Исследование процессов электрон-ионной рекомбинации в гелий-неоновой плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПЕТРОВСКАЯ Анна Станиславовна

Исследование процессов электрон-ионной рекомбинации в гелий-

неоновой плазме

Специальность: 01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 5 ИЮЛ 2015

Санкт-Петербург 2015

005570485

005570485

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

старший научный сотрудник Иванов Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор,

заведующий кафедрой теоретической физики и астрономии РГПУ им. А.И.Герцена Беляев Андрей Константинович

кандидат физико-математических наук, генеральный директор ООО «Спектр-Микро» Цыганов Александр Борисович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук Защита состоится «24» сентября 2015 года в 1300 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.232.45 на базе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петергоф, Ульяновская ул. д. 1, Малый конференц-зал физического факультета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Горького и на сайте: www.spbu.ru

Автореферат разослан «5_» 5 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета (К¿г ,____— В. С. Сухомлинов

Д 212.232.45, доктор физ.-мат. наук

Общая характеристика работы Актуальность представленных в диссертационной работе исследований, посвященных изучению роли процессов рекомбинации молекулярных ионов в кинетике возбужденных атомов 11с-N0 плазмы, определяется несколькими обстоятельствами.

Во-первых, рекомбинационное заселение возбужденных атомов может конкурировать с хорошо изученным механизмом передачи возбуждения, обеспечивающим инверсную населенность в активной среде Не-Ые лазера. В настоящей работе исследуется гелий-неоновая распадающаяся плазма при соотношении концентраций [Не]/[Ые] ~ 10* (гелиевая плазма с малым содержанием неона), в которой вместе с процессами передачи возбуждения наблюдаются рекомбинационные процессы, приводящие к заселению возбужденных состояний атома неона. В ионном составе такой плазмы, наряду с ионами Не*, #е/, Ые* и присутствуют гетероядерные

молекулярные ионы НеЫе*, рекомбинация которых с электронами НеЫе* + е-> Не+Ые *, как показало данное исследование, играет существенную (а для целого ряда уровней основную) роль в образовании возбужденных состояний атома неона 2р55з, 2р54с1, 2р54р, 2р53с1 конфигураций, в том числе и состояния Зз2 (верхний уровень лазерной линии 6328 А в пашеновских обозначениях, конфигурация 2р55з). Процессы рекомбинации гетероядерных ионов инертных газов с электронами, несмотря на большое количество работ, посвященных изучению механизмов деионизации плазмы инертных газов, до сих пор остаются практически неизученными.

Во-вторых, результаты определения коэффициентов рекомбинации пополняют банк данных о константах скоростей элементарных процессов, определяющих заселение возбужденных уровней атомов в плазме, что важно, в частности, для построения кинетических моделей активных сред плазменных лазеров. Так, в ряде работ по анализу Аг-Хе плазмы (например, [1, 2, 3]) рекомбинация гетероядерных ионов с электронами рассматривалась авторами как основной механизм накачки верхних лазерных уровней.

Наконец, экспериментальные данные о распределении потока диссоциативной рекомбинации по возбужденным уровням атомов необходимы для развития теоретических моделей описания процесса, попытки построения которых предпринимаются в последние годы; эти данные могут быть использованы для сопоставления с результатами расчетов потенциалов взаимодействия атомов, выполненных для системы Не+Ые(2р5п1).

Л

Степень научной разработанности проблемы.

Интерес к исследованию элементарных процессов в гелий - неоновой плазме возник после обнаружения в плазме разряда в смеси гелия с неоном {[Не]/[Ые] ~ 5) инверсии населенносгей за счет процессов передачи возбуждения от метастабильных атомов гелия и генерации в инфракрасной и видимой областях спектра. Огромное число теоретических и экспериментальных исследований было посвящено исследованию плазмы смеси гелия с неоном, были найдены вероятности радиационных переходов и сечения неупругих столкновений, приводящих к заселению и разрушению возбужденных состояний и формированию инверсной заселенности [4]. Как уже упоминалось ранее, процессы рекомбинации гетероядерных ионов инертных газов с электронами до сих пор остаются практически неизученными. Настоящее исследование показало, что в распадающейся гелий-неоновой плазме заселение возбужденных состояний атома неона происходит вследствие 2-х конкурирующих процессов диссоциативной рекомбинации:

НеИе* + г->Ые*+Не (1)

Ые* +Ые (2)

Следует отметить, что процесс диссоциативной рекомбинации (2) исследован значительно более полно (например, [5]), в то время как данные о диссоциативной рекомбинации (1) ограничиваются оценкой константы скорости процесса [6] и наблюдением связанного с этим процессом заселения 2р53р - уровней атома неона в распадающейся плазме [7].

Цели и задачи диссертационной работы

Цель диссертационного исследования состояла в (I) исследовании рекомбинационных процессов заселения возбужденных состояний атома неона в распадающейся гелий-неоновой плазме с малым содержанием неона, (II) исследовании температурных зависимостей парциальных потоков рекомбинации в возбужденные состояния атома неона, (III) определении относительных и абсолютных коэффициентов диссоциативной рекомбинации, отвечающих заселению конкретных возбужденных состояний атома неона. Для этого необходимо было решить следующие задачи.

• Поставить эксперимент по спектроскопическому исследованию распадающейся гелий-неоновой плазмы в условиях, оптимальных для исследования рекомбинации (1), а имеенно при соотношении концентраций [Не]/[Ые]»1.

• Произвести измерения и анализ зависимостей от времени интенсивностей спектральных линий атома неона и гелия, молекулярных полос гелия, концетраций

метастабильных атомов и молекул гелия, концетрации электронов в разряде и в распадающейся плазме.

• Поставить эксперимент по импульсному «нагреву» электронов в послесвечении продольным электрическим полем и на его основе определить зависимости парциальных коэффициентов рекомбинации от температуры электронного газа.

« Построить численную модель распада плазмы, описывающую зависимости от времени плотностей 5-ти сортов ионов (Не*, Нв2, Ые* НеЫе+, Мег*), а также эволюцию интенсивностей спектральных линий атома неона, молекулярных полос гелия, концетраций метастабильных атомов и молекул гелия и концетрации электронов в стадии распада плазмы.

Научная новизна диссертации состоит в следующем

1. Идентифицированы процессы заселения возбужденных состояний атома неона 2р55в, 2р54с1, 2р54р, 2р53ё конфигураций в исследуемой плазме. Показано, что уровни 2р55э, 2р54(1 - конфигураций в послесвечении заселяются главным образом вследствие диссоциативной рекомбинации НеЫе' + е—>Ие*+Не, в то время как в фазе разряда, благодаря передаче возбуждения от метастабильных атомов гелия Не{2\) + Л%-> Ые*+Ме.

2. Установлено, что населенность возбужденных состояний атома неона 2р54р, 2р53с1 -конфигураций формируется двумя конкурирующими рекомбинационными процессами (1) и (2).

3. Представлены впервые измеренные температурные зависимости парциальных потоков (коэффициентов) рекомбинации (1) в возбужденные состояния атома неона 2р55в, 2р54й - конфигураций.

4. Впервые получены распределения рекомбинационных потоков заселения (1) и (2) для возбужденных состояний атома неона 2р55Б, 2р54(1, 2р54р, 2р53ё конфигураций, и найдены абсолютные величины парциальных коэффициентов диссоциативной рекомбинации ионов НеЫе* (1) для каждой из указанных конфигураций.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы

Полученные данные о парциальных коэффициентах диссоциативной рекомбинации (1) и (2) пополняют банк данных о константах скоростей элементарных процессов. Они могут быть использованы для сопоставления с теоретическими расчетами, на появление которых можно надеяться в ближайшие годы, и тестирования моделей описания процесса диссоциативной рекомбинации, а также для построения поуровневой кинетики возбужденных уровней распадающейся Не-№ плазмы и поиска новых вариантов использования данной смеси в качестве активной среды. Методы и техника эксперимента, использованные в диссертации, могут послужить основой для исследования элементарных процессов в плазме и других бинарных смесей.

Метод исследования заключается в спектроскопическом анализе релаксационных процессов, развивающихся в системе возбужденных состояний атомов неона и гелия и молекул гелия и связанных с эволюцией ионного состава распадающейся He-Ne плазмы. Принципиально важным в методическом отношении является дополнение спектроскопического эксперимента измерением основных параметров плазмы, таких, как температура газа, концентрации электронов и долгоживущих метастабильных частиц.

Положения, выдвигаемые на защиту

1. Вывод о доминирующей роли диссоциативной рекомбинации гетероядерных ионов с электронами HeNe* +е-> Ne*+He в заселении возбужденных состояний атома неона 2p55s, 2ps4d - конфигураций в распадающейся He-Ne плазме.

2. Результаты наблюдений конкуренции рекомбинации гомо-и гетероядерных ионов в заселении состояний атома неона 2р54р, 2p53d - конфигураций.

3. Температурные зависимости парциальных потоков (коэффициентов) рекомбинации HeNe* + е—>Ne*+He в возбужденные состояния атома неона 2ps5s, 2p54d - конфигураций.

4. Абсолютные величины парциальных коэффициентов диссоциативной рекомбинации (1) в состояния 2ps5s, 2p54d, 2р54р, 2p53d конфигураций.

5. Распределение потока рекомбинации (2) по уровням 2р54р и 2p53d -конфигураций.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обусловлена использованием успешно апробированного ранее метода нахождения величин парциальных коэффициентов рекомбинации, адекватностью полученных в работе результатов имеющимся представлениям о механизме диссоциативной рекомбинации, количественным и качественным согласием экспериментальных результатов с результатами численной модели распада плазмы, а также с опубликованными экспериментальными данными, в тех случаях, когда последние были доступны.

Апробация результатов работы

Основные результаты настоящей диссертации опубликованы в 3-х статьях (ещё 3 статьи приняты в печать) и представлены в 4 докладах на конференциях и семинарах: XXI международной конференции по спектральным линиям (211h ICSLS - International Conference on Spectral Line Shapes, Санкт-Петербург, 2012), международном семинаре Collisional Processes in Gas and Laser Media (СПбГУ, Санкт-Петербург, 2013), международной конференции Petergof Workshop on Laser Physics (СПбГУ, Санкт-Петербург, 2014).

Личный вклад соискателя

Получение экспериментальных материалов, а также представленные теоретические оценки и аналитические построения проводились автором, либо при его непосредственном участии. Обработка результатов эксперимета проводилась автором.

Структура и объём диссертации

Диссертация представлена на 167 страницах, в том числе 47 рисунков, 13 таблиц. Работа состоит из введения, 4-х глав, 2-х приложений, заключения и списка литературы из 107 наименований.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы исследований, обоснована их научная новизна и практическая значимость. Определен объект исследований и поставлены основные задачи. Приведены защищаемые положения.

Первая глава содержит обзор литературы по затрагиваемым темам. Изложены имеющиеся на данный момент в литературе сведения о процессах в гелий-неоновй плазме: передаче возбуждения, рекомбинации молекулярных ионов и основных каналах их образования. Отмечается, что, несмотря на большое количество исследований, посвященных диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов с электронами, процессы с участием гетероядерных ионов, и, в частности, HeNe* +е~* Ne*+He, остаются практически неизученными.

Вторая глава содержит информацию об экспериментальной установке и измерительной аппаратуре, а также о методике постановки эксперимента. Аналогичная установка была использована в ряде работ, (например, [6]), сформулировавших подход к решению задач, подобных поставленным в диссертации. Исследования проводились в фазе разряда и в послесвечении смеси гелия с неоном при давлении 38 Topp. Плазма создавалась импульсным разрядом в стеклянной трубке длиной 25 см и диаметром 2.8 см. Длина светящегося столба плазмы 20 см. Амплитуда тока в разряде составляла 10-20 мА что соответствовало плотности электронов в максимуме (5-Ю)-Ю10 см"3. Длительность разрядного импульса 128 мкс, период повторения 8400 мкс, концентрация атомов гелия и неона [Не]=1.22-1018 см"3, [Ne]=l-1013 см"3, соответственно. Система регистрации данных включала устройства для спектроскопических измерений, схемы измерения напряженности продольного электрического поля и импульсного «подогрева» электронов распадающейся плазмы. При спектроскопических измерениях использовался многоканальный счетчик фотонов, обеспечивавших следующие параметры: число каналов 64 - 256, временное разрешение (ширина канала) - 1 - 256 мкс.

Третья глава посвящена качественному анализу зависимостей от времени интенсивностей спектральных линий атома неона, излучаемых уровнями 2p55s, 2p54d, 2p55d, 2р54р и 2p53d - конфигураций совместно с эволюцией плотностей излучающих и метастабильных Не2(аъЪ*и) молекул гелия и метастабильных атомов (He(21Sa), HeföSi)) в фазах разряда и послесвечения. Обращается внимание на то, что

отличительной особенностью рассматриваемой He-Ne плазмы является близость плотностей метастабильных частиц Яе(2150), He(22SJ, He2(a3Z*) и электронов пс к их величинам в чисто гелиевой плазме при тех же внешних параметрах. Регистрация этих величин имеет принципиальное значение для построения и оценки адекватности модели распада плазмы.

t, мкс

Рис.1. Зависимости от времени метастабильных атомов гелия Не{2'50) и интенсивности линии неона 6328 А (2р55з—»2р53р, Зз2—>2р3 в обозначениях Пашена) с разрешением 8 мкс. Сплошная линия -модельный расчет. Нулевой момент времении соответствует началу послесвечения.

Типичные результаты измерений указанных плотностей демонстрируют рис.1, 2, из которых следует, что процессы с участием //е(2'Л'0) (например, процесс передачи возбуждения) в распадающейся плазме будут играть роль только на протяжении первых = 300 мкс, в то же время Не(223,) и молекулярные метастабили, как и в чисто гелиевой плазме, имеют заметные плотности в течение всего послесвечения.

I, МКС

Рис.2. Зависимости от времени концентраций электронов и метастабильных атомов 110(2^) и молекул Нс2(а3^+и) гелия (разрешение 64 мкс) .Сплошные линии - модельный расчет. Нулевой момент врсмении соответствует началу послесвечения.

Характерный ход свечения плазмы на различных переходах, показанный на рис.3, свидетельствует о принципиально различных механизмах заселения рассматриваемых состояний, что особенно наглядно видно по изменению интенсивностей при переходе от разряда (первые 128 мкс) к послесвечению: от глубокого спада (5876 А) до резкого роста (5852 А) и отсутствию скачка на лазерной линии 6328 А.

О 200 400 600 800 1000

МКС

0 200 400 600 800 1000

I...... 1 ■ ......................... . . | . .

—■—иб328А

\7— и5764А

Ж [Не(2'3 )]

Рис. 3. Зависимости от времени интенсивностей спектральных линий атомов неона и гелия с разрешением 8 мкс. Нулевой момент времении соответствует началу разряда. №1:

6328 А(2р558->2р53р,382->2р5), 5764 А(2р54<1->2р53р,4<11'->2р9), 7535 А(2р53а->2р53р,3а5->2р10), 3520 А (2р54р—>2р53в, Зр,->18г), 5852 А (2р53р->2р538, 2р1-»182), Не1 5876 А (З30-»23Р). Анализ подобных зависимостей и сопоставление энергий излучающих уровней с энергиями имеющихся в плазме ионов и метастабильных частиц привел к выводу, что все исследованные переходы в атоме неона можно разделить на 3 группы:

I) Состояния атома неона 2р55э -конфигурации, для которых процесс передачи возбуждения Не(2,80)+Ые —> Не(113а) + является наиболее выраженным в разряде и раннем послесвечении (до 300 мкс).

II) Состояния атома неона 2р54(1-конфигурации, заселяющиеся в послесвечении главным образом за счет диссоциативной рекомбинации НеИе* + е Не+Ые*. Заметим, что группа состояний 2р546 является в своем роде промежуточным случаем данной классификации (I) и (II), поскольку процесс передачи возбуждения также играет роль в заселении 2р54<1, но в существенно меньшей степени в послесвечении, чем для состояний 2р55з.

III) Состояния атома неона 2р53р, 2р53(1, 2р54р - конфигураций, которые заселяются в послесвечении посредством двух конкурирующих рекомбинационных процессов (1) и (2), за исключением состояния 3р1 (верхний уровень 2р54р - конфигурации), связанного преимущественно с (1).

В четвертой главе приводятся результаты исследования процессов заселения возбужденных состояний атома неона 2р55з, 2р54а, 2р54р, 2р53<1- конфигураций, а также описывается методика определения парциальных коэффициентов рекомбинации электронов с ионами Ыв2* и НеИе*. Представлены полученные впервые данные о распределении потоков рекомбинации (1) и (2) и абсолютных величинах парциальных коэффициентов рекомбинации для НеЫе* +е ->Лге*+Яе, вычисленных по экспериментальным данным для указанных состояний атома неона, а также температурные зависимости потоков рекомбинации в состояния 2р55з, 2р54с1.

Метод определения парциальных коэффициентов рекомбинации основан на измерении в фазе послесвечения интенсивностей спектральных линий и концентрации электронов и вычислении плотностей молекулярных ионов в приближении квазистационарного баланса плотности ионов №г+, справедливость которого в условиях настоящего эксперимента подтверждается численными расчетами. В соответствии с данной в Главе 3 классификацией состояний атома неона по процессам заселения, рекомбинационные потоки для них представлены в следующем виде.

Для конфигураций 2р55э и 2р54с1

Г. ~ а^е+-[Не№+]-пе (3)

аНе№ _ величины парциальных коэффициентов рекомбинации в состояния у 2р55в и 2р54(1 конфигураций,

Для 2р53р, 2р53(1, 2р54р - конфигураций заселение обеспечивается за счет двух процессов рекомбинации (1) и (2), так что

Г. ~ а1Не№+-[НеКе+]-пе+а1№2-[Ме^]-пе. (4)

цНе№ и а^е2 .величины парциальных коэффициентов рекомбинации в состояния г

2р53р, 2р53<1, 2р54р конфигураций. Разделение вкладов процессов (1) и (2) построено на основе анализа отношений интенсивностей спектральных линий, пропорциональных соответствующим потокам заселения. В качестве опорной выбрана одна из наиболее сильных линий 4с1-3р - переходов 5764А (верхний уровень 4(14'). Для состояний 2р55я и

2р54(1 отношение рекомбинационных потоков: г

—1---1—г- (5)

ч

Аналогично, для уровней 2р Зр, 2р 3d и 2р 4р: Г; a"eNe* a,Ne' -[Nej]

Г , aHeNe' aHeNe' THeNe+l' 4d4 4dV ал,! l j

..H.N.* ГТТЛ.Т-+1 ' (6)

a4

В приближении казистационарного баланса из уравнения для отношения плотностей

[КеЛ k-[Ne] ,

молекулярных ионов может быть получено выражение: =4=-=Ц- =—-—— , где к и

|_HeNe+J aN<1 ne

aNe2 константы скоростей процессов конверсии IleNe* + jVe —» Ne* + Не и рекомбинации Ne* + е —> Ne' + Ne, соответственно.

Таким образом, в рамках рассматриваемой модели из (5) и (6) следует, что для состояний 2ps5s и 2p54d конфигураций отношения рекомбинационных потоков (и интенсивностей спектральных линий) в послесвечении (t>300 мке) не должны зависеть от времени, а для 2р53р, 2p53d, 2р54р - конфигураций должна наблюдаться линейная зависимость от обратной концентрации электронов. Оба эти обстоятельства подтверждаются экспериментом (Рис. 4, 5).

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

1010/n , см3

e'

Рис.4.

Аналогичные линейные зависимости наблюдаются для всех состояний 2р53р, 2р53<1, 2р54р - конфигураций. Исключение составляет лишь уровень 3р1 (Рис.5) 2р54р - конфигурации (энергия возбуждения 20.36 эВ), расположенный выше наиболее населенного основного колебательного состояния иона (20.30±0.02эВ) [8], что затрудняет захват

электрона на отталкивательный терм Ые*(3р])+Ые. Чтобы более наглядно продемонстировать данный результат, на рис. 5. приведены нормированные отношения потоков излучения из состояний 3р1 и Зр9 к потоку в состояние 44$. На основе (5) и (6) методом наименьших квадратов были найдены относительные величины парциальных коэффициентов рекомбинации внутри каждой из указанных конфигураций.

Ю10/п , см"3

е

Рис.5.

Результаты представлены в таблицах 1-4.

Табл.1. Отношения парциальных коэффициентов /а^у для 2р

конфигурации.

Переход Длина волны (А) „Не№+ , „НеКе+

Звг—>2р5 6293 11.5±3.5

Збз—»2р5 6313 0.15±0.05

Зэ4—>2р,0 5662 3.5±0.7

З35—>2р9 6182 1

Табл. 2. Отношения парциальных коэффициентов / а??№+ для 2р54(1

конфигурации.

Переход Длина волны (А) п НеКе+ /г.ПеКе+ 4(1 4(1, J о

481'—'2рз 5918 2.75±0.66

481"—2р10 5116 1.30±0.09

451"'-2Р4 5902 2.13±0.08

45,""-2р7 5656 1.38±0.11

4с11'—2р9 5748 2.66±0.15

411!"—2р7 5906 4.55±0.21

4с12- 2р7 5913 7.52±1.02

4а3—2рю 5330 3.54±0.14

4Л,—2р8 5820 4.21±0.11

4(14'-2р9 5764 5.62±0.22

4а5-2рю 5341 4.85±0.22

4с!6—2рю 5343 1

Таблица 3. Отношения парциальных коэффициентов диссоциативной рекомбинации /Сс"^6* и а^^/а?^ для 2р54р конфигурации1.

Переход Длина волны (А) Енергия (эВ) „HeNe+ ,„HeNe+ i=3pn i=3p9 <xN| /af4 l-3Pn 1-Зр9

3pi-»ls2 3520 20,37 37.0±0.6 0.43±0.33

Зр3—-ls4 3454 20,26 0.45±0.02 0.23±0.05

Зрб—>ls5 3447 20,21 1.13±0.02 0.83±0.06

3p9->ls5 3472 20,19 1 1

Н с \ с' 11 с\с'

Таблица 4. Отношения парциальных коэффициентов и

а _,2, / а _Л для 2р 3(1 конфигурации. 1-лоп 1

Переход Длина волны (А) ai=3dn /Cti=3d6 «íl'A

Зв!1—»2рю 7051 1.31±0.02 0.78±0.03

ЗвГ—»2рю 7059 1.33±0.01 0.89±0.06

ЗзГ'—>2р8 7943 1.40±0.02 0.97±0.06

Зв!""—2р7 8136 0.97±0.02 0.93±0.05

Зс1Г—2р, 8300 4.31±0.06 2.86±0.14

за,"-^ 8418 2.90±0.08 2.20±0.22

Зё2—>2рю 7472 5.66±0.06 4.56±0.11

3<1э—»2рю 7488 4.22±0.04 4.10±0.06

за4->2р8 8495 4.25±0.07 4.58±0.22

3(14'—2Р9 8378 5.66±0.07 5.83±0.14

3(15—>2рю 7535 4.47±0.04 3.92±0.06

3(1б—>2рю 7544 1 1

Помимо распределения потоков рекомбинации по возбужденным уровням атома в работе найдены и абсолютные величины парциальных коэффициентов .

Решение задачи основано на сравнении (Рис.1) интенсивности линии 6328А в тех стадиях послесвечения, когда заселение уровня Зэг происходит либо за счет передачи возбуждения

1 Для группы 2р!4р уровней были проведены измерения лишь на длинах волн 3454А, 3447А, 3472А, 352оА т.к. большинство линий 2р54р—>2р53з - переходов в наших условиях являются слишком слабыми для регистрации, и кроме того, многие линии перекрываются достаточно сильными молекулярными полосами гелия.

—» Ые + Не (ранняя стадия) либо благодаря НеЫе* + е —» Не+Ые *, а также

данных о парциальных сечениях передачи возбуждения [9] и вычисленной на основе модели распада плазмы концентрации ионов НеЫе и измеренной Пе (г). Это позволило

оценить абсолютную величину =(0.95±0.50)-109 см3/с, а затем, сравнивая

связанные с рекомбинацией гетероядерных ионов потоки заселения других уровней, найти величины парциальных коэффициентов и для них. Абсолютная величина коэффициента (а также всех полученных абсолютных величин парциальных

коэффициентов) определена, по нашей оценке, с точностью до 1.5 раз, что связано с неопределенностью результатов вычисления абсолютной величины концентрации Не^по методу поглощения (едва ли лучше 20 %) и величины сечения передачи возбуждения, измеренного [9] с точностью масштаба 30%.

Таблица 5. Абсолютные величины парциальных коэффициетов рекомбинации а. 5, .

Уровень ЗЭ2 Зэз Зв4 Зв5

Длина волны (А) 6293 6313 5662 6182

0.95 0.012 0.29 0.08

2л"с£с+ = 0.13-10"8 см3/с. Таблица 6. Абсолютные величины парциальных коэффициентов рекомбинации О^^ .

Уровень Длина волны (А) см3/с. Уровень Длина волны (А) см3/с.

45!' 5918 0.34 4с12 5913 0.92

4зГ 5116 0.16 4(13 5330 0.43

481'" 5902 0.26 4(1, 5820 0.52

451"" 5656 0.17 4(14' 5764 0.69

4(11' 5748 0.33 4(15 5341 0.59

4(11" 5906 0.56 4(16 5343 0.12

Таблица 7. Абсолютные величины парциальных коэффициентов рекомбинации (Х' Л

Уровень 3р1 Зрз Зрб Зра

Длина волны (А) 3520 3454 3447 3472

-ю-9см3/с. 1.6 0.02 0.05 0.04

^°2р54р+ =017-10"8см3/с-

Таблица 8. Абсолютные величины парциальных коэффициентов рекомбинации .

Уровень Длина волны (А) см3/с. Уровень Длина волны (А) -10"8 см3/с.

Зв!* 7051 0.17 за2 7472 0.75

Зв," 7059 0.18 за3 7488 0.56

Зв!'" 7943 0.18 3(1, 8495 0.56

ЗзГ' 8136 0.13 3(У 8378 0.75

за,- 8300 0.56 за5 7535 0.59

за,- 8418 0.38 за6 7544 0.13

= 0.49-10"7 см3/с.

2р53а

Таким образом, суммарный коэффициент рекомбинации НеЫе* +е->Не+Ые* по конфигурациям 2р55в, 2р546, 2р53(1 и 2р54р составляет величину аНеМе ~ 6-Ю"8 см3/с. С учетом оценки [6] коэффициента рекомбинации на уровни 2р53р - 0.5-10"8 см3/с-находим, что коэффициент диссоциативной рекомбинации ионов НеЫе+ с электронами, ответственный за формирование спектра излучения плазмы в области 3400-8500 А, составляет 6.5-10"8 см®/с. Учитывая, что из рассмотрения «выпали» две конфигурации -2р54в (линии излучения лежат в инфракрасной области спектра) и 2р53в (линии в области вакуумного ультрафиолета), мы полагаем, что имеет место неплохое согласие этой

величины с коэффициентом рекомбинации = (1.0±0.2)-10"7см3/с, найденным на

основе анализа скорости уменьшения плотности заряженных частиц распадающейся плазмы [б].

В главе 4 представлены также результаты эксперимента по изучению температурных зависимостей коэффициентов рекомбинации. Практика исследования механизма диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов показывает, что

связанные с ним потоки заселения различных возбужденных уровней могут существенно по-разному зависеть от температуры электронов [5]. К тому же, наблюдение реакции интенсивностей спектральных линий на импульсный «подогрев» электронов является эффективным инструментом разделения вкладов различных конкурирующих процессов. В данной работе использована отработанная в прежних экспериментах методика импульсного нагрева электронов продольным электрическим полем различной напряженности Е, формируемым в стадии распада плазмы и задающим температуру ТС(Е). В качестве тестовых, в плазме с подогревом электронов были проведены измерения интенсивности молекулярной полосы гелия около 4550 А (Млт3^ —> Ь2рж\1^, связанной с процессом рекомбинации молекулярных ионов гелия, температурная зависимость константы скорости которого известна: аи <х2'~15. Результаты измерений температурных зависимостей интенсивностей линий 6293 А (Звг—>2р5), 6313 А (Зяз—>2р5), 5662 А (3►2рю), 6182 А (Зз5—>2р9), 5764А (4ё4'—>2р9) и молекулярной полосы 4550А представлены на рис. 6.

0.1 0.1

V ■ .№764 • .Ю31Э . у ■ —\ е » А ,¿6182 т-,з \

Т 12 ♦ -16293 Т i е X «550 1 1 V 05662 л У13 е

кТ , эВ

е'

Рис.6. Температурные зависимости.

Видно, что при кТе = (0.03 + 0.2) эВ имеет место типичная для рекомбинационного заселения падающая зависимость потоков квантов с уровней 2р55в, 2р54<1, близкая к Те"12, что согласуется с данными [6] о зависимости коэффициента рекомбинации (1). При более высоких температурах обнаруживается растущая зависимость потоков заселения рассматриваемых уровней, не связанная с передачей возбуждения от метастабильных атомов гелия [Не(218о)]> плотность которых, как следует из Рис.7, возрастает в пределах нагревающего электроны импульса.

400 600

1000 МКС

Рис. 7. Зависимости от времени интенсивностей линий атома неона и плотности [Не(2180)] с разрешением 8 мкс в условиях подогрева электронов.

Данный рост может быть связан с включением малоизученного порогового механизма диссоциативной рекомбинации с участием ионов №2+, который может реализоваться через захват ионом №г+(у=0) электронов с достаточной для преодоления порога энергией с образованием атомов в возбужденных Зэ, и состояниях, расположенных на 0.3-0.4 эВ выше основного колебательного уровня иона у=0.

В Заключении формулируются основные результаты диссертации.

Впервые в практике эксперимента проведено комплексное исследование механизмов заселения возбужденных состояний атома неона в условиях существования гетероядерных молекулярных ионов и их заметной, а для ряда состояний определяющей, роли в

формировании оптических характеристик распадающейся He-Ne плазмы. На основании этого исследования:

1. Проведена классификация возбужденных уровней атома неона, излучающих в диапазоне длин волн 3400-8500 А, по степени участия трех основных механизмов -передачи возбуждения и рекомбинации гомо - и гетероядерных ионов с электронами в кинетике их насоленностей.

2. Найдено распределение потока диссоциативной рекомбинации ионов HeNe+ с электронами по возбужденным уровням 2p53d, 2р54р, 2p54d и 2р558-конфигураций и ионов Ne2+ по уровням 2p53d и 2р54р - конфигураций. При этом показано, что и в условиях данной работы - при малой относительной плотности неона [Ne]/[He] = 10"5 -выполняется установленное в экспериментах с распадающейся плазмой чистых инертных газах правило, согласно которому в процессе заселяются лишь те уровни, которые в шкале энергии расположены ниже основного колебательного уровня иона.

3. Определены абсолютные величины парциальных коэффициентов диссоциативной рекомбинации ионов HeNe+ , отвечающих образованию возбужденных состояний атома неона указанных выше конфигураций.

4. Измерены температурные зависимости парциальных коэффициентов рекомбинации ионов HeNe+ в состояния 2p55s, 2p54d. Для диапазона температур электронов кТе = (0.03

0.2. эВ имеет место типичная для рекомбинационного процесса падающая зависимость

потоков квантов с уровней 2p55s, 2ps4d от температуры электронов, близкая кТе~! 2. При более высоких температурах обнаруживается растущая зависимость потоков заселения рассматриваемых уровней, которая может быть связана с проговым процессом диссоциативной рекомбинации Ne+Ne*.

5. На основании наблюдения эволюции рекомбинационных потоков вместе с заселением возбужденных уровней атома неона вследствие передачи возбуждения сформулированы условия доминирования того или другого механизма.

Список публикаций по теме диссертации

1. Ivanov V.A., Petrovskaya A.S., Skoblo Yu.E. Population of the Ne 2p55s-States in He-Ne Mixture Plasma// Book of Abstracts. P. 85. ICSLS-21 International Conference on Spectral Line Shapes, Saint-Peterburg, Russia, June 3-9, 2012

2. Ivanov V.A., Petrovskaya A.S., Skoblo Yu.E. Temperature Dependence of the Rate of the Recombination // Book of Abstracts. P. 86. ICSLS-21 International Conference on Spectral Line Shapes, Saint-Peterburg, Russia, June 3-9, 2012

3. Иванов B.A., Петровская A.C., Скобло Ю.Э. Заселение 2p55s уровней атома неона в плазме смеси He-Ne.I. Эвалюция механизмов в разряде и послесвечении // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 114. С. 1-9.

4. Ivanov V.A., Petrovskaya A.S., Skoblo Yu.E. Dissociative recombination of heteronuchear HeNe+ ions with electrons into 5s and 4d levels of the neon atom. // Вестник СП6ГУ, 2013. Сер. 4. Вып. 4. С. 161-165. (по материалам международного семинара Collisional Processes in Gas and Laser Media (СПбГУ, Санкт-Петербург, 2013)

5.Иванов B.A., Петровская A.C., Скобло Ю.Э. Заселение 2p55s - уровней атома неона в плазме смеси He-Ne. II. Температурные зависимости парциальных коэффициентов рекомбинации ионов HeNe+ и электронов // Оптика и спектроскопия. 2014. Т.117. N.6. С.14-19.

Цитированная литература

1. Басов Н.Г, Баранов В.В., Данилычев В.А. и др. Мощный элекгроионизационный лазер на Аг—Хе с расходимостью излучения (2.5-5)-10"5 рад. // Квантовая электроника. 1987. Т.14. С.1739.

2. Месяц Г. А., Осипов В.В., Тарасенко В.Ф. Импульсные газовые лазеры. М., 1991. С. 173.

3. Dasgupta A., Apruzese J.P., Zatsarinny О. et al. Laser transition probabilities in Хе I //Phys. Rev. A. 2006. v.74. P.012509.

4. Devdariani A.Z., Zagrebin A.L, Blagoev K. Exitation transfer and intermultiplet transitions in collisions ofHe and Ne atoms attermal energies // Ann.Phys.Fr. 1992. v.17. N.5. P. 365.

5. Иванов В. А.. Диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов в плазме инертных газов // Успехи Физических Наук. 1992. том. 162. № 1. С. 36.

6. Иванов В.А., Скобло Ю.Э. О диссоциативной рекомбинации гетероядерных молекулярный ионов с электронами в плазме смесей инертных газов // ЖЭТФ. 1994. т.106. в.6(12). С.1704.

7. Иванов В.А., Скобло Ю.Э. Диссоциативная рекомбинация ионов HeNe+ и электронов. Парциальные константы скорости образования атомов конфигурации 2р53/?//Химическая физика. 2012. том 31. № 4. С. 1.

8. Ramos G., Sheldon J.W., Hardy К.А., Peterson J. R. Dissociative-recombination product states and the dissociation energy Do of Ne+2 // Phys. Rev. A. 1997. V.56. № 3. P. 1913.

9. Ионих Ю.З., Пенкин Н.П. Возбуждение линий 2p-3s в смеси гелий-неон // Оптика и спектроскопия. 1971. т.31. С.837.