞5.2等离子体中的库仑碰撞5.3原子碰撞5.4分子碰撞5.5等离子体中的输运过程5.1等离子体中的二体碰撞•二体碰撞–等离子体中的粒子碰撞•等离子体中包含大量无规则强电离等离子运动的电子、离子及中性粒体子•等离子体的一些特有性质与等离子体粒子之间的碰撞密切相关弱电离•粒子碰撞特性与等离子体密等离子体度、温度及电离度的强弱有关•碰撞过程一般为多体过程（一个带电粒子与多个粒子中性气相互作用）体•二体碰撞近似–低温、低密度等离子体，二体碰撞过程占主导地位–高温、强电离度等离子体，多体碰撞为主。但多体碰撞描述

2、和计算极为复杂，往往近似为二体碰撞的叠加过程–二体碰撞近似描述：将粒子运动轨迹分为碰撞区和碰撞间隙区。在碰撞区，不考虑外场对粒子的作用，而在碰撞间隙区，不考虑粒子之间的相互作用?适用于带电粒子与中性粒子之间的碰撞，在一定近似下也可以用于带电粒子之间的碰撞?二体碰撞是等离子体碰撞过程中最基本的问题•二体碰撞类型–三种基本运动粒子?前三种碰撞为带电粒子与带电粒•电子（e）子之间的碰撞，库仑力作用，无•离子（i）需粒子直接接触，为库仑碰撞•中性粒子（n）?后三种中碰撞的粒子至少有一方–分类为中性粒子，需要直接接触才会•能量交换、电离、激发、产生相互作用力复合、电荷转移•弹

3、性、非弹性?电子与原子碰撞主要过程有弹性散射（电子动量改变）和激发、–六种碰撞组合电离等•e-i•e-e?离子与原子碰撞主要过程有弹性•i-i散射（动量和能量交换）和共振•e-n电荷转移等•i-n?分子气体中还包括分解、分解复•n-n合、电子吸附和解吸附•二体碰撞的几个概念–弹性碰撞与非弹性碰撞(两个粒子相互作用)?符号表粒子1粒子2''pppp+=+αβαβ质量mm动量守恒αβ''E+EEEE=++Δkkkkαβαβ速度vv'v'αavββ能量守恒动量''pppp根据粒子内能总改变量αaββΔ=E0弹性碰撞动能''EEEEΔ>E0非弹性碰撞kαkakβkβΔ

4、超弹性碰撞–质心速度与约化质量（描述碰撞过程中的动量与动能传递特性）mmrr+质心坐标R=ααββmm+αβmmvv+质心速度vR==ααββmm+αβ动量守恒vv='即碰撞过程中，质心速度保持不变mm约化质量m=αβαβmm+αβmmβ取MM==α，αβmm++mmαβαβ–粒子相对于质心的速度与相应能量守恒表达式vvvv=−=M粒子1的相对速度ααCβαβvvvv''''=−=MαCαβαβ粒子2的相对速度vvvββC=−=−Mαvαβvvv'''=−=−Mv'其中βCβααβvvvvvv=−=,'''−为碰撞前后的粒子相对速度αβαβαβαβ1122能量守恒

5、表达式mmEvv='+Δ22αβαβαβαβΔE=0对于弹性碰撞，碰撞前后粒子相对速度保持不变，'

6、

7、vv=

8、

9、只改变方向αβαβ–二体弹性碰撞过程中粒子动量的动能的传递碰撞使一个粒子将动量和动能传递给另一个粒子'粒子1的动量改变量Δpv=−mm()vvp=Δ=−ΔαααααβαββΔ=pv−−(1cos)θm=−ΔpααβαββΔpmβ粒子1的动量相对损失率α=−(1cos)−θpmm+vΔvααβαβαβ粒子1的动能改变量'vαβΔEEEm=−=Δ='vvi−ΔEkkααkααβαβkβΔ=EE−−(1cos)[θE−+−Em(m)vvi]kkααβαkββαα

10、βθ?<>表示在方位角方向求平均，β粒子各向同性时=0Oφ2mmmmE==时，0.5E=αβαβαβ能量传输系数αβ()mm+2mm或,0E≈αβαβαβ–散射截面（碰撞截面）y将两种粒子视为刚性球，注意半径为r+r的圆！12粒子1当粒子1沿z轴向粒子2靠近rr12时，如果粒子1在xy平面的投影落在圆内，那么粒子1必然x和粒子2发生碰撞粒子22圆的面积σπ=+()rr12称之为碰撞截面（亦称散射截面）?碰撞截面越大，越容易发生碰撞！它可以用来衡量粒子发生碰撞的概率，分子、原子的半径约为10-10m，它们的碰撞截面约为10-20m2碰撞截面的几点说明a.离

11、子与中性粒子的半径大致相等，i-n碰撞与n-n碰撞的碰撞截面约为4πr2b.电子的半径相对于中性粒子可忽略不计，e-n碰撞的碰撞截面为πr2，为上者的1/4c.按照刚性球模型，碰撞截面为常数，与粒子能量无关，事实上并非如此！d.当带电粒子接近中性粒子时，中性粒子内部会产生电极化，从而形成电场力，改变粒子轨迹。极化效应与碰撞粒子的相对速度有关典型的碰撞截面e-Ne弹性碰撞截面e-惰性气体原子电离碰撞截面e-Ar激发（488nm辐射）碰撞截面e-Ar动量转移碰撞截面–平均自由程平均自由程λ定义：从统计平均角度，认为粒子每行进距离λ就会发生一次碰撞。图示为简化说明图中