Ионная температура

Ио́нная температу́ра — искусственно введённый параметр, характеризующий среднюю кинетическую энергию хаотического движения ионов в плазме.

Физические основы

Файл:Ions Electrons in plazma.svg

Движение ионов и электронов в плазме

Ионную температуру ионной подсистемы плазмы обозначают как $T_{i}.$ Применяют этот параметр в случаях, когда поведение ионной подсистемы, то есть распределение ионов в плазме по скоростям, близко к распределению Максвелла. Если плазма достаточно плотная, то количество соударений между ионами и электронами велико, и можно считать ионную и электронную температуру близкими:

$T_{i}=T_{e}$,

где $T_{e}$ — температура электронной подсистемы в плазме (т. н. электронная температура).

Схема электронной и ионной подсистемы модели плазмы показана на рисунке. Показаны ионы $I^{+}$и электроны $e^{-}$, хаотически двигающиеся в модели плазмы.

Однако, в сильно разряжённой плазме это условие не выполняется, и различие между ионной и электронной температурами может быть достаточно велико, а время выравнивания большим:

$\tau _{\epsilon }={\frac {3(m_{e}T_{i}+M_{i}T_{e})^{3/2}}{8{\sqrt {2\pi m_{e}M_{i}}}n(Z_{i}e_{e})^{2}\Lambda }}$,

где $m_{e}$ — масса электрона, $M_{i}$ — масса иона, $T_{e}$ — температура электронной подсистемы, $T_{i}$ — ионная температура, $\Lambda$ — кулоновский логарифм, определяемый как:

$\Lambda =\ln {\frac {r_{D}}{\rho _{\perp }}}$.

Здесь $r_{D}$ — дебаевский радиус экранирования, $\rho _{\perp }$ — прицельный параметр ближнего взаимодействия. Для обычной газоразрядной плазмы $\Lambda \eqsim 10-15$.

Кулоновский логарифм качественно можно определить как логарифм отношения максимального к минимальному прицельному параметру. В термоядерных реакторах величина кулоновского логарифма $\Lambda$ лежит в пределах от 5 до 10. В экспериментальных расчётах удобно пользоваться обратным кулоновским логарифмом:

${\frac {\sigma _{exp}}{\sigma _{0}}}={\frac {1}{\Lambda _{exp}(\Gamma )}}$,

где $\sigma _{i}$ — проводимости, $\Lambda _{exp}(\Gamma )$ — обратный кулоновский логарифм.

Так, в плазме, из которой состоит т. н. солнечный ветер, температура протонов в несколько раз меньше $T_{e}$, и примерно в 4 раза меньше температуры $\alpha$-частиц $T_{\alpha }$. В других случаях наоборот, ионная температура может в десятки раз превышать электронную, $T_{i}\gg T_{e}$.

См.также

• Температура

Литература

• Кирий Н. П., Савинов С. А. Эволюция температур ионов и электронов в плазме токовых слоёв, сформированных при разряде в криптоне // Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии Наук. — 2021. — № 2.
• Голятина Р. И., Майоров С. А. О температуре ионов в криогенном разряде // Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии Наук. — 2016. — № 8.
• Жданов С. К., Курнаев В. А., Романовский М. К., Цветков И. В. Основы физических процессов в плазме и плазменных установках. — Москва : МИФИ, 2007.

Ссылки

• Ионная температура
• Лекции по основам физики плазмы

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Ионная температура», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Ионная_температура» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».