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等离子体表面处理德拜屏蔽与德拜长度介绍
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发布时间：
2020-10-02
等离子体表面处理德拜屏蔽与德拜长度介绍：
如果受等离子体内部粒子热运动的扰动使等离子体表面处理等离子体内某处出现电量为q的负电荷积累，由于该团电荷的静电场效应，其周围将吸引正离子而排除电子，结果出现带正电的“正电荷”的云层包围“负电荷”，如图1-1所示。从远处 看，“正电荷”形成的云层削弱了“负电荷”的作用，即削弱了“负电荷”对 远处带电粒子的库仑力，这种现象在等离子体表面处理等离子体物理中称为“德拜屏蔽”。“负电荷”中心到“正电荷”云层边际的长度称为德拜长度λD，可通过求解屏蔽库仑势引出。
假定负电荷中心为坐标原点，对于空间电荷分布为p(r)的平衡态带电粒子系， 距中心r处空间的电势分布φ(r)满足泊松（Poisson）方程：
（1-4）
然而，由于电荷屏蔽作用，P(r)取决于r处的正、负电荷密度差：
P(r)=e[Ni(r)-Ne(r)] （1-5）
式中，Ni(r)和 Ne(r)代表距离负电荷中心r处正负带电粒子的数密度。在没有空间电荷积累时，电子和正离子呈均匀分布，且Nio=Neo=N。出现电荷积累后，Ni(r) 和Ne(r)则不再均匀分布。一般情况下，质量小的电子先达到热平衡，而质量大的离子仍停留在原来位置，此时Ne(r)服从麦克斯韦分布：
(1-6)
式中，Ve(r)=-eφ(r)是电子的电势能。对于等离子体表面处理等离子体，平均热运动动能远大于平均电势能，即kTe》eφ。将式(1-6)做泰勒级数展开，并取二级近似，得到：
Ne(r)=Neo[1+eφ(r)/kTe] (1-7)
将式(1-7)代入式(1-5)得到：
代入泊松方程，得：
(1-9)
一般地，屏蔽库仑势的有效作用力程大致为德拜长度λD，即以λD为半径的球，称为“德拜球”，如图1-1所示。德拜球外的库仑势则可以忽略。德拜长度的物理意义引如下：
(1)等离子体对作用于它的电势具有屏蔽作用，屏蔽半径即为德拜长度；
(2)德拜长度是等离子体电中性成立的小空间尺度，当r>λD时，等离子体呈现电中性；
(3)德拜长度是等离子体宏观空间尺度的下限，即等离子体存在的空间尺度L>>λD。
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