Класифікація взаємодії частинок в газовому розряді

Характерной особенностью газов является многообразие процессов обмена энергией между частицами и возможность управления некоторыми из них путем изменения состава газовой смеси, ее плотности и условий электрического разряда.

Все процессы обмена энергией в плазме газового разряда могут быть вызваны взаимодействием частиц (электронов, ионов, атомов и молекул) между собой или их взаимодействием с электромагнитным полем. Последнее, как мы знаем, может быть представлено тремя элементарными актами: испусканием, вынужденным испусканием и поглощением кванта электромагнитного поля - фотона. Элементарные акты обмена энергией при взаимодействии частиц газа между собой разделяют на упругие и неупругие.

При упругом взаимодействии (упругом столкновении) двух частиц их суммарная кинетическая энергия не меняется. Процессы осуществляются по законам механики взаимодействия абсолютно упругих тел, откуда и возник термин "упругое столкновение". При неупругом взаимодействии (неупругом столкновении) суммарная кинетическая энергия взаимодействующих частиц изменяется за счет изменения внутренней (потенциальной) энергии одной из них.

Если кинетическая энергия системы убывает, приводя к увеличению внутренней энергии одной из частиц, то такой процесс называется неупругим взаимодействием первого рода. Напротив, если кинетическая энергия возрастает за счет уменьшения внутренней энергии атома, иона или молекулы, то такой процесс называется неупругим взаимодействием второго рода. Каждый из процессов взаимодействия характеризуется своей вероятностью или сечения взаимодействия. Аналогичным образом вводят эффективные сечения взаимодействия для других процессов, в том числе для упругих и неупругих столкновений в плазме газового разряда.

Смысл этого термина легко понять из его названия и размерности, Если известно сечение взаимодействия двух частиц А я В, движущихся со скоростью относительно друг друга. При упругом взаимодействии существенным является частицы и ее скорость. С этой точки зрения в плазме газово разряда можно выделить две группы частиц: легкие (электроны и тяжелые (атомы, молекулы, ионы). В результате упругих взаимодействий за счет обмена энергией и импульсом в стационарном режиме между одинаковыми частицами устанавливается определенное изотропное распределение их по скоростям (энергиям).

О едином законе распределения частиц по скоростям имеет смысл говорить в том случае, если характерные размеры сосуда, в данном случае - диаметр газоразрядной трубки, существенно превышают длину свободного пробега частиц. Такой режим называется диффузионным. Если при диффузионном режиме преобладают упругие взаимодействия, то там устанавливается максвелловское распределение частиц по скоростям (энергиям).

В отсутствие электрического разряда в газе кинетические энергии всех частиц равны между собой и определяются только температурой окружающей среды. В газовом разряде заряженные частицы ускоряются в электрическом поле, увеличивая свою кинетическую энергию. За счет упругих взаимодействий эта дополнительная энергия передается нейтральным частицам. Поэтому средняя кинетическая энергия частиц в газовом разряде растает, что эквивалентно увеличению температуры.

Среди каждой из групп частиц (электронов, ионов, нейтральных атомов и молекул) устанавливается свое квазиравновесие со своей средней кинетическое энергией и, следовательно, со своей эффективной температурой. Электроны, обладая малой массой и большой подвижностью ускоряются в электрическом поле. При упругом столкновении с атомами они мало изменяют свою энергию вследствие большой разницы масс. Ионы, напротив, обладают малой подвижностью и активно обмениваются энергией при упругих столкновениях с нейтральными атомами и молекулами.

Поэтом эффективная температура электронов в газовом разряде существенно превышает температуру тяжелых частиц, а температура ионов хотя и превышаем температуру нейтральных частиц но близка к ней: Электронная температура как параметр, характеризующий среднюю кинетическую энергию электронов, зависит от следующих параметров газового разряда:

1) от давления газа: при увеличении давления уменьшается длина свободного и уменьшается от энергии ионизации газа:

Чем выше потенциал атома, тем, как правило, выше расположены его возбужденные состояния и тем меньше электронов теряет свою энергию при неупругих столкновениях первого рода, т. е. тем выше от градиента потенциала в активной области разрядного промежутка - кинетическая энергия электрона пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега, поэтому растет при увеличении градиента потенциала. Кроме того, электронная температура зависит от диаметра разрядной трубки увеличиваясь при его уменьшении. Это связано с тем, что при уменьшении d уменьшается степень ионизации газа за счет интенсивного взаимодействия ионов со стенками разрядной трубки.

При неизменном значении тока этот процесс должен компенсироваться увеличением интенсивности Процесса ионизации атомов, что возможно при больших Те. Типичные значения электронной температуры в газоразрядной трубке диаметром 7 мм, заполненной неоном при давлении 100 Па, имеют порядок 50000 К, а в той же трубке, заполненной гелием при том же давлении,- 70000 К. Рассмотрим теперь основные процессы неупругого взаимодействия, благодаря которым осуществляется возбуждение атомов рабочего газа и достигается инверсная населенность между рабочими лазерными уровнями.

Электрон, ускоренный электрическим полем (стрелка над символом е), взаимодействует с атомом, молекулой или ионом А, переводя его в возбужденное состояние (звездочка у символа А) и теряя свою кинетическую энергию. В результате этого процесса центр А, который до взаимодействия уже находился в возбужденном состоянии, переходит в более высокое возбужденное состояние. В результате этого процесса в столбе разряда появляются дополнительные заряженные частицы - электрон и ион (знак у символа А).

Для осуществления этих трех процессов необходимо, чтобы энергия электрона превышала некоторое минимальное пороговое значение, которое определяется состоянием атома (молекулы или иона) для первого процесса, энергетическим расстоянием между возбужденными состояниями для второго процесса и энергией ионизации для третьего процесса.

Сечение возбуждения электронным ударом, как правил определяют экспериментально, поскольку методы его расчет для многоэлектронных атомов развиты слабо. Известно, однако что для процесса сечение взаимодействия будет велико, оптический переход между основным и возбужденным состоянием, в которое происходит переход за счет столкновения с электроном, разрешен в дипольном приближении. Очевидно, эти процессы противоположны первым трем. Процессы наряду со спонтанными переходами приводят к разрушению возбужденны состояний.

Отметим, что процесс рекомбинации в объеме разряда маловероятен поскольку для его осуществления необходим отвод энергии рекомбинации АЕ (например, излучательным путем) за короткое время столкновения. Поэтому процесс происходит преимущественно на стенках сосуда. Разумеется, что эти процессы возможны лишь в случае, когда энергия возбуждения атома А превышает энергию ионизации атома В. Избыточная энергия передается электрону. В отличие от резонансных процессов, при которых не происходит испускание электрона, ионизация Пеннинга представляет собой нерезонансный процесс.

Избыток энергии возбуждения переходит в кинетическую энергию испущенного электрона. Процесс будет эффективным, если возбужденное состояние А обладает большим временем жизни, т. е. является метастабильным. Кроме рассмотренных выше процессов обмена энергией в газовых смесях, возможно получение атомов и молекул в возбужденных состояниях при некоторых видах химических реакций.

Используют две разновидности тлеющего разряда: разряд постоянном токе и высокочастотный разряд. При высокочастотном разряде, осуществляемом обычно на частотах 10-,50 МГц электроды располагаются на внешней стороне разрядной трубки в виде металлических поясков. Это упрощает конструкцию раз рядной трубки и создает ряд удобств при ее изготовлении и эксплуатации. Однако при высокочастотном разряде стенки трубки разогреваются и происходит дополнительное газо выделение в рабочий объем. Поэтому срок службы трубок с высокочастотным разрядом меньше, чем трубок с разрядом на постоянном токе.

Кроме того, высокочастотный разряд создает помехи в приемных и других электронных устройствах. Все это привело к тому, что в последнее время в промышленных газоразрядных лазерах используется тлеющий разряд на постоянном токе. В этом случае электроды (катод и анод) располагаются внутри трубки. К ним через балластное сопротивление подводится постоянное напряжение порядка на метр разрядного промежутка.

Дата добавления: 2015-05-26