Тройная ион-ионная рекомбинация в слабоионизированном газе и плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РГБ Од

Напрм

УДК 537.50

2 7 ОПТ 1998 #а правах рукописи

НОВИЦКИЙ Дмитрий Александрович

ТРОЙНАЯ ИОН-ИОННАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ В СЛАБОИОНИЗОВАННОМ ГАЗЕ И ПЛАЗМЕ

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1998

Работа выполнена на факультете проблем физики н энергетики Московского физико-технического института.

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

-доктор физико-математических наук, профессор Н Л. Александров

- доктор физико-математических наук, профессор A.B. Елсикий

- доктор физико-математических наук, Г.В. Найдис

Троицкий институт инновационных и термоядерных исследовании

Защит» диссертации состоится « 1993 г.

• и часов на заседании Диссертационного Совета К 063.91.09 при Московской физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32 корпус В-2

Отзывы отправлять по адресу: 141700, г Долгопрудный, Московской обл., И.< ппутский пер., д. 9, МФТИ

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке МФТИ.

Авторефг чт разослан «, 1998 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета К 063.91.09

Н П.Чубннский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Процесс тронной ион-ионной рекомбинации

А* +В' +М-у АВ + М имеет почти вековую историю исследований. Являясь одним из основных каналов гибели заряженных частим в электроотрицательном газе, он оказывается важным при накачке эксимерных лазеров и решении ряда экологических задач; им определяется концентрация ионов в средней и нижней атмосфере Земли.

Экспериментальных данных по скорости этого процесса относительно мало, что объясняется изменением состава ионов и усложнением их идентификации с ростом давления газа. Поэтому основным источником информации по скорости процесса тройной ион-ионной рекомбинации является теория, причем наиболее надежные данные получаются в рамках метода Монте-Карло. Но расчеты этим методом трудоемки и выполнены для малого числа систем и узкой области параметров. Скорость же рассматриваемого процесса зависит от многих исходных данных: вида частиц А* ,В~,М, давления, температуры газа, а в некоторых задачах - и от приложенного электрического поля.

Из-за этого в практических приложениях (например, при изучении кинетических процессов в эксимерных лазерах), где необходимо знание большого числа констант скорости протекающих реакций в большом диапазоне внешних условий, применение метода Монте-Карло представляется очень затруднительным. В таких задачах более удобно использование аналитических формул для констант скорости реакций.

В данной работе рассмотрены задачи, решение которых важно для эксимерных лазеров, плазменных методов очистки дымовых газов и электроизоляции высоковольтного оборудования.

Кроме того, наличие аналитического описания позволяет более глубоко понять основные закономерности протекания процесса рекомбинации, что дает возможность заранее делать оценки эффективности различных каналов гибели заряженных частиц в широком диапазоне условий.

Несмотря на то, что в большинстве практических задач рекомбинация ионов происходит в смеси газов, до настоящего времени этот вопрос остается практически не исследованным теоретически. Также явно недостаточным представляется объем данных по рекомбинации ионов во внешнем электрическом поле.

В данной работе сделана попытка восполнить эгог пробел и рассмотреть возникающие при этом эффекты.

Отмеченные обстоятельства позволяют считать тему настоящей работы весьма актуальной как с точки зрения анализа основных процессов, происходящих при тройной рекомбинации ноиоо в газовых смесях и внешнем электрическом поле, гак и с точки зрения применения аналитических методов расчета скорости процесса рекомбинации в различных практических приложениях.

Предметом настоящего диссертационного нсслсдошинш является процесс тройной ион-ионной рекомбинации в газовых смесях и при наложении постоянного внешнего электрического поля.

Цопь настоящего исследования: рассмотрение аналитических моделей процесса тройной ион-ионной рекомбинации, построенных к настоящему времени и возможностей их использования для различных

задач и при разных внешних условиях; построение модели процесса ионной рекомбинации в газовых смесях и анализ синергетического эффекта, возникающего при рекомбинации ионов в смеси газов, сильно отличающихся по своим свойствам; анализ эффектов, приводящих к существенному снижению скорости ионной рекомбинации при наложении внешнего постоянного электрического поля; расчет скорости рекомбинации в плазме дымовых газов, в канале стримера при его распространении во влажном воздухе и в других практических приложениях, а также влияния влажности на свойства длинного стримера в воздухе.

• Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые приводится аналитический расчет константы скорости процесса тройной ион-ионной рекомбинации в газовых смесях. На основании этого расчета, также впервые, предсказывается синергетический эффект в скорости •тройной ион-ионной рекомбинации, состоящий в немонотонной зависимости константы от состава смеси буферных газов. Кроме того, впервые выполнено моделирование длинного стримера во влажном воздухе и дано новое объяснение наблюдаемому в эксперименте эффекту влияния влажности на свойства стримера.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Предложена методика определения и выполнен расчет константы скорости тройной ион-ионной рекомбинации в газовой смеси.

2. Предсказан и изучен синергетический эффект для скорости тройной рекомбинации тепловых ионов при промежуточных и высоких давлениях, а также для ионов, нагретых элекприческим полем, при низких давлениях газа.

У. Исследовано влияние внешнего электрического поля на скорость тройной ион-ионной рекомбинации в слабоионизированном газе и плазме.

4. Выполнено моделирование распространения длинного стримера во влажном воздухе и дано новое объяснение влияния влажности на свойства стримера, связанное с гидратацией положительных ионов в канале стримера.

Практическая значимость диссертационного исследования.

Результаты, полученные в данной работе, позволяют быстро определять константу скорости ион-ионной рекомбинации для широкого спектра реагирующих ионов, разнообразных смесей буферных газов, в большом диапазоне давлений, температур и напряженностей внешнего поля, что необходимо для моделирования процессов в различных научных, экологических и технологических задачах.

Апробация результатов исследований.

Диссертация обсуждена кафедре прикладной физики факультета проблем физики и- энергетики Московского физико-технического института.

Основные положения диссертации отражены ' в работах, опубликованных в журналах «Письма в ЖТФ», «Физика плазмы» и «Journal Physics В: At. Mol. Opt. Phys.».

Результаты исследований докладывались на конференциях:

П-ой Международный семинар «Сильные СВЧ волны в плазме» ( август 1993 года, г. Нижний Новгород)

XXXVIII научная конференция Московского физшсо-технического института (25-26 ноября 1994 года, г. Долгопрудный);

Всероссийская конференция "Физика низкотемпературной плазмы" (ФНТП-95) (20-26 июня 1995 года, г. Петрозаводск);

VlII-я Всероссийская конференция по физике газового разряда (июнь 1996 года, г. Рязань);

Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы» (ФНТП-98) (июнь 1998 года, г. Петрозаводск);

Структура диссертации. Структура диссертационного исследования обусловлена его предметом, . целями, задачами. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обосновываются актуальность и новизна темь! исследования, раскрывается степень ее исследования в научной литературе; определяются цели, задачи, предмет диссертации; приводятся основные теоретические положения и выводы, обладающие, по мнению автора, научной новизной н выносимые им на защиту; дается характеристика практической значимости работы.

л

В первой главе рассматривается история изучения процесса тройной ион-ионной рекомбинации, различные модели, применяемые для определения константы скорости процесса, указывается па их применимость для различных внешних условий.

В первом разделе главы приводится исторический обзор исследований процесса рекомбинации ионов во внесшем rase. Рассматриваются модель Ланжевена для случая высоких плотностей

буферного газа, модель Томсона для случая низких плотностей, экспериментальные данные, на основании которых эти модели были построены, а также некоторые модификации этих основных моделей, используемых для определения константы скорости тройной ион-ионной рекомбинации.

В своей исторической последовательности приведены уточняющие поправки Харпера (1932) и Бэйтса (1975) для коэффициента рекомбинации Ланжевена, которые учитывали влияние диффузии, Бэйтса и Масси (1943), учитывающие присутствие двухчастичной рекомбинации ионов при малых давлениях буферного газа, Бэйтса и Моффетга (1966) -для случая рекомбинации противоположно заряженных ионов одного сорта в собственном газе.

Во втором разделе главы рассматриваются основные механизмы ион-ионной рекомбинации в плазме, такие как

а) излучательная рекомбинация Л" +)'" --> A?"+/«•;

б) парная рекомбинация X' +)'" -» А" + У' + ЛЕ;

в) тройная рекомбинация X' +)'" +2 -> AY + Z.

Определяются условия, при которых тог или иной процесс

превалирует над остальными.

В третьем разделе главы рассматривается протекание процесса рекомбинации ионов при низком давлении буферного газа, когда велико влияние процессов излучательной и парной рекомбинации ионов. Описываются механизмы протекания процессов нейтрализации заряда в плазме, оцениваются их характерные величины. Исходя из этого, определяются характерные для каждого нз процессов диапазоны давления

Далее приводятся основные идеи и построение модели Томсона для рекомбинации ионов в пределе малых давлений буферного газа, а

также различные ее модификации, использующие базовую модель радиуса «захвата», на случаи неравных масс, изменения ионной плотности под действием кулоновского притяжения и т.д.

Более детально рассмотрен подход Бэйтса и Фланнери к определению константы скорости процесса рекомбинации. В нем авторы отказались от искусственной концепции радиуса «захвата» и от предположения Томсоиа, что рекомбинация ионов происходит в результате единственного сильного столкновения иона с нейтральной частицей. Вместо этого энергия относительного движения ионов рассматривалась как величина, непрерывно меняющаяся в результате столкновений ионов с нейтральными частицами газа. Коэффициент рекомбинации определялся решением, интегро-дифференциального уравнения, описывающего диффузию ионных пар в пространстве энергий. Далее описываются некоторые способы, позволяющие решать это уравнение при определенных допущениях и упрощениях.

В четвертом разделе главы рассматривается процесс рекомбинации ионов при высоком давлении буферного газа. Приводится построение модели Ланжевена, основанной на предположении, что в пределе высоких давлений газа скорость рекомбинации определяется взаимным дрейфом ионов под воздействием кулоновских сил. Описываются модификации этой модели (Харпер, 1935), учитывающие, наряду с взаимным дрейфом ионов, их диффузию во внешнем газе, которая должна играть существенную роль при давлениях в несколько атмосфер.

Далее приводится результат, полученный Бэйтсом, объединившим модели Ланжевена и Харпера, который, проведя более тщательный, чем у Харпера, анализ, показал, что результат Ланжевена справедлив в очень

широком диапазоне давлений, несмотря на то, что по построению модели область его применения должна была бы составлять сотни атмосфер.

В пятом разделе главы рассматривается рекомбинация ионов в очень важном с практической точки зрения диапазоне давлении около одной атмосферы. Ведь при гаком давлении скорости протекания стадии сближения ионов и стадии их нейтрализации примерно равны, а значит, должны учитываться совместно.

В 1959 году Натансоном был предлох<ен подход, позволяющий объединить теории Томсона и Ланжевена в случае промежуточных давлений окружающего газа при определенных изменениях в их формулах. В результате оказалось, что обратная скорость процесса рекомбинации ионов при промежуточных значениях плотности газа равна сумме обратных скоростей рекомбинации в пределах высокого и низкого давления.

Во второй главе предложен подход к определению константы скорости процесса тройной ион-ионной рекомбинации в газовых смесях, а также рассмотрен возникающий при этом синергетическин эффект при различных внешних условиях.

В нервом разделе главы обосновывается практическая необходимость получения аналитического описания тройной ион-ионной рекомбинации в газовых смесях, приводятся примеры применения такого описания в экологических и технологических задачах.

Во втором разделе главы рассматривается подход к получению аналитического выражения для константы скорости рекомбинации в смеси гг'-ов. Он основывается на том, что процесс рекомбинации ионов во внешнем газе условно можно разбить на две последовательные стадии: сближения ионов под воздействием кулоиовсксго яригяжеиня

(ланжепеновская стадия) и реакционную стадию, во время которой образуется связанное состояние ионной пары в результате столкновений ионов с нейтральными атомами окружающего газа (томсоновская стадия).

Поскольку скорость протекания ланжевеновской стадии процесса пропорциональна сумме подвижностей ионов, то для ее определения подвижность каждого нз ионов в газовой смеси находится по закону Бланка, а затем они складываются. Скорость протекания второй стадии зависит от способности ионов отдавать свою кинетическую энергию нейтральным частицам газа в последовательности элементарных актов столкновений с ними. В смеси вероятность столкновения с нейтральной частицей того или иного сорта пропорциональна концентрации частиц данного сорта. Поэтому скорость реакционной стадии определяется как взвешенная сумма томсоновских скоростей реакции в каждом из газов, составляющих смесь.

Полная скорость рекомбинации рассчитывается на основании теории Натансона (1959), уточненной впоследствии Бэйтсом (¡969), как обратная сумма обратных скоросГей последовательных стадий сближения и нейтрализации.

В третьем разделе главы на основе описанного подхода к определению скорости рекомоинзцни ионов в смеси предсказывается появление синергетического эффекта для тепловых ионов в ряде смесей буферных газов. Данный эффект состоит з том, что скорость рекомбинации может немонотонным образом зависеть от состава смеси, то есть при определенном ^отношении концентраций компонентов быть выше или ниже, чем в каждом из чистых газо

Необходимым условием возникновения синергетического эффекта для промежуточных давлений является <J, что первая стадия

рекомбинации в однсм компоненте смеси гораздо протекает быстрее, чем во втором, в то время как томсоновская стадия протекает быстрее во втором компоненте, чем в первом. При этом ланжевеновская скорость в первом компоненте должна быть по порядку величины равна томсоновской скорости во втором компоненте, и наоборот. Такое соотношение скоростей протекания стадий процесса рекомбинации возможно в случае промежуточных давлений буферного газа.

Величина эффекта рассчитывалась для рекомбинации ионов Аг+ и СГ в смеси инертных газов Аг и Не, характерной для эксимерных лазеров на галогенидах инертных газов. В качестве меры эффекта было выбрано отношение максимального значения константы скорости рекомбинации при соответствующем составе буферного газа к средневзвешенному значению констант скоростей в чистых газах. Величина эффекта составила десятки процентов, что говорит о том, что он должен бьпъ легко наблюдаем в эксперименте.

И действительно, в расчете Литглвуда и др. (1989) методом Монте-Карло, данный эффект был приведен на графике, хотя и не был отмечен авторами ввиду своей малой величины длл данных ионов и буферной смеси и СЯ; в смеси SF6 и СЛ,). Однако

проведенный расчет показал наличие при даньом составе смеси синергетического эффекта такой же величины, как и наблюдавшийся в расчете Литглвуда.

Кроме того, возникновение синергетического эффекта возможно в пределе высоких давлений буферного газа, когда скорость рекомбинации определяется подвижностью ионов. Здесь условием возникновения эффекта является обратное соотношение подвижностгй положительного и отрицательного ионов в компонентах, составляющих смесь Для описания синергетического эффекта была использована модель, в

о

которой подвижность положительного иона в первом компоненте в п раз больше, чем у отрицательного, к равна подвижности отрицательного во втором. Для отрицательного иона выполняются обратные соотношения. Такая модель близка ситуации, когда примерно равные по массе противоположно заряженные ионы рекомбннируют в смеси собственных нейтральных газов. Тогда рассеяние ионов на атомах своего сорта определяется резонансной перезарядкой, а на частицах «чужого» газа -поляризационным взаимодействием.

В четвертом разделе главы рассматривается синсргетический эффект при наложении внешнего электрического поля, что приводит к различному нагреву ионов в каждом из компонентов смеси. Для рассмотрения данного эффекта была выбрана модель, схожая с описанной в предыдущей главе, но в качестве параметров, определяющих скорость рекомбинации были выбраны температуры положительного и отрицательного ионов Здесь возможный механизм возникновения подобной ситуации сходен с описанным в предыдущей главе.

В третьей главе формулируется подход к определению коэффициента рекомбинации ионов в буферном газе при наложении постоянного внешнего электрического поля.

В первом разделе главы, с 1 пользованием модели Натансона, модифицированной на случай движения конов под действием внешнего электрического поля, рассчитывается среднее изменение энер: ии ионов после столкновений с не"гральными частицами. Определяется средняя относительная энергия ионов, сблизившихся из бесконечности до расстояния, равного радиусу «захвата», после столкн вения с нейтралом.

П

Данный раздел рассматривает уменьшение радиуса захвата вследствие «нагрева» ионов полем. Оно обусловлено тем, что для того, чтобы ионы, набравшие во внешнем поле дополнительную кинетическую энергию, могли образовать связанное состояние, они должны находиться на более близком расстоянии друг от друга в момент передачи одним из ионов энергии нейтральной частице.

Описанный эффект зависит от параметра Е/Ы, где Е - внешнее электрическое поле, И - плотность нейтральных частиц.

Во втором разделе главы рассматривается изменение потенциала взаимодействия ионов при наличии внешнего поля. В данных условиях уменьшается уровень относительной энергии ионной пары, ниже которого ионы образуют связанное состояние. Это объясняется тем, что даже если пара обладает отрицательной энергией, но энергия эта выше указанного порога, ионы смогут разойтись на бесконечное расстояние друг от друга, забирая энергию у внешнего поля. Описанный эффект, в отличие от предыдущего, зависит прямо от напряженности электрического поля Е.

В данном же разделе приведена диаграмма в координатах Е - £/?/, показывающая, при каких условиях каждый из описанных эффектов является доминирующим.

Получена зависимость радиуса «захвата» от приложенного электрического поля, плотности окружающего газа и его температуры. На основании этой зависимости произведено сравнение с экспериментальными данными Лнттлвуда (1989) и получено удовлетворительное согласие с ними.

В третьем разделе главы рассмотрен случай, когда неплохое согласие с экспериментальными данными можно получить, используя

модель Томеона, в которой температура ионов рассчитывается по формуле Ванъе.

Это соответствие объясняется тем, что в рассматриваемых условиях уменьшение радиуса «захвата» определяется «нагревом» ионов во внешнем поле, а реакционную стадию можно считать протекающей за одно сильное столкновение иона с нейтральной частицей.

В четвертой главе излагаются результаты расчета кон^ганты скорости тройной ион-ионнол рекомбинации применительно к ряду практических приложений.

В первом разделе главы описываются результаты расчета для основных положительных и отрицательных ионов в воздухе с примесью фреона и в дымовых газах , являющихся смесью Ы^СЬ'-СОзД-ЬО. При этом учитывается взаимодействие «заряд-диполь» при рассеянии иона на молекуле Н2О и возможность значите того превышения газовой температуры дымовых газов над комнатной.

Во пгором разделе главы определяется скорость ион-ионной рекомбинации во влажном воздухе, и полученные результаты используются для исследования влияния влажности на свойства длинного стримера в воздухе.

Многочисленные эксперименты свидетельствуют о 'гом, что увеличение влажности затрудняет р;.;витие стримеров. Имеющееся в литературе объяснение связывасл этот эффект с vвeличeниeм прилипания электронов к молекулам и, как следствие, с уменьшением проводимости стримерного канала. Из-: увеличения падения напряжения на канале это должно приводить к снижению электрического поля и эффективности ионизационных процессов в головке I гримера.

В настоящей работе выполняется моделирование движения длинного стримера во влажном воздухе. При этом используется модель с постоянным радиусом стримерного канала и подробной схемой электронных и ионно-молекулярных процессов, включая ион-ионную рекомбинацию. Результаты расчета согласуются с измерениями электрического поля, необходимого для перекрытия стримером промежутка заданной длины.

Анализ выполненных расчетов позволяет определить механизм влияния влажности на свойства длинного стримера в воздухе. Оказывается, что основной канал гибели элеюронов в стримерном канале — диссоциативная электрон-ионная рекомбинация, а не прилипание к молекулам. То есть существующее объяснение эффекта влажности неверно. Проведенное моделирование показывает, что увеличение влажности приводит к смене сорта положительных ионов (гидратация ионов). Это ускоряет электрон-ионную рекомбинацию и уменьшает проводимость стримерного канала, затрудняя развитие стримерного процесса.

В заключительной части диссертации сформулированы основные выводы и результаты работы:

1. Предложена методика определения константы скорости тройной ион-ионной рекомбинации в газовой смеси. Выполнен расчет этой константы для конкретных смесей, включая влажный воздух, воздух с примесью фреоне и дымовые газы.

2. Предсказан и изучен сикергетичсский эффект для скорости тройной ион-ионной рекомбинации. Покачано, что положительный эффект возможен для тепловых ионов при промежуточных давлениях (~1 атм). Это подтверждается расчетами для конкретных систем.

Отрицательный синергетическлй эффект получен для тепловых ионов при высоких давлениях и для ионов, нагретых во внешнем электрическом поле, при низких давлениях. Этот эффект изучен на примере модельных систем. Определены условия существования синергетического эффекта.

3. Изучено влияние внешнего электрического поля на скорость тройной ион-ионной рекомбинации в слабсионизированном газе и плазме. Показано, что в зависимости от параметров системы, исследуемый эффект может менять механизм и определяться либо абсолютным значением элект].аческого поля Е, либо приведенным полем ti'N (,V — плотность нейтральных частиц).

4. Выполнено моделирование распространения длинного стримера во влажном . воздухе и получено согласие • с имеющимися экспериментальными данными по зависимости среднего электрического поля, необходимого для перекрытия заданного промежутка, от влажности. Предложено новое объяснение эффекта влажности на свойства длинного стримера, связанное с гидратацией положительных "ионов и ускорением диссоциативной электрон-ионной рекомбинации в стримерном канале.

Список публикаций: 5

1. ПЛ. Александров, ДА. Новицкий, тройная ион-ионная рекомбинация в газовых смесях, Письма в ЖТО, 1993, т. 19, с. 913.

2. N.L. Aleksandrov, S.V. Dobkin, A.M. Ко- :ha!<ov, D.A. Novitskii, Halocarbon decomposition in microwave post-discharge, Abstr. II Jntern. Workshop, "Strong microwaves in plasmas", Nizhny Novgorod, 1993, p. DS.

3. Н.Л. Александров, C.B. Добкин, A.M. Кончаков, Д.А. Новицкий Каталитическое разрушение фреонов в послесвечении СВЧ~разряда, Физика плазмы, 1994, т.20, с. 492-498.

4. Н.Л. Александров, Д.А. т*0виикий, Синкретический эффект при тройной ион-ионной рекомбннаш'-т в газовых смесях, Материалы

п

конференции «Физика низкотемпературной плазмы», Петрозаводск,

1995.4.1, с. 7-9.

5. Н.Л. Александров, Э.М. Базелян, Д.А. Ковицкий, Моделирование свойств длинного стримера в горячем и влажном воздухе, Тезисы докладов \Ш1-ой конференции по физике газового разряда, Рязань,

1996.4.2, с. 107-109.

6. N.L. Aleksandrov, D.A. Novitskii, Synergistic effect in the rate of three-body ion-ion recombination in gas mixtures, Journal Physics B: At. Mol. Opt. Phys. 1997, v. 30, p.125-134.

7. Н.Л. Александров, Д.А. Новицкий, Э.М. Базелян, Влияние влажности на свойства длинного стримера в воздухе, Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, №9, с. 86-91.

8. Н.Л. Александров, Г.А. Новицкий, Д.А. Новицкий, Трехчастичная рекомбинация в нагретом элегазе, Материалы конференции по физике низкотемпературной плазмы, 1998, Петрозаводск, ч. 1, с 43-44.

По; -шсано в печать 1998 г., Л Формат 60x90/16 Бумага писчая №1.'Печать офсетная. Усл. печ.л. Уч-изд.л. Тираж экз., Заказ № 164 Бесплатно.

Ротапринт МФТИ 141700, г. Долгопрудный, Московской обл.,

Институтский пер. 9.