Reconsideration of temperatures for non-equilibrium plasmas with low-ionization degree based on various entropy theory

基于各种熵理论对低电离度非平衡等离子体温度的再思考

• 批准号: 22K03566
• 负责人: 赤塚 洋
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03566/
• 关键词: 非平衡プラズマ; エントロピー理論; 電子エネルギー分布関数; ボルツマン方程式; 非平衡統計力学; 衝突輻射モデル

令和４年度は、系の確率変数が連続変数となる系として、電子エネルギー分布関数に着目し、統計力学的な意味での温度の再検討を行った。具体的には、N2,O2の弱電離放電プラズマを対象として、2項近似を適用したBoltzmann方程式を、各ガス種励起状態のレート方程式と連立させて換算電界E/Nの関数として解き、電子エネルギー分布関数EEDF F(ε)を求め、Gibbsエントロピーを計算し、統計熱力学的温度1/(∂S/∂U)を再検討し、分布関数の傾きや、カイネティック温度(2U)/(3k)との一致・不一致を体系的に検討した。振動励起状態密度と連立させてEEDFを解くコードを自作しており、これを利用した。その結果、酸素・窒素の両方のプラズマについて、エントロピーSと電子エネルギーの対数lnUとの間の良好な線形関係が確認されたが、酸素プラズマでは d(S/k)/d(lnU)= 1.55-1.61,窒素プラズマでは1.53-1.58となって、Alvarezらの予測値1.50とほぼ一致したが、正確には一致しないことが判明した。また、エントロピーと平均エネルギーの関係から計算される統計的熱力学的電子温度も、電子の運動温度とほぼ一致するが、厳密には一致しなかった。過去の研究では、酸素分子の酸素原子への解離も、非弾性および超弾性衝突による窒素分子の振動レベルとのエネルギー交換も考慮されていなかった。つまり、ボルツマン方程式を解いて EEDF を求める場合、EEDF の影響をボルツマン方程式の衝突項に適切に組み込み、電子エネルギーの変化を調べる必要がある。線形であった2項近似ボルツマン方程式が非線形になる。その結果、対応するエントロピーは、本研究で扱ったギブスエントロピーとは限らないことも確認された。他のタイプの非平衡エントロピーについても議論する必要があり、今後さらに検討する必要があると考えられる。

In this paper, we discuss the relationship between the accuracy of the system and the temperature of the system in the fourth year. For the specific case of N2,O2, the weak ionization state of N2,O2, the corresponding image, the two-term approximation, the Boltzmann equation, the equation for each excitation state, the relationship between the electric field E/N, the relationship between the electron generation distribution, EEDF F(ε), the Gibbs calculation, the temperature 1/(S/U) of statistical thermodynamics, the relationship between the distribution, the relationship between the temperature 1/(S/U), and the relationship between the electron generation distribution, the relationship between the electron generation distribution and the temperature 1/(S/U) of statistical thermodynamics. The temperature of the system is (2U)/(3K) and the consistency and inconsistency are discussed. The vibration excitation state density and connection of EEDF are discussed in detail below. The linear relationship between the number of pairs lnU and the ratio d(S/k)/d(lnU)= 1.55-1.61, the ratio d(S/k)/d(lnU)= 1.53-1.58, and the ratio d(S/k)/d(lnU)= 1.50 were confirmed. The relationship between electron temperature and electron motion is consistent. In the past, the dissociation of acid atoms in acid molecules, non-ionic and supra-ionic conflicts, and the vibrational exchange of acid molecules were considered. In the case of solving the equation of EEDF, the influence of EEDF on the conflict term of the equation of EEDF is necessary to adjust the change of the electron energy. Linear 2-term approximation The results of this study are as follows: He is not a balanced person. He is a balanced person. He is a balanced person.