WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 4 02;03;04;07 Влияние молекулярного азота на подвижность электронов в смеси аргона и оптически возбужденных паров натрия © Н.А. Горбунов, А.С. Мельников Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского государственного университета, 198904 Санкт-Петербург, Россия (Поcтупило в Редакцию 10 ноября 1997 г.) Проведено параметрическое исследование функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) и подвижности электронов в смеси Na + Ar + N2. Анализируются условия, реализуемые в фотоплазме, когда отрыв средней энергии электронов от температуры нейтрального газа обусловлен ударами второго рода с возбужденными атомами натрия. Рассматривается случай малой ионизации среды при низких колебательных температурах основного состояния молекул азота. Для нахождения ФРЭЭ численно решалось кинетическое уравнение Больцмана. Установлено, что в указанной смеси наличие азота приводит к обеднению ФРЭЭ в области эффективного колебательного возбуждения молекул и способствует образованию инверсии на ФРЭЭ f ()/ > 0 в диапазоне энергий, соответствующих минимуму Рамзауэра на сечении упругих столкновений электронов с атомами аргона. Показано, что неравновесный характер ФРЭЭ приводит к сложной зависимости подвижности электронов от парциальных соотношений компонент смеси, степени ионизации среды и заселенности резонансно-возбужденных атомов натрия.

Введение ного газа обусловлен столкновениями с возбужденными молекулами. Расчет ФРЭЭ для послесвечения разряда в Электронные транспортные параметры в слабоионичистом азоте выполнен в [9,10] для различных степеней зованном газе зависят от функции распределения элек- ионизации среды и колебательных температур основтронов по энергиям (ФРЭЭ), которая, как правило, в ного электронного состояния. Моделировалось влияние реальных экспериментальных условиях неравновесна. В заселенностей электронно-возбужденных состояний на отличие от плазмы атомарных газов в молекулярной высокоэнергетическую часть ФРЭЭ. Энергетическое плазме возможно возбуждение вращательных и колеба- распределение в послесвечении азота при колебательной тельных уровней. Для ряда газов, таких как азот и окись температуре основного состояния Tv = 0.3eV было углерода, сечения возбуждения колебательных уровней измерено в работе [11]. Там же проведен аналитический основного электронного состояния имеют ряд максиму- расчет ФРЭЭ, выполненный на основе представления мов, группирующихся в узком (порядка 1 eV) интервале интеграла неупругих электрон-молекулярных столкноэнергий. Это связано с тем, что колебательное возбужде- вений в фоккер-планковском приближении. Детальные ние происходит через образование нестабильного отри- численные расчеты для условий эксперимента [11] процательного иона. Указанные немонотонные зависимости ведены в [12,13]. В [14] приведены результаты измерений обусловливают сложный вид ФРЭЭ в молекулярной ФРЭЭ в электронно-пучковом разряде азота низкого плазме.

давления в условиях, когда колебательная температура Расчету ФРЭЭ в молекулярной плазме азота для газо- была близка к газовой и имела величину порядка 0.03 eV.

разрядных условий посвящены многочисленные работы Анализ результатов работ [9–14] показывает, что (см. [1–3] и литературу в них). Было показано, что ФРЭЭ в несамостоятельных разрядах в азоте (послесвев широком диапазоне условий процессы возбуждения чение разряда, пучковый разряд, фотоплазма) в интерваколебательных уровней играют определяющую роль в ле энергий от 1 = 1.5eV до 2 = 3.6 eV, соответствуюбалансе энергии электронов. Установлено, что вид ФРЭЭ щих диапазону эффективного колебательного возбуждев области эффективного колебательного возбуждения и ния, существенно зависит от распределения молекул по девозбуждения зависит от распределения молекул по колебательным уровням основного электронного состояколебательным состояниям [4–6]. В работе [7] было об- ния. В случае когда колебательная температура Tv близка наружено влияние колебательно-возбужденных молекул к газовой Ta в указанном диапазоне энергий, наблюдается на электронные транспортные параметры в молекуляр- обеднение ФРЭЭ за счет возбуждения колебательных ной плазме. В [8] было показано, что в смеси перечи- уровней. С ростом колебательной температуры происхосленных выше молекулярных газов и тяжелых инертных дит увеличение числа электронов в этом энергетическом возможно появление отрицательной дифференциальной интервале за счет ударов второго рода с колебательнопроводимости плазмы. возбужденными молекулами. Если Tv Ta, то в облаНаиболее сильное влияние распределение молекул сти энергий от 1 до 2 формируется квазиравновесное по колебательным уровням на вид ФРЭЭ оказывает в распределение электронов, температура которого близка несамостоятельных разрядах при слабом влиянии про- к Tv. Вид ФРЭЭ при энергиях < 1 существенным дольного электрического поля, когда нагрев электрон- образом зависит от степени ионизации плазмы.

Влияние молекулярного азота на подвижность электронов в смеси аргона... эра. Для получения инверсии на ФРЭЭ необходимо сформировать источник быстрых электронов на растущей части сечения упругих столновений электронов с атомами аргона. В рассматриваемых нами условиях быстрые электроны возникают за счет ударов второго рода с возбужденными атомами натрия (поток q2 на рис. 1). В двухкомпонентной смеси эффективность источника понижается за счет ударов первого рода с атомами натрия. Поэтому представляется интересным рассмотреть трехкомпонентную смесь, где возбуждение колебательных уровней молекул азота (поток qv на рис. 1) приводит к уменьшению частоты ударов первого рода с Na. Выбор именно азота в качестве третьей компоненты смеси обусловлен тем, что максимум сечения возбуждения колебательных уровней N2 располагается в припороговой области возбуждения натрия. Высокая Рис. 1. Сечения столкновений основных процессов, формируэффективность азота в формировании инверсной ФРЭЭ ющих ФРЭЭ в смеси Na + Ar + N2: 1 — транспортное сечение связана с тем, что быстрые электроны покидают зону упругих столкновений электронов с атомами аргона, 2 — возбуждения резонансных уровней натрия с небольшими сечение возбуждения резонансных уровней Na (3S-3P), 3 — энергетическими потерями по сравнению с порогом сечение ударов второго рода с возбужденными атомами натрия, возбуждения.

4 — суммарное сечение возбуждения восьми колебательных уровней X1+ молекулы азота. Целью данной работы является анализ механизма g формирования неравновесной ФРЭЭ в несамостоятельных разрядах для трехкомпонентных смесей, состоящих из аргона, натрия и молекулярного азота. Прявления В наших предыдущих работах [15–18] мы рассмонелокального характера ФРЭЭ в молекулярной плазме трели механизм формирования ФРЭЭ в условиях ненизкого давления рассмотрены в [20–22].

самостоятельных разрядов в двухкомпонентных смесях натрия и инертных газов. Было показано, что в смеси натрия с инертными газами неравновесный харакТеоретическая модель тер функции распределения существенно изменяет подвижность электронов [16]. Влиянием возникновения Для расчета ФРЭЭ мы использовали уравнение Больцинверсии на ФРЭЭ объяснен наблюдавшийся ранее в мана, имеющего в стационарном приближении следуюэксперименте [19] эффект низкой проводимости фотощий вид:

плазмы в смеси Na + Ar [17]. В данной работе под инверсным распределением мы понимаем ФРЭЭ, имеd df () D() +V()f () =C(), (1) ющую положительную производную ( f ()/ > 0) в d d определенном энергетическом интервале. В [15,18] было установлено существование критической заселенности где D() — коэффициент диффузии в пространстве резонансно-возбужденных атомов натрия, превышение энергий которой приводит к созданию такой инверсии на ФРЭЭ, что в слабоионизованной плазме в смеси с тяжелы8Be ми инертными газами возможен эффект отрицательной D() =3/2 el() + rot() Ta подвижности электронов. Однако в двухкомпонентной смеси этот эффект возможен в узком диапазоне усло вий, трудно достижимых в эксперименте. Для усиления + ee() f ( ) 3/2d + 3/2 f ( )d, (2) эффекта отрицательной подвижности в настоящей работе предлагается использовать добавки азота, имеющего ярко выраженный максимум на сечении возбуждения ко2m j лебательных уровней, что позволяет целенаправленным el() =v njel()(3) Mj способом изменять вид ФРЭЭ.

j Качественное объяснение усиления инверсии на ФРЭЭ — эффективная частота потерь энергии при упругих в трехкомпонентной смеси иллюстирует рис. 1, где приведены сечения основных процессов, формирую- столкновениях, просуммированная по всем компонентам j смеси с концентрациями nj и сечениями el(); v, m — щих энергетическое распределение электронов. Аргон в рассматриваемой смеси определяет необходимый рост скорость электрона и его масса соответственно; Mj — транспортной частоты столкновений электронов при масса атомов (молекул); Be = 2.47 · 10-4 eV — вращаэнергиях, превышающих величину минимума Рамзау- тельная постоянная молекулы азота; rot() — частота Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 16 Н.А. Горбунов, А.С. Мельников возбуждения вращательных уровней; ee() — частота заселенность резонансных состояний N натрия 3P1/2 и межэлектронных столкновений [12]; 3P3/2 будем характеризовать эффективной температурой заселения T 8Be V () =3/2 el() + rot() T = -E [ln(Ng0/N0g)]-1, (8) где E = 2.1 eV — энергия, соответствующая центру + 2ee() f ( ) d (4) тяжести дублета; g — его статистический вес; N0 и g0 — плотность и статвес атомов натрия в основном состоянии соответственно.

— коэффициент динамического трения в пространстве Дальнейший анализ проведем для условий в плазме, энергий;

реализуемых при относительном высоком содержании интертного газа по сравнению с суммарной плотностью gi C() = ik() ni f ()- nk f ( - Eik) -( + Eik) щелочи и молекулярной примеси. В рассматриваемом gk i,k диапазоне электронных температур 0.1 < Te < 1.5eV можно не учитывать процессы возбуждения уровней gi инертного газа. Здесь и ниже под Te для неравновесной ik( + Eik) ni f ( + Eik) - nk f () (5) gk ФРЭЭ мы будем понимать величину Te = 2/3, где — средняя энергия электронов. В рассматривае— интеграл неупругих столновений; ik() — сечение возбуждения уровня k с заселенностью nk и статисти- мом далее диапазоне плотностей [Na] [N2] частота неупругих столновений с атомами натрия значительно ческим весом gk из состояния i с заселенностью ni и превосходит частоту электронного возбуждения молекул статистическим весом gi; Eik — энергетический зазор азота. В этой связи в наших расчетах не учитывалось между уровнями.

Нормировка ФРЭЭ удовлетворяет следующему выра- возбуждение A3+ и всех вышележащих электронных u состояний молекулы азота. Мы пренебрегли процессажению:

ми возбуждения всех уровней натрия из 3S-состояния, f () d = 1. (6) расположенных по шкале энергий выше 3P. Это связано 0 с тем, что их сечения возбуждения по крайней мере на порядок меньше сечения 3S-3P-перехода.

Подвижность электронов выражается через изотропную часть ФРЭЭ следующим образом:

Результаты расчета 2e f () 3/µ = - d, (7) На рис. 2 в качестве примера приведен расчет по3m el() движности электронов в зависимости от парциального соотношения компонент смеси при T = 0.7eV. При где e — заряд электрона.

расчете ФРЭЭ для этих условий пренебрегалось ступенУравнение (1) решалось численно методом последочатым возбуждением из 3P-состояний натрия и кулоноввательных приближений [15].

скими столкновениями, влияние которых мы обсудим в Сечения упругих столкновений электронов с натрием дальнейшем. Видно, что подвижность электронов в трехи инертными газами были взяты из работ [23,24], сечение компонентной смеси существенно зависит от ее состава.

возбуждения Na (3S-3P1/2,3/2) —из [25]. Эффективное Существуют две области значений подвижности элексечение возбуждения вращательных уровней молекулы азота было взято из [26], сечения возбуждения коле- тронов, в одной из которых ее величины положительны, а в другой, замкнутой, области — отрицательны. При бательных уровней основного состояния N2 —из [27];

уменьшении T область существования отрицательной энергии колебательных уровней соответствовали [28];

транспортное сечение упругих столкновений для азо- подвижности уменьшается, а при T < 0.4 eV подвижность принимает только положительные значения.

та приведено в [24]. Выбор сечений возбуждения из Рассмотрим более подробно условия возникновения основного состояния N2 в вышележащие электронные отрицательной подвижности электронов. Как было посостояния проведен аналогично работам [11,29].

Распределение молекул по колебательным уровням казано в [30], имеется два необходимых (но недостаосновного состояния примем больцмановским с тем- точных) условия возникновения эффекта отрицательпературой Tv, которую будем полагать равной темпе- ной проводимости. Наличие отрицательной производной ратуре атомов Ta. Газовая температура в расчетах [3/2/el()]/ < 0. Данный критерий выполняется варьировалась в пределах 450-600 K, что соответствует в рассматриваемой смеси лишь для аргона в области плотностям натрия в диапазоне 1012-1015 cm-3. При энергий выше минимума Рамзауэра. Это неравенство характерном размере плазмы более 1 cm (в рассматрива- определяет минимальную долю атомов аргона, которая емых ниже условиях) для этих плотностей справедливо должна примерно на три порядка превышать суммарную локальное приближение при расчете ФРЭЭ. Суммарную концентрацию двух других компонентов. Из рис. 2 видно, Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Влияние молекулярного азота на подвижность электронов в смеси аргона... принимает малые (по сравнению с равновесной ФРЭЭ, температура которой находится из уравнения баланса энергии), но положительные значения.

С ростом концентрации молекулярной примеси (точка M на рис. 2, 3) возрастает роль возбуждения колебательных уровней. Для азота сечения возбуждения X1+(v = 0) X1+(v) (v — колебательное квантовое g g число) быстро убывают с ростом v. Поэтому основную роль играют процессы с потерями энергии порядка величины колебательного кванта молекулы N2 E1 = 0.29 eV.

Из рис. 4 видно, что рост эффективности возбуждения колебательных уровней сопровождается падением неупругих потерь при столкновениях с атомами натрия.

Это связано с тем, что максимум сечения колебательного возбуждения соответствует припороговой области энергий резонансного перехода атома натрия. В этом диапазоне частота возбуждения молекулярных колебаний Рис. 2. Изолинии подвижности электронов (в едини- сравнивается с частотой ударов первого рода с атомами цах 1023 V-1 · cm-1 · s-1) в смеси Na + Ar + N2 при нулевой натрия. Поскольку E1 E, то энергетический баланс степени ионизации в зависимости от парциального соотношедостигается при практически той же средней энергии ния азота и аргона в смеси. Точка M обозначает минимум электронов (рис. 4). При данных соотношениях комподвижности.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.