Диссертация (1149576), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

В работе [15], посвященной исследованиюгелий-неоновойплазмы,коэффициента+предлагаетсядиссоциативной+αHeNe = ∑ αHeNejоценочноезначениерекомбинациисуммарного(3.2.1а)= 1·10 -7см3/с и найдены условия, в которых возможноjнаблюдение процесса (3.2.1а) по свечению неоновых линий в распадающейсяплазме. По сути дела, этими данными и ограничиваются имеющиеся в настоящеевремя сведения о рекомбинации иона HeNe+. Как будет показано ниже, построениемодели распадающийся He-Ne плазмы необходимо для понимания процессов,происходящих в фазе послесвечения, идентификации процессов заселениявозбужденныхсостоянийатоманеона;разделенияпотоковзаселенияввозбужденные состояний атома неона, связанные с различными процессами;нахождения относительных и абсолютных величин парциальных коэффициентовдиссоциативной рекомбинации.6869МодельраспадаHe-Neплазмыпредставляетсобойсистемудифференциальных уравнений, построенную на основе цепочки процессов,формирующих ионный состав в послесвечении.

Как уже упоминалось ранее(параграф 3.1. настоящей главы) в условиях нашего эксперимента в гелийнеоновой плазме присутствует 5 сортов различных ионов, рождающихся вследующейпроцессы,последовательности:приводящиекHe+→He2+→Ne+→HeNe+→Ne2+.рождениюперечисленныхионов,Основныеужечастичноупоминались в литературном обзоре (см. Главу I). Для полного описания модели вданном разделе будет приведена вся цепочка реакций, формирующая ионныйсостав плазмы в послесвечении.

При этом, как уже упоминалось в Главе I, мыоставим за рамками нашего анализа ударно-радиационную рекомбинацию ионовNe+.Начнем рассмотрение частиц в послесвечении He-Ne плазмы в порядке ихпоявления. Как показывает эксперимент, в начале послесвечения (Рис.3.1.1.1а,Рис.3.1.1.1б) наибольшую концентрацию имеют метастабильные атомы [He(23S1)](более 1011см-3.), затем [He(21S0)] (порядка 5·1010см-3) и He2(2s3Σu+) (порядка1010 см -3.), поэтому начнем рассмотрение с процессов рождения и исчезновенияметастабильных атомов и молекул, а затем перейдем к цепочке ионныхпревращений He+→He2+→Ne+→HeNe+→Ne2+.1) Метастабильные атомы He(21S0), He(23S1) и молекулы He2(2s3Σu+).Рождение метастабильных атомов гелия He(21S0) происходит в фазе разрядав результате возбуждения атомов электронным ударом.

Данный процесс ужерассматривался в параграфе 3.1. при объяснении особенностей зависимостей отвремени спектральных линий атомарного гелия. Здесь мы не будем обращаться кпроцессу рождения He(21S0), поскольку модель построена для фазы послесвеченияHe-Ne плазмы.Спад плотностей He(23S1) и He2(2s3Σu+) в послесвечении, обусловненныйпарными столконовениями метастабильных атомов и молекул гелия (см. нижереакции (3.2.4)-(3.2.9)), столкновениями с атомами неона (3.2.11)-(3.2.12) иэлектронами (3.2.16)-(3.2.17), в некоторой степени замедляется в результатерекомбинационных процессов:1→ He 2 3 S + He + e HeHe2+ + e + e ( He ) ( )( 1)k(3.2.1)6970(k)2 → He 2 s 3 Σ + + He(e) ,He2+ + e + e( He) 2u(3.2.2)где k1=ξ1·k, k2=ξ2·k, k = (α0 + k0·[He])·(T/293 K)-1 + ke·ne·(T/293 K)-4 [44], где [He] и ne –плотности атомов гелия и электронов, α0 = 5·10-10 см3/c, k0 = (5 ± 1)·10-27 см6/c,ke = (4 ± 0.5)·10-20 см6/c, ξ1·= 0.95, и ξ2·=0.05 доли рекомбинационных потоковобразования атомарных и молекулярных метастабилей гелия, соответственно.Основным механизмом рождения метастабильных молекул является процессконверсии при тройных столкновениях:()3He ( 2 3S1 ) + 2 He → He2 2 s 3 Σu+ + Hek(3.2.3)k3 = δ ⋅ P 2 / [ He] , δ = 0.2c −1 ⋅ Topp −2 , в условиях настоящего эксперимента P = 38Topp ,2[He]=1.22·1018см-3, таким образом k3 = (1.9 ± 0.4)·10-34 см6/c [44].Уход атомных и молекулярных метастабилей обусловлен близкими поприроде процессами, такими как парные столкновения как друг с другом, так имежду собой, передача возбуждения при столкновениях с атомами неона,процесами конверсии и при сверхупругих столконвениях с электронами:4 → He + + He + eHe ( 2 1S0 ) + He ( 2 1S0 ) k→ He2+ + e(3.2.4а)(3.2.4б)k4 = (4.1±0.9)·10-9 см3/c [85]5 → He + + He + eHe ( 2 3S1 ) + He ( 2 3S1 ) k→ He2+ + e(3.2.5а)(3.2.5б)k5 = (1.5±0.3)·10-9 см3/c [44]()()k6He2 2s 3 Σu+ + He2 2s 3 Σu+ → He + + 3He + e(3.2.6а)→ He2+ + 2 He + e(3.2.6б)→ He3+ + He + e(3.2.6в)→ He4+ + e(3.2.6г)k6 = (1.5±0.5)·10-9 см3/c [44]70717He ( 2 1S0 ) + He ( 2 3S1 ) → He + + He + ek→ He2+ + e(3.2.7а)(3.2.7б)k7 = (4.0±0.5)·10-9 см3/c [85]()8He2 2 s 3 Σu+ + He ( 2 1S0 ) → He + + 2 He + e(k)()(3.2.8а)→ He2+ + He + e(3.2.8б)→ He3+ + e(3.2.8в)k9He2 2 s 3 Σu+ + He 2 3S1 → He + + 2 He + e(3.2.9а)→ He2+ + He + e(3.2.9б)→ He3+ + e(3.2.9в)k9 = (2.5±1.5)·10-9 см3/c [44]10He ( 2 1S0 ) + Ne →He (11S0 ) + Ne*k(3.2.10)k10 = 4·10-11см3/c [34]11He ( 2 3S1 ) + Ne →He (11S0 ) + Ne*k(3.2.11)k11 = 3.85·10-12см3/c [86]()k12He2 2 s 3 Σu+ + Ne →продукты реакции(3.2.12)k12 =(2.1 ± 0.6)·10-11 см3/c [87]13He ( 2 1S0 ) + 2 He →He2m + He(3.2.13)14He ( 2 1S0 ) + e →He (11S0 ) + e(3.2.14)kkСледует заметить, что в литературе отсутствуют данные о столкновенияхатома гелия в синглетном состоянии He ( 2 1S0 ) с метастабильными молекулями(гелия He2 2s 3 Σu+)(3.2.8), поэтому в модели, по аналогии с процессом (3.2.9), для(3.2.8) была использована константа скорости k8 = (2.5±1.5)·10-9 см3/c.

Аналогичнаяситуация возникает с процессом (3.2.13), и в качестве константы скорости для7172(3.2.13) принимается величина k13 = (1.9 ± 0.4)·10-34 см6/c (3.2.3). Кроме того, какпоказали численные расчеты, процессы (3.2.8) и (3.2.13), также как и процесс(3.2.14), в построении модели можно не принимать во внимание.15He ( 2 1S0 ) + e →He ( 2 3S1 ) + ek(3.2.15)k15 = (4.0 ± 0.8)·10-7 см3/c16He ( 2 3S1 ) + e →He (11S0 ) + ek(3.2.16)k16 = (4.2 ± 0.6)·10-9 см3/c()k17He2 2 s 3 Σu+ + e →продукты реакции(3.2.17)k17 = (3.8 ± 0.8)·10-9 см3/c.Значения констант скоростей k16 - k17 взяты из работы [44], k15 из [88].ПерейдемкрассмотрениюцепочкиионныхпревращенийHe+→He2+→Ne+→HeNe+→Ne2+. Процессы, связанные с рождением и гибелью ионовHe+ и He2+, для простоты и наглядности следует рассматривать одновременно,поскольку каналами рождения как He+, так и He2+ в распадающейся плазмеявляются одни и теже процессы парных столкновений метастабильных атомов имолекул гелия (3.2.4)-(3.2.9).

Уход атомарных ионов He+ происходит за счетпроцесса конверсии с атомами неона:k18He + + 2 He →He2+ + He(3.2.18)k18 = (6.2±0.5)·10-32см6/c [44].Исчезновение молекулярного иона He2+ обусловлено следующими процессами:трехчастичной рекомбинацией (3.2.1) - (3.2.2), вследствие которой происходитрождение возбужденных (в том числе и метастабильных) молекул гелия, иперезарядкой при столкновениях с атомами неона:k19He2+ + Ne →Ne + + 2 He(3.2.19)k19 = 1.4·10-10см3/c [49].7273Длядостижениясоответствиянаблюдаемогоповеденияинтенсивностеймолекулярных полос в послесвечении с модельными расчетами константуk19 потребовалось в 1.5 раза увеличить по сравнению с данными работы [49]. В[49] авторы не указали погрешность определенияk19 , отметив лишь, чтонеопределенность величины константы может составлять 2-3 раза.

Нам поэтомутрудно определить, насколько велико внесенное изменение k19 . Более точныхданных о скорости реакции (3.2.19) нам найти не удалось. Неисключено, чтоскорость разрушения молекулярных ионов гелия в наших условиях действительновыше, чем предписывает k19 , вследствие возможного присутствие в разряднойтрубке, несмотря на тщательную очистку гелия (см.Глава II), следовлегкоионизуемой примеси, атомы (или молекулы) которой более эффективноразрущает ионы He2+, чем атомы неона.В дополнение к (3.2.19) ниже приведена цепочка процессов, регулирующихплотности ионов Ne+, HeNe+ и Ne2+k20Ne + + e + He →Ne * + Hek21Ne + + e + e →Ne * + e(3.2.20)(3.2.21)Процессами ударно-радиационной рекомбинации ионов Ne+ в наших условияхможно пренебречь.k22Ne + + 2 He →HeNe + + He(3.2.22)k22 = (2.3±1)·10-32см6/c [3]k23HeNe + + e →Ne * + He(3.2.23)k23 = (1.0±0.2)·10-7см6/c [15]k24HeNe + + Ne →Ne2+ + He(3.2.24)k24 = (3±1)·10-11см3/c [4]k25Ne2+ + e →Ne * + Ne(3.2.25)k25 = (1.7±0.1) 10-7см3/c [48]Наконец, по аналогии с (3.2.1),7374k26Ne2+ + e + He →Ne * + Ne + He(3.2.26)k26 = 4 10-9см3/c [89]Следует отметить, что для каждой из рассмотренных частиц был учтендополнительный канал гибелии за счет процессов диффузии в приближениидиффузионного времени жизни (см.

Приложение 1).На основании приведенной цепочки процессов для описания распада плазмыбыла постороена несложная модель, содержащая 8 диффренциальных уравнений:(5 из которых отвечают концентрации различных типов ионов He+, He2+, Ne+, HeNe+,()()Ne2+, 3 - концетрациям метасталильных атомов и молекул гелия He 2 1S0 , He 2 3S1 ,He2 (2 s 3 Σu+ ) ).Приведемсистемудиффренциальныхуравнений,использованнуювмодели распада He-Ne плазмы.(1) уравнение для концентрации метастабильного атома гелия He 2 1S0()()) He 2 1S0 d  He 2 1S0  − k ⋅  He 2 1S  2 − k ⋅  He 2 1S   He 2 3S  −=−4 0 7 0 1 He 2 1S0 dt()(τa()(())())()2− k8 ⋅  He 2 1S0   He2  − k10 ⋅  He 2 1S0  [ Ne ] − k13 ⋅  He 2 1S0  [ He] − ( k14 + k15 ) ⋅  He 2 1S0  ne(2) уравнение для концентрации метастабильного атома гелия He 2 3S1()()) He 2 3S1 d  He 2 3S1  − k ⋅  He 2 3S  2 −+= ξ1 (α 0 + k0 [ He] + ke ne ) ⋅  He2  ⋅ ne − 5 1 He 2 3S1 dt(τak− k7 ⋅  He 2 1S0   He 2 3S1  − 9223− k3 ⋅  He 2 S1  [ He] − k16 ⋅  He(())()( )( 2 S ) ne())⋅  He 2 3S1   He2  − k11 ⋅  He 2 3S1  [ Ne] −313) уравнение для концентрации метастабильных молекул гелия He27475d [ He2 ]dt He 22= ξ 2 (α 0 + k0 [ He] + ke ne ) ⋅  He2+  ⋅ ne + k3 ⋅  He 2 3S1  [ He] −  He2  − k6 ⋅  He2  −τ 2()ak− k8 ⋅  He 2 1S0   He2  − 9 ⋅  He 2 3S1   He2  − k12 ⋅  He2  [ Ne] − k17 ⋅  He2  ne2()()4) уравнение для концентрации иона He +d  He+ 222kkk4 ⋅  He 2 1S0  + 5 ⋅  He 2 3S1  + 6 ⋅  He2  + k7 ⋅  He 2 1S0   He 2 3S1  +222dt He+ 213+ k8 ⋅  He 2 S0   He2  + k9 ⋅  He 2 S1   He2  − He+ − k18  He +  [ He]τ(=()()())()()a5) уравнение для концентрации иона He2+d  He2+ 222kkkk4 ⋅  He 2 1S0  + 5 ⋅  He 2 3S1  + 6 ⋅  He2  + 7 ⋅  He 2 1S0   He 2 3S1  +2222dt He2+ kk+ 8 ⋅  He 2 1S0   He2  + 9 ⋅  He 2 3S1   He2  −  He+  − k19 ⋅  He2+  [ Ne] −22τa 2(=()()()()())− (ξ1 + ξ 2 ) (α 0 + k0 [ He] + ke ne ) ⋅  He2+  ⋅ ne6) уравнение для концентрации иона Ne +d  Ne + dt Ne + 2= k19 ⋅  He  [ Ne ] − Ne+ − ( k20 ⋅ [ He ] + k21 ⋅ ne ) ⋅  Ne +  ne − k22 ⋅  Ne+  [ He]+2τa7) уравнение для концентрации иона HeNe +d  HeNe + dt HeNe+ 2+= k22 ⋅  Ne  [ He] − HeNe+ − k23 ⋅  HeNe +  ne − k24 ⋅  HeNe +  [ Ne]τa8) уравнение для концентрации иона Ne2+d  Ne2+ dt Ne2+ = k24 ⋅  HeNe  [ Ne ] − Ne+ − k25 ⋅  Ne2+  ne − k26 ⋅  Ne2+  ne [ He]2+τaНачальные условия для плотностей ионов подбирались из условия наилучшегосогласия модели с результатами измерений интенсивностей спектральных линий7576атома неона и молекулярной полосы гелия в раннем послесвечении, плотностиметастабилей гелия и электронов (сумма плотностей ионов) – из измерений.В качестве наглядной иллюстрации адекватности описания распадающейсяплазмы приведем зависимости от времени концентраций метастабильных атомов имолекул гелия, а также некоторых характерных линий атома неона, полученные вэксперименте и вычисленные с помощью рассмотренной модели.1051011J6328A1101010310910210900 10008-34110[He(2 S0)], смJ, число квантов[He(2 S0)]0100200300400500600700800t, мксРис.3.2.1.

Характеристики

Список файлов диссертации