6. Plasmakinetik

Physik VI
Plasmaphysik
Physik VI – Plasmaphysik
Inhaltsübersicht
1. Charakteristik des Plasmazustandes
2. Experimentelle Grundlagen der Plasmaphysik
3. Thermodynamische Gleichgewichtsplasmen
4. Plasmen im Magnetfeld
5. Wellen im Plasma
6. Plasmakinetik
7. Plasmastrahlung
8. Thermonukleare Plasmen
1
6. Plasmakinetik
• im Plasma wurde der Energieinhalt bisher im Rahmen des Fluidbildes durch eine
Temperatur charakterisiert
• die vollständige Beschreibung erfordert allerdings die Kenntnis der gesamten Verteilungsfunktion im Geschwindigkeitsraum
• diese wird im Rahmen der kinetischen Beschreibung ermittelt
• Ziel dieses Vorgehens ist es, Informationen darüber zu gewinnen, wie sich die
Verteilungsfunktion f(v) ausbildet unter dem Einfluss von elektrischen Feldern oder bei der
Einkopplung von Wellen in das Plasma
• Stöße der Teilchen
Geschwindigkeitsraum
untereinander
führen
dann
zu
einer
• Ausgangspunkt ist die Vlasov-Gleichung:
• unter Berücksichtigung von Stößen gilt die Boltzmann-Gleichung:
Umverteilung
im
2
6. Plasmakinetik
6.1.
Stöße im Plasma
• in Plasmen tritt eine außerordentliche Fülle verschiedener Stoßarten auf
• man unterscheidet zunächst zwei große Gruppen: elastische Stöße, bei denen der innere
Zustand der Teilchen unverändert bleibt und nur kinetische Energie ausgetauscht wird, und
unelastische Stöße, bei denen kinetische Energie durch innere Zustandsänderungen der
Teilchen verbraucht bzw. frei wird (überelastische Stöße)
• unelastische Stöße können z. B. zur Anregung und Ionisation von Atomen, aber auch zur
Rekombination von Ionen führen
• eine für die plasmachemische Stoffwandlung wichtige Klasse unelastischer Stöße ist mit
dem Aufbrechen bzw. der Installation neuer chemischer Bindungen verknüpft (reaktive Stöße)
• von außerordentlicher Bedeutung sind im Plasma die Stöße der Elektronen gegen schwere
Teilchen und die Inter-Elektronenwechselwirkung
classification
collision processes in
non-isothermal plasmas
electronelectron
interaction
electron collisions with
heavy particles
elastic collision
e- + A e- + A
ionization
e- + A  2e- + A+
e- + A+  2e- + A++
e-+ A2  2e- + A + A+
excitation
e- + A  e- + A*
e- + A*  e- + A**
(source of radiation:
A*  A + hv)
attachment
e- + A + B  A- + B
e- + A2  A + A-
deexcitation
e- +
no change of
particle
number
A*
heavy
particle
reactions
 e- + A
dissociation
e- + AB  e- + A + B
e- + AB  e- + A+ + B-
recombination
e- + A+  A + hv
e- + A2+  A + A
change of
particle
number
3
6. Plasmakinetik
6.2.
Verteilungsfunktionen
• betrachten jetzt den Stoßterm auf der rechten Seite der Boltzmann-Gleichung und
fordern, dass dieser im Gleichgewicht zu Null werden muss
• die Verteilungsfunktion kann durch Stoßprozesse geändert werden, indem Teilchen in
ein Phasenraumelement hinein oder heraus gestreut werden
• bei der Abweichung vom Gleichgewicht macht man prinzipiell den Ansatz dass die
Störung klein ist
• in vielen Fällen hat man im System zudem eine Vorzugsrichtung vorliegen, z.B. durch
die Ausrichtung des elektrischen Feldes, das die Ladungsträger beschleunigt
• dies wird in der 2-Term-Näherung berücksichtigt
• man unterteilt die Verteilungsfunktion in einen isotropen Anteil f0 und einen anisotropen
Anteil f1