Влияние элементарных процессов с участием метастабильных частиц на характеристики плазмы тлеющего разряда

-2-
С ОДЕР ЙА НИ Е
стр.
ВВЕДЕНИЕ..................................................... 5
Глава I. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПАДАЮЩЕЙСЯ ПЛАЗМЫ ВЧ РАЗРЯДА И ' СТАЦИОНАРНОЙ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ГАЗАХ,
ИМЕЮЩИХ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ (обзор) .......................... 9
§ 1.1. Влияние неупругих процессов на функцию распределения электронов в плазме ......................... 9
§ 1.2. Исследование элементарных процессов е гелиевой
плазме послесвечения............................... "/3
§ 1.3. Основные элементарные процессы, протекающие в
гелиевой плазме, и роль метастабильных состояний в формировании групп быстрых электронов ... 22
§ 1.4. Влияние быстрых электронов на функцию распреде-
ления и на интегральные характеристики плазмы разрядов в газах, имеющих высокоэнергетические метастабильные состояния .................. 29
Глава П. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ. ОСНОВНЫЕ
МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ................................. 90
§ 2.1. Экспериментальная установка ....................... 1/0
§ 2.2. Методика регистрации вольт-амперных характеристик положительного столба тлеющего разряда ............... 53
§ 2,3. Определение концентрации метастабильных атомов
гелия в гриплетном и синглетном состояниях ........ 99
§ 2.4. Определение концентрации метастабильных молекул
Не2 (23£^ ) ....................................... 63
§ 2.5. Методика определения заселенности верхних возбужденных состояний в гелиевой плазме ................... 67
§ 2.6. Измерение температуры газа на оси разряда ...... 70
§ 2,7. Учет температурного перераспределения газа по
сечению разряда при определении приведенной напряженности продольного электрического поля .. 79
-3-
стр.
Глава Ш. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО СТОЛБА ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ГАЗАХ, ИМЕЮЩИХ ДОЛГОЖИВУЩИЕ ВЫСОКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ ...................................... ^
§ 3.1. Плазма тлеющего разряда в гелии ....................
3,1.1. Вольт-ашерные характеристики разряда 76
З.Ї.2. Температура тяжелой компоненты плазмы .......... 83
3.1.3. Концентрация метастабильных атомов гелия и
ее увеличение с понижением температуры .... 86
3.1.4. Концентрация метастабильных молекул гелия . 39
3.1.5. Плотности атомов в верхних возбужденных состояниях .............................................99
3.1.6. Концентрация электронов в разряде ..............103
§ 3.2. Исследование вольт-аыперных характеристик в
аргоне, неоне и азоте ............................. 109
Глава ІУ. КОНСТАНТА ВОЗБУЖДЕНИЯ УРОВНЯ Не(23£ ) ПРИ НИЗКОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ПРОДОЛЬНОГО ЭЛЕКТЖЧЕСКОГО
поля...............................................107
Глава У. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСЕЙ, РАЗРУШАЮЩИХ МЕ-ТАСТАБИЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ, НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ГЕЛИИ ................................. 115
§ 5.1. Вольт-амперные характеристики и концентрации метастабильных состояний в гелиевом разряде с присадками аргона и неона ................................ 115
§ 5.2. Механизмы воздействия присадок неона и аргона на аномальную часть вольт-амперной характеристики охлаждаемого гелиевого разряда ............. 117
§ 5.3. Особенности влияния присадок аргона и неона на область "нормального" поведения Еольт-амперной характеристики гелиевого разряда ......................... 180
§ 5.4. О влиянии охлаждения стенок разрядного устройст-^2
ва на работу гелий-неонового лазера ...............
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................... 187
ЛИТЕРАТУРА
129
ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени накоплен огромный экспериментальный и теоретический материал в области физшси низкотемпературной плазмы. Однако количество работ, посвященных исследованию свойств плазмы, непрерывно возрастает. Это связано с тем, что различные области науки и техники постоянно требуют новой информации о характеристиках элементарных процессов, протекающих в плазме, и о физических моделях, наиболее точно отражающих ее свойства. Актуальность изучения слабоионизованной неравновесной плазмы тлеющего разряда в инертных газах и их смесях определяется как фундаментальным значением физики инертных газов, так и возможностью расширения ее практического применения в плазмохимии, приборах квантовой электроники и подобных областях. В то же время кинетические модели такой плазмы развиты лишь для отдельных областей изменения параметров.
Как правило, исследование плазмы начинается с вопросов: какова степень ионизации и как распределены частицы по возбужденным состояниям, реализуется ли максвелловское распределение электронов по скоростям, равна ли температура электронов температуре тяжелой компоненты. Ответы на эти вопросы дают определенное представление о состоянии плазмы и, кроме того, позволяют выбрать правильный путь для д&чьнейшего определения ее свойств.
Разряд низкого давления (меньше сотни паскаль) может быть описан в рамках классической теории Ленгмюра и Шоттки, которая использует предположение о наличии равновесного максвелловского распределения электронов. При описании плотной плазмы,
например, плазмы дуговых разрядов, возможно использование модели локального термодинамического равновесия. В промежуточной области давлений (от сотни до нескольких тысяч паскаль) не выполняется ни то, ни другое приближение. В отличие от равновесных систем, когда объект исследования можно описать при помощи формул статистического равновесия, например, Максвелла, Больцмана, Саха, неравновесная плазма разряда при средних давлениях требует привлечения методов физической кинетики.
Отклонения от равновесного распределения по различным степеням свободы взаимосвязаны. Так, например, выход излучения из плазмы может быть причиной не только неравновесного распределения атомов по возбужденным состояниям, но и неравновесной степени ионизации и нарушения максвелловского распределения электронов по энергиям.
На одну из важнейших характеристик плазмы, функцию распределения электронов по энергиям, существенное влияние оказывают неулрутие процессы. При актах возбуждения и ионизации электрон теряет свою энергию. Отклонение от максвелловского распределения возникает в первую очередь в "хвосте" функции распределения при энергиях порядка энергии возбуждения, что может привести к значительному изменению константы возбуждения. Наряду с этим, существенную роль в формировании функции распределения могут играть удары второго рода не только между электрона:.® и тяжелыми частицами, но и парше столкновения между тяжелыми частицах®, когда одна из них или обе находятся в возбужденном состоянии, то есть реакции типа пен-нинговской и ассоциативной ионизации. При малых концентрациях электронов указанные процессы в некоторых случаях становятся основным каналом ионизации. Данная работа посвящена изучению такого типа разрядов и исследованию влияния на их характеристи-
-6-
ки элементарных процессов, протекающих с участием метаста-бильных частиц.
В середине семидесятых годов в ИВТАН впервые были проведены исследования стационарной плазмы тлеющего разряда в гелии при охлаждении стенок разрядного устройства до криогенных температур (77 и 4 К). В этих условиях обнаружены аномалии в поведении вольт-амперных характеристик положительного столба разряда. При определенных давлениях и плотностях тока наблюдался крутой спад приведенной напряженности продольного электрического поля с уменьшением тока разряда. Полученные результаты позволили предположить, что необычное поведение тлеющего разряда связано с особой ролью, которую играют в криогенной плазме метастабильные атомы. Однако, доказательство предложенной модели отсутствовало.
Специфика гелиевой плазмы состоит в том, что процессы ионизации и возбуждения атомов являются, в основном, ступенчатыми, через возбуждение нісших высокоэнергетических мета-стабилышх уровней. Помимо этого, метастабильные частицы являются источником быстрых электронов, которые рождаются в результате их парных соударений. Таким образом, наличие ме-тастабильных состояний должно оказывать воздействие на величину константы возбуждения и соответственно на приведенную напряженность продольного электрического поля в разряде.
Такая модель позволяет ожидать аналогичного поведения напряженности продольного электрического поля при малых плотностях тока и в других газах, имеющих выеокоэнергетические долгоживущие состояния. В этой связи в задачи настоящей работы были включены исследования в аргоне, неоне и азоте. Основная цель работы - выявление роли метастабильных состояний в формировании параметров разряда к экспериментальное
доказательство того, что аномалии в поведении водьт-амперных характеристик охлаждаемого тлеющего разряда связаны с процессами рождения быстрых электронов в реакциях с участием метастабильных частиц.
Отметим кратко то новое, что получено в результате данных исследований.
1. В различных режимах с обычной и аномально низкой напряженностью продольного электрического поля при охлаждении стенок разрядного устройства до температур жидкого азота в стационарном тлеющем разряде в гелии измерены плотности атомарных и молекуляршх метастабильных частиц, заселенность верхних возбужденных состояний с главным квантовым числом
до /7=9, концентрация электронов и температура газа на оси разряда. Анализ полученных результатов позволил обосновать использование трехуровневой модели |Не (1^3 ), Не^3$), е| для описания данного состояния плазмы.
2. В определенном диапазоне давлений зарегистрировано снижение напряженности продольного электрического поля с уменьшением тока в гелиевом разряде при комнатной температуре. В неоне обнаружено аномальное поведение вольт-амперных характеристик разряда при криогенной температуре тяжелой компоненты плазмы, подобное ранее наблюдаемому эффекту в охлаждаемом гелии.
3. Экспериментально получены данные о величине константы возбуждения гелия в первое метастабильное состояние в области электрических полей с приведенной напряженностью
в диапазоне от 1,5*1СГ17 до 12,0КГ17 В.см2.
4. Путем введения присадок аргона и неона в охлаждаемый тлеющий разряд в гелии, экспериментально доказано, что анома-
8-
лии в поведении вольт-амперных характеристик такого разряда связаны с процессами роадения быстрых электронов в реакциях, протекащих с участием метастабильных частиц.
Перечисленные положения составляют основу выносимого на защиту материала.
-9-
Глава I. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПАДАЮЩЕЙСЯ ПЛАЗМЫ ВЧ - РАЗРЯДА И СТАЩОНАРНОИ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ГАЗАХ, ИМЕЮЩИХ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ СОСТОВДИЯ (ОБЗОР)
§ 1,1 Влияние неупругих процессов на функцию распределения электронов в плазме
Воздействие на характеристики плазмы и, в частности, на функцию распределения электронов по энергиям внешних полей и упругих процессов исследовалось во многих работах [1,2,3] ,
Что же касается неупрутих столкновений электрон-атом, то необходимость учета многочисленных состояний возбужденных атомоЕ делает эту задачу достаточно сложной. Влияние неупрутих столкновений, в результате которых атом переходит из основного в первое возбужденное состояние, на область сравнительно высоких энергий рассмотрено в работах [4,5] . Неравновесносгь распределения атомов по уровням тесно связана с неравновес-ностью распределения электронов по энергиям. В результате процессов возбуждения и ионизации электрон теряет свою энергию. Если распределение по возбужденным состояниям больцмановское, то убыль быстрых электронов компенсируется встречными процессами в соответствии с принципом детального равновесия. Таким образом, возникает задача об определении самосогласованных неравновесных распределений атомоЕ по уровням и электронов по энергиям. В работе [6] дан подход к решению такой задачи -метод модифицированного диффузионного приближения, в рамках которого движение связанного электрона по возбужденным состояниям рассматривается как диффузия е дискретном энергетическом пространстве.
Интеграл неупругих столкновений в уравнении Больцмана
-10-
определяет скорость изменения функции распределения е результате участия электронов в актах возбуждения и ионизации, а также в столкновениях Еторого рода и рекомбинации. При малых степенях ионизации <тС ^ 1СГ4 + 10“5 отношение заселенности возбужденных состояний п* к плотности электронов п,е при к > 2 может быть много больше единицы. В этом случае, как показано в [61 , на функцию распределения существенное влияние могут оказывать неупругие столкновения электронов не только с атомами в основном, но и в метастабильном состоянии. В [6] были получены взаимосвязанные решения ^(£) и «к. Если, например, заряды диффундируют к границе плазмы и там нейтрализуются, го в объеме ионизация преобладает над рекомбинацией. В этом случае поток, направленный от основного состояния к континууму, может быть выражен следующим образом:
Здесь ^££и <^21 “ вероятности одноквантовых переходов,
Уд. - отношение заселенности уровня к к равновесной его
заселенности, Я - кулоновский логарифм, -А - величина,
учитывающая особенности структуры данного атома, для которой
к
имеется универсальная зависимость от Те/л Ек, А21 - эффективная вероятность радиационного перехода. На рис. I, взятом из той же монографии [6] , сплошной кривой даны приведенные неравновесные населенности возбужденных этомое и функция распределения электронов по энергиям, вычисленные для плазмы положительного столба разряда в аргоне в условиях эксперимента [4 1 [пе = 0,77-Ю13 см"3, Те = 1,3»Ю4 К, Р = 5 тор,
С = 0,4 А). Штриховой линией показано, какими были бы населенности возбужденных состояний, если бы при расчете для
-11-
тех же п£ , п. , Те не учитывать немаксвелловость. Точки на рисунке соответствуют результатам измерений [4] .
Е,эВ 10 К 0 5 10 15 £,эВ
Рис. I. Приведенные населенности возбужденных атомов аргона и функция распределения электронов по энергиям. Штриховая линия - без учета немакс-велловости.Точки - результаты эксперимента [4] .
Появление в плазме даже относительно малых количеств быстрых электронов может оказать существенное влияние на функцию распределения электронов в целом. Быстрые электроны могут быть не только инжектированы в плазму извне, но и генерированы в процессах, протекающих в самой плазме. Поэтому к неупругим столкновениям, помимо процессов ионизации и возбуждения, в ряде случаев следует отнести удары второго рода электронов с атомами и молекулами и парные соударения мевду тяжелыми частицами, когда одна из них или обе находятся в возбувденном, например, метастабильном состоянии.
-12-
Метастабильные состояния в газовых разрядах существенны по двум причинам. Во-первых: относительная концентрация частиц, возбужденных в этих состояниях (т.е. их плотность по отношению к плотности атомов в основном состоянии), может быть достаточно велика, В работе С7] экспериментально показано, что при разряде е инертных газах относительная плотность метастабильных состояний достигает в ряде случаев 10“^ при степени ионизации Ю-^. Таким образом, метастабильные частицы являются эффективными промежуточными состояниями в процессе ступенчатого возбуждения и ионизации. Во-вторых: ыетастабильные состояния, благодаря достаточно высокой энергии их возбуждения, являются эффективным резервуаром энергии. Они активно взаимодействуют со многими частицами, в результате чего происходит возбуждение, диссоциация или ионизация.
Хорошо известным примером, когда ыетастабильные состояния могут играть существенную роль в формировании параметров плазмы, служит рекомбинирующая плазма гелия. Известно также С8 ] , что и в послесвечении разряда в азоте ыетастабильные молекулы А^СА3.!*) оказывают значительное влияние на процессы возбувдения, диссоциации и ионизации. Несмотря на то, что основной вклад в возбуждение Л/2(С3П(, , ^ ) во всех исследованных в [8] режимах ( Р = 0,65 + 4 мм рт.ст., I = I + 50 мА) дает электронный удар, намерения показывают, что прямое возбуждение не обеспечивает даже наблюдаемой интенсивности излучения, не говоря о полном потоке дезактивации. Следовательно, вклад вторичных процессов с участием возбужденных частиц велик.
В С83 спад интенсивности полос первой положительной системы азота после выключения разряда авторы разбивают по времени на три характерных участка. Первый участок быстрого спада ( ^ ) обусловлен уменьшением скорости заселения электрон-