弱电离大气等离子体电子碰撞能量损失的理论研究

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.20(2013)205201弱电离大气等离子体电子碰撞能量损失的理论研究*周前红董志伟(北京应用物理与计算数学研究所,北京100088)(2013年1月24日收到;2013年6月26日收到修改稿)在前期计算电子能量分布函数的基础上,求出弱电离大气等离子体中各碰撞反应过程的电子能量损失.由于在弹性碰撞中电子-重粒子能量交换很少,同时氮气、氧气分子又有很多能量阈值较低的转动、振动能级存在,因此在大气等离子体中弹性碰撞电子能量损失所占份额很小(直流电场下小于6%).研究发现,弱电离大气等离子体中在不同能量区间占主导的能量

2、损失过程不同.随着有效电子温度(或约化场强)增加,占主导的电子能量损失过程依次为转动激发、振动激发、电子态激发、碰撞电离、加速电离产生的二次电子.在约化场强E=N=1350Td(或有效电子温度为14eV)附近,平均电离一个电子所需的能量最小,约为57eV.因此可以根据不同的需求调节电场强度,从而达到较高的能量利用率.关键词:弱电离大气等离子体,碰撞反应过程,电子能量损失PACS:52.25.Dg,52.80.TnDOI:10.7498/aps.62.205201等离子体产生的能量效率,需要对不同条件下大气1引言电离过程中的电子碰撞能量损失进行细致的分析研究.随着低温等

3、离子体科学技术的发展,弱电离大近20年,虽然低温等离子体的数值模拟研究不气等离子体的应用越来越受到人们的关注[1;2].在断深入[1013],很多程序都可以研究低气压(102Pa除菌、污染处理、材料表面处理、超音速飞行器以下)等离子体中电子温度的变化过程,但对于压的流动控制和发动机助燃等诸多应用领域,大气强为103Pa以上的大气等离子体,目前文献中常使等离子体发挥着越来越重要的作用[26].很多美用简化的流体模型或整体模型(globalmodel,GM)俄(从前苏联开始)学者提出可以使用高功率微波来描述[1416].许多简化的模型中都没有考虑电子在大气一定高度产

4、生人造电离层(artifiallyionized的能量方程[17;18].因为考虑能量方程后,会遇到两layer)作为电磁波的吸收器和反射器[6;7].俄罗斯一个困难:一是实验上给出的流体方程中反应参数都些学者提出使用该人造电离层用于修复臭氧层空是场强的函数,反应参数对有效电子温度的依赖关洞,或产生一个人造臭氧层(artifiallyozonelayer)[8].系难以获取;二是考虑能量方程后数值计算收敛难在弱电离大气等离子体的许多应用中,实际参与作度大幅度增加.因此,如果有其他方法分析弱电离用的是电子(例如,电离层的反射主要取决于电子大气等离子体中电子能量碰撞损失,将有

5、助于加深数密度),因此应用中一般关心如何得到所需的电子对弱电离大气等离子体产生过程的认识.本文正数密度[9].实际放电过程中,在控制高气压(103Pa是基于这一思想,使用电子能量分布函数(electron以上)下的放电不向热等离子体(如电弧放电)转变energydistributionfunction,EEDF)得到电子各主要的同时,需要研究在一定能量条件下如何获得更大碰撞反应过程的能量损失.国外也有一些文献使用体积、更高电子数密度的等离子体[9].为了提高EEDF研究电子与某些原子、分子的碰撞能量损失*国家自然科学基金(批准号:11105018)、国家重点基础研究发

6、展规划(批准号:2013CB328904)和中国工程物理研究院科学技术发展基金(批准号:2012B0402064)资助的课题.通讯作者.E-mail:zqh2002@gmail.com⃝c2013中中中国国国物物物理理理学学学会会会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn205201-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.20(2013)205201[1924].已有的研究有两个特点:一是研究不同放级的多原子分子,有文献保留球谐展开到第六项以电条件下,产生电子-离子对所需的能量大小,这上[18].

7、但文献[18]的计算结果表明,使用一阶球谐是因为很多研究关心在一定的能量条件下如何得展开,就可以给出很有用的结果.对于氮气,保留到到高密度等离子体,例如普林斯顿大学的Macheret一阶计算出的输运参数和保留到三阶计算出的输小组[2022]为了研究可用于助燃的等离子体,就对运参数相差在10%以下.将(3)式代入(1)式得:等离子体产生的能量效率进行了大量的研究;二是¶f0g1=2¶f1g1=2¶+ee(e;Ef1)=C0;(4)假设EEDF为Maxwell分布,这是因为多数研究关¶t3¶z3¶e注低气压,此时电子的EEDF更接近于Maxwell分