Диссертация (1149576), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В работе впервыеисследованы рекомбинационные процессы заселения возбужденных состоянийатома неона, относящихся к конфигурациям 2p55s, 2p54d, 2p54p, 2p53d, враспадающейся He-Ne плазме в условиях доминирования для некоторых состоянийранее неизученного механизма (3). Установлено, что даже при отношенииплотностей [Ne]/[He] ≈10-5 процесс передачи возбуждения от метастабильныхатомов гелия в синглетном состоянии играет заметную (а для некоторых уровнейопределяющую) роль в заселении состояний Ne(2p55s) и некоторых Ne(2p54d)причем как в фазе разряда, так и начальной фазе послесвечения.78Установлено, что послесвечение на переходах с уровней атома неона 2p55s,2p54d, 2p54p, 2p53d – конфигураций связано в основном с конкурирующими междусобойпроцессамидиссоциативнойрекомбинацииионовHeNe+иNe2+сэлектронами.На ранней стадии распада плазмы в кинетике ряда уровней атома неона2p55s, 2p54d – конфигураций на фоне рекомбинационных процессов отчетливопроявляется передача возбуждения (1).
Выполненное в работе разделение вкладовэтих механизмов позволило указать условия доминирования диссоциативнойрекомбинации гетероядерных ионов HeNe+ в заселении указанных уровней, и в томчисле, верхнего лазерного уровня 2p55s (3s2 по Пашену).Экспериментальновпервыеопределенывеличиныпарциальныхкоэффициентов диссоциативной рекомбинации ионов Ne2+, HeNe+ с электронами всостояния атома неона Ne(2p55s), Ne(2p54d), Ne(2p54p), Ne(2p53d).
Эти данныемогут быть использованы для построения поуровневой кинетической моделирассматриваемых состояний в распадающеймя He-Ne плазме.Построена модель распада гелиевой плазмы с малым содержанием неона,хорошоописывающаяинтенсивностейионныйспектральныхсоставлиний,плазмы,зависимостиотвременитакжезависимостиотвремениаконцентраций метастабильных атомов и молекул гелия He(21S0), He(23S1),He2(2s3Σu+).Методисследованиярелаксационныхпроцессов,заключаетсявразвивающихсяспектроскопическомвсистемеанализенаселенностейвозбужденных состояний атомов неона и гелия и молекул гелия и связанных сэволюцией ионного состава распадающейся He-Ne плазмы.
Принципиальноважным в методическом отношении является дополнение спектроскопическогоэксперимента измерением основных параметров плазмы, таких, как температурагаза, концентрации электронов и долгоживущих метастабильных частиц.Положения, выдвигаемые на защиту1. Вывод о доминирующей роли диссоциативной рекомбинации гетероядерныхионов с электронамиHeNe+ + e → Ne * + Heв заселении возбужденныхсостояний атома неона 2p55s, 2p54d – конфигураций в распадающейся He-Neплазме.892.
Результаты наблюдений конкуренции рекомбинации гомо- и гетероядерныхионов в заселении состояний атома неона 2p54p, 2p53d – конфигураций.3.ТемпературныерекомбинациизависимостипарциальныхHeNe+ + e → Ne * + Heипотоков(коэффициентов)Ne2+ + e → Ne * + Neв возбужденныесостояния атома неона 2p55s, 2p54d – конфигураций.4.РаспределениекоэффициентовпотоковидиссоциативнойабсолютныевеличинырекомбинациипарциальныхHeNe + + e → Ne * + Heвсостояния 2p55s, 2p54d, 2p54p и 2p53d - конфигураций. ОтносительныевеличиныпарциальныхдиссоциативнойкоэффициентоврекомбинациииNe2+по(распределениеуровням2p54pпотоков)и2p53d-конфигураций.Достоверность полученных в диссертационной работе результатовобусловлена использованием успешно апробированного ранее метода нахождениявеличин парциальных коэффициетов рекомбинации, адекватностью полученных вработе результатов имеющимся представлениям о механизме диссоциативнойрекомбинации, количественным и качественным согласием экспериметальныхрезультатов с результатами численной модели распада плазмы, а также сопубликованными экспериментальными данными, в тех случаях, когда последниебыли доступны.Апробация работы.
Основные материалы работы были доложены на 21международной конференции по контурам спектральных линий (21th ICSLS –International Conference on Spectral Line Shapes, Санкт-Петербург, 2012), намеждународном семинаре Collisional Processes in Gas and Laser Media (СПбГУ,Санкт-Петербург, 2013), международной конференции Petergof Workshop on LaserPhysics (СПбГУ, Санкт-Петербург, 2014).Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи, 3 направлены впечать.910Личный вклад автора.Получениеэкспериментальногоматериала,атакжепредставленныетеоретические оценки и аналитические построения проводились автором, либо приего непосредственном участии. Обработка результатов эксперимета проводиласьавтором.Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, двухприложений, заключения и списка литературы.Перваяглавасодержитлитературныйобзортеоретическихиэкспериментальных работ, посвященных процессам, протекающим в гелийнеоновой плазме, таких как: передача возбуждения от метастабильных атомов имолекул гелия, электрон - ионная рекомбинация с участием ионов He+, He2+, Ne+,Ne2+, HeNe+.Во второй главе описаны условия эксперимента, экспериментальнаяустановка и методики измерений, используемые в эксперименте, методы расчетапараметров плазмы по измеряемым в эксперименте величинам.Третьявозбужденныхглавасосоянийпосвященаатомовисследованиюнеонавпроцессовгелий-неоновойзаселенияплазме,анализувременных зависимостей основных параметров плазмы, таких как концентрацияметастабильных атомов и молекул гелия, концентрация электронов, интенсивностиспектральных линий и молекулярных полос.
Также в третьей главе описывается иобсуждается модель распада плазмы, создаваемой импульсным разрядом в гелиис малым содержанием неона, и демонстрируется хорошее согласие расчета сэкспериментом.В четвертой главе приводятся результаты исследования процессовдиссоциативной рекомбинации, приводящих к заселению возбужденных атомовнеона конфигураций 2p55s, 2p54d, 2p54p, 2p53d, а также описывается методикаопределения парциальных коэффициентов рекомбинации электронов с ионамиNe2+, HeNe+. Для состояний 2p55s, 2p54d, 2p54p, 2p53d, приводятся абсолютные иотносительные величины парциальных коэффициентов рекомбинации HeNe+,вычисленные по экспериментальным данным.
Для состояний 2p54p, 2p53d полученыотносительные величины парциальных коэффициентов (распределение потоков)диссоциативной рекомбинации и Ne2+. Представлены температурные зависимости1011парциальных потоков рекомбинации в состояния атома неона 2p55s, 2p54d –конфигураций.В заключении приведена сводка результатов, полученных в диссертации.1112Глава I. Литературный обзор. Процессы в распадающейся гелий - неоновойплазме1.1. Передача возбуждения в гелий-неоновой плазмеВ условиях нашей работы, как и в хорошо изученных в литературе вариантахплазмы активной среды He - Ne лазеров, механизм передачи возбуждения играетсущественную роль в заселении целого ряда возбужденных уровней атома неона.Как было упомянуто во введении, интерес к исследованию процессов в гелийнеоновой смеси был вызван созданием гелий-неонового лазера.
ВпервыеДжаваном был предложен механизм формирования инверсной населенностиатомных уровней в гелий-неоновой плазме, главным элементом которого являетсяпроцесспередачивозбужденияпристолкновенияхатомовнеонасметастабильными атомами гелия He ( 2 3S1 ) [26]:He(2 3S1 ) + Ne → He(11S0 ) + Ne(2s4 ) .(1.1.1)Автор [26] указал, что возможность наблюдения инверсии заселенностейуровней 2 s4 и 2 p10 обусловлена двумя обстоятельствами. Во-первых, время жизниверхнего уровня 2 s4 в 60 раз превышает время жизни нижнего уровня 2 p10 .
Вовторых, в разряде в смеси гелия с неоном имеется большое количествометастабильных атомов He ( 2 3S1 ) , энергия которых близка к энергии атомовNe ( 2 s4 ) , и поэтому процесс передачи возбуждения (1.1.1) может характеризоватьсябольшим эффективным сечением.Спустя короткое время Джавану, Беннету и Эрриоту удалось реализоватьинверсию заселенностей (на данном переходе) в разряде в гелий-неоновой плазме.Авторы статьи [1] показали, что возможна непрерывная лазерная генерация воптическом диапазоне на пяти различных длинах волн в инфракрасной области11180А, 11530А, 11600А, 11990А, 12070А.
Самая сильная генерация наблюдаласьна длине волны 11530А. В цитируемой работе было измерено сечение процессапередачи возбуждения (1.1.1) при температуре газа 300К σ = ( 3.7 ± 0.5 ) ⋅10−17 см 2 , атакже указано, что наиболее эффективно данный процесс передачи возбуждения1213происходит, когда энергетические уровни образующихся возбужденных атомовнеона лежат ниже энергии атомов He ( 2 3S1 ) на несколько kT , где T – температураатомов.Позднее авторы [2] впервые наблюдали генерацию в гелий-неоновой смеси ввидимом диапазоне на переходе 3s2 → 2 p4 , соответствующем длине волны 6328А.Генерация в видимой части спектра также была связана авторами [2] с процессомпередачи возбуждения, но от метастабильных атомов гелия в синглетномсостоянии He ( 2 1S0 ) :He(2 1S0 ) + Ne → He(11S0 ) + Ne(3s2 ) .(1.1.2)Создание гелий-неонового лазера вызвало большой интерес к исследованиюэтой смеси и процессов, протекающих в ней.
Особое внимание было уделенопроцессам передачи возбуждения (1.1.1), (1.1.2).Впервыесечениепередачивозбуждения(1.1.1)былоизмереновпослесвечении гелий-неоновой плазмы, создаваемой импульсным разрядом [27],величина сечения, усредненного по максвелловскому распределению атомов притемпературе 300К, составила σ = (0.28 ± 0.06) ⋅ 10 −16 см 2 .Дальнейшему исследованию процесса передачи возбуждения (1.1.1) былопосвящено большое число экспериментальных и теоретических работ (см.,например, обзор [25], недавние работы, [28, 29]).
Значение сечения передачивозбуждения, полученное в работе [27], было подтверждено более точнымиизмерениями [30], в которых гелий-неоновая смесь возбуждалась электроннымударом.Вработе[31],былопроведеноисследованиепроцессапередачивозбуждения (1.2) в гелии с малой примесью неона при полном давлении 10 Торр иполучена величина сечения процесса (1.1.2) σ = (2 − 4 ) ⋅ 10 −16 см 2 . Температурныезависимостикоэффициентапередачивозбуждениявширокомдиапазонетемператур были исследованы в работах [32, 33, 34, 35].Авторы [36] измерили величины сечения процесса (1.1.2) для всех четырехуровней 2 p 5 5s – конфигурации: σ (3s2 ) = 3.45 ⋅ 10 −16 см 2 , σ (3s3 ) = 0.009 ⋅ 10 −16 см 2 ,σ (3s4 ) = 0.3 ⋅ 10 −16 см 2 ,σ (3s5 ) = 0.3 ⋅ 10 −16 см 2 .
Суммарное сечение по всем1314σ = 4.1 ⋅ 10 −16 см 2 ,четырем уровням совпадало с величиной сечения (1.1.2)полученной в работе [27]. Эксперимент в работе [36] проводился в гелий неоновойсмеси при малом давлении газа 15 и 30 Па (0.11 и 0.22 Торр) и достаточно маломразрядном токе (10, 30, 60 мА), температуре атомов ≈330 К. Такие условия быливыбраны авторами [36] с тем, чтобы столкновения, перераспределяющие атомы повозбужденным состояниям, играли заведомо малую роль.В работе [37] были измерены относительные интенсивности спектральныхлиний неона ( 2 p 5 5s → 2 p 5 3 p или 3si → 2 p j по Пашену) в гелий-неоновой плазмепри отношении парциальных давлений гелия и неона 9/1, а также показано, что()процесс (1.1.2) является доминирующим в заселении Ne 2 p5 5s , что согласуется срезультатами [27].В обзоре [25] приведены результаты многочисленных измерений и расчетовсечений процессов (1.1.1) и (1.1.2).Картина процессов заселения возбужденных уровней атома неона враспадающейся гелий-неоновой плазме может быть значительно более сложной.Быстрое уменьшение температуры электронов в раннем послесвечении вызываетрезкий рост скоростей процессов электрон-ионной рекомбинации как атомных, так имолекулярных ионов:Ne+ + e + e( He) → Ne * + e( He)(1.1.3)Ne2 + + e → Ne + Ne *(1.1.4)HeNe+ + e → He + Ne * .(1.1.5)Впервые реакции (1.1.4) ,(1.1.5) как сопутствующие процессам (1.1.1), (1.1.2)механизмы заселения лазерных 5s – уровней еще в 60-е годы предложилирассматриватьавторыэкспериментов[38,39]поисследованиюкинетикивозбужденных атомов гелия и неона в плазме импульсного разряда в смеси He Ne.Стехпорисследователинеоднократнообращалиськанализурекомбинационных процессов в гелиевой, неоновой и He - Ne плазме.
Результатыэтих исследований, насчитывающих несколько сотен наименований, отражены вряде обзоров ([9, 10, 11, 12, 13, 14]). Ниже мы кратко рассмотрим состояние дел внастоящее время в отношении процессов, реализующихся в близких к нашимусловиях в распадающейся He-Ne –плазме. При этом мы оставим за рамками1415нашегоанализаударно-радиационнуюрекомбинацию(1.1.3)ионовNe+,основываясь как на многочисленных результатах предшествующих исследованийпослесвечения разряда инертных газов при малой (менее 10—7) степени ионизации(например, [40]), так и на наших наблюдениях, в которых процесс (1.1.3) непроявился на фоне (1.1.1), (1.1.2), (1.1.4), (1.1.5).1.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
