Modification of the electron velocity distribution function in weakly ionized plasmas by nonisotropic elastic-scattering processes

Summary After a brief presentation of a technique for solving Boltzmann's equation in multiterm approximation in the presence of nonisotropic elastic and (conservative) inelastic collisions of the electrons with gas atoms or molecules, we report the results of a systematic study of the impact of a nonisotropic scattering in elastic collisions. By using an appropriate distribution for the scattering angle, the effects on isotropic (i.e. energy) distribution, total anisotropy of the velocity distribution and some transport and rate coefficients are investigated for a model plasma, from mainly forward to mainly backward scattering. The results are then compared with those found for isotropic scattering. A particularly large impact has been found, for instance, on energy distribution and some macroscopic quantities for narrow forward scattering, while the classical two-term approximation especially is found to fail for backward scattering. The results are qualitatively explained by considering the balance between energy gain by the field and collisional dissipation and the modifications produced when changing the anisotropy of elastic scattering.

---

Riassunto Dopo una breve presentazione di una nuova tecnica per la risoluzione dell'equazione di Boltzmann in approssimazione ?multi-term? in presenza di urti elastici non isotropi e urti anelastici conservativi da parte di elettroni con atomi o molecole del gas, vengono riportati i risultati di uno studio sistematico dell'effetto dell'anisotropia dello scattering elastico. Facendo ricorso ad appropriate distribuzioni dell'angolo di scattering, si studia l'effetto su distribuzione energetica, anisotropia della distribuzione delle velocità ed alcuni coefficienti del trasporto utilizzando un conveniente gas modello e variando lo scattering da ?prevalentemente in avanti? a ?prevelentemente all'indietro?. I risultati sono poi confrontati con quelli ottenuti con la comune assunzione di scattering isotropo. Si è potuto così mettere in luce che esiste un effetto particolarmente pronunciato dello scattering in avanti su distribuzione energetica ed alcune importanti grandezze macroscopiche e, contemporaneamente, anche osservare che la convenzionale approssimazione a due termini tende a divenire inadeguata particolarmente in presenza di scattering all'indietro. Tutti i risultati ottenuti sono qualitativamente spiegati considerando il bilanciamento tra guadagno di energia dovuto al campo elettrico e dissipazione dovuta agli urti e, in particolare, analizzando gli effetti che sono prodotti quando l'anisotropia dello scattering elastico viene alterata.

---

Резюме Сначала обсуждается техника решения уравнения Больщмана в многочленном приближении в присутствии неизотропных упругих и (консервативных) неупругих соударений электронов с атомами или молекулами газа. Затем мы приводим результаты систематического исследования влияния неизотропного рассеяния в упругих соударениях. Используя соответсвующее распределение для угла рассеяния, для модельной плазмы исследуются влияние на изотропное (т.е. энергетическое) распределение, полная анизотропия распределения по скоростям и некоторые транспортные и вероятностные коэффициенты. Полученные результаты сравниваются с результатами вычислений для изотропного рассеяния. Обнаружено особенно большое влияние, например, на энергетическое распределение и на некоторые макроскопические величины для узкого угла рассеяния вперед, хотя классическое двух-членное приближение не обнаруживает изменения для рассеяния назад. Полученные результаты качественно обьясняются с помощью рассмотрения баланса между приращением энергии из-за полевой и столкновительной диссипации и изменениями, связанными с изменением анизотропии упругого рассеяния.