电离气体是部分或完全电离的气体，其宏观电中性由正负带电粒子共同维持。理解带电粒子组成是分析等离子体导电性、鞘层、扩散和化学反应的基础。在低温等离子体中，带电粒子通常只占气体总粒子数的很小一部分；在高温或强电离条件下，带电粒子比例可显著升高。
电离气体中的带电粒子主要来源于以下过程：

• 电子碰撞电离：高能电子与中性粒子碰撞，使其失去电子，例如
  [
  \mathrm{Ar}+e^- \rightarrow \mathrm{Ar}^+ + 2e^-
  ]
• 光致电离：中性粒子吸收足够能量的光子后电离。
• 热电离：高温下粒子热运动能量超过电离能时发生电离。
• 附着与解离附着：电子被电负性气体分子捕获，形成负离子，例如
  [
  \mathrm{O_2}+e^- \rightarrow \mathrm{O_2}^-
  ]
  或
  [
  \mathrm{O_2}+e^- \rightarrow \mathrm{O}+\mathrm{O}^-
  ]

与电离相反，复合过程会减少带电粒子，例如电子与正离子的辐射复合、三体复合，以及正负离子复合。

主要带电粒子类型

电离气体中的带电粒子通常包括以下几类：

1. 电子：质量小、迁移率高，是等离子体导电和加热的主要载体。
2. 正离子：包括原子离子、分子离子和多电荷离子。低温等离子体中常见单电荷离子，如 (\mathrm{Ar}^+)、(\mathrm{N_2}^+)、(\mathrm{O_2}^+)；高温等离子体中可出现 (\mathrm{Ar}^{2+})、(\mathrm{Ar}^{3+}) 等多电荷离子。
3. 负离子：在电负性气体中显著，如 (\mathrm{O}^-)、(\mathrm{O_2}^-)、(\mathrm{SF_6}^-)、(\mathrm{Cl}^-) 等。
4. 带电尘埃或团簇：在尘埃等离子体中，微粒吸收电子后带负电，也会参与电荷平衡。

准中性条件

等离子体宏观上近似电中性，但微观上存在局部电场。若正离子为单电荷，且存在负离子，则准中性条件为
[
n_e + n_- = n_+
]
其中 (n_e) 为电子密度，(n_-) 为负离子密度，(n_+) 为正离子密度。若正离子有多种电荷态，则
[
n_e + n_- = \sum_i Z_i n_{i+}
]
其中 (Z_i) 为第 (i) 种正离子的电荷数。

在无负离子的常规等离子体中，可近似认为
[
n_e \approx n_+
]
但在强电负性放电中，负离子可占负电荷的很大比例，导致 (n_e \ll n_+)，这会显著改变鞘层结构和波传播特性。

电离度与 Saha 方程

电离度用于描述中性粒子被电离的程度，常定义为
[
\alpha = \frac{n_i}{n_i+n_n}
]
其中 (n_i) 为离子密度，(n_n) 为中性粒子密度。对于电子电离反应
[
\mathrm{A} \rightleftharpoons \mathrm{A}^+ + e^-
]
在局部热平衡下，Saha 方程给出
[
\frac{n_e n_i}{n_n}

\frac{2g_i}{g_n}
\left(\frac{2\pi m_e k_B T}{h^2}\right)^{3/2}
e^{-\chi/k_B T}
]
式中 (g_i)、(g_n) 分别为离子和中性粒子的统计权重，(m_e) 为电子质量，(k_B) 为玻尔兹曼常数，(h) 为普朗克常数，(\chi) 为电离能，(T) 为温度。该式表明，温度越高、电离能越低，电离度越大。

典型示例

低压氩气放电是常见的非电负性等离子体。其主要带电粒子为电子和 (\mathrm{Ar}^+)，负离子可忽略，因此 (n_e \approx n_+)。典型低温等离子体中，(n_e) 约为 (10^{15}\sim10^{18},\mathrm{m^{-3}})，电子温度 (T_e) 约为 (1\sim5,\mathrm{eV})，而离子和中性气体温度接近室温。

氧气或六氟化硫放电则属于电负性等离子体。电子附着生成 (\mathrm{O}^-)、(\mathrm{O_2}^-) 或 (\mathrm{SF_6}^-) 等负离子，此时准中性条件为
[
n_e + n_- = n_+
]
负离子的存在会降低电子密度，影响放电稳定性和刻蚀工艺中的离子通量。

工程意义

掌握电离气体中的带电粒子组成，有助于理解等离子体源、材料刻蚀、薄膜沉积、气体放电照明和聚变装置中的物理过程。实际分析时，需要结合电子温度、气体种类、压强和电离机制，判断电子、正离子、负离子及带电尘埃的相对重要性。