Возбужденные атомы и ионы буферного газа в плазме ОС. При среднем давлении газа образование метастабильных состояний гелия (Hem)-1s2s1,3S происходит при неупругих столкновениях быстрых электронов ( ē ) плазмы ОС с атомами гелия в основном состоянии Heo(1s2 1So) :

ē + Heo(1s2 1So) ® Hem(1s2s1,3S); и ē + Heo ® He*(1snl1,3L) ® Hem(1s2s1,3S)

При одинаковом энерговкладе концентрация Hem в плазмах ОС РПК и ПС продольного разряда одного порядка.

Ионы буферного газа образуются в плазме ОС РПК также при неупругих столкновениях с электронами. При этом прямая ионизация:

ē + Heo(1s2 1So) ® Heo+(1s 2S1/2),

преобладает над ”двухступенчатой”:

ē + Heo ® Hem, He* ; и ē + Hem(He*) ® Heo+(1s 2S1/2);

Ионизация атомов металла (M) происходит главным образом при неупругих столкновениях с электронами:

ē + Mo ® Mo+ +2e,

Кроме того, т. к. потенциал ионизации буферного инертного газа (B) обычно в 2...3 раза выше потенциала ионизации рабочих атомов металла, то при введении в буферный газ паров рабочего вещества –металла, происходит дополнительная ионизация атомов металла Пеннинг-процессом и перезарядкой.

Пеннинг-процесс - ионизация атомов металла Mo при столкновениях с метастабильными Hem (а также и с возбужденными He*) атомами гелия :

Hem (He*) + Mo ® Mо+( M+*) + Heo(1s2 1So) + e + ΔE,

приводит к заселению всего спектра состояний, для которых ΔE³0, но главным образом – основного ионного состояния Mо+, и его вклад в ионизацию металла в условиях разряда И. л. п. м. с РПК уступает вкладу электронных столкновений. (В то же время для возбужденных ионных лазерных уровней металла вклад Пеннинг-процесса может значительно превышать вклад последних.)

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Перезарядка при тепловых скоростях сталкивающихся частиц (несимметричная, в условиях случайного резонанса)

Bo+ + Mo ® M+* + Bo + ΔE( ~kT)

эффективна только для тех ионных состояний M+*, для которых выполняется правило спинов Вигнера, ΔE положительна и порядка kT, (реально 0<ΔE<1эВ). Для большинства активных сред И. л. п. м. с РПК (смеси: He-Cd, He-Hg, He-Zn, He-Se, Ne-Tl, Ne-Te, Kr-Sr и др.), такие состояния M+* имеются, и перезарядка приводит к накачке лазерных переходов, а также - к образованию в конечном счете и ионов Mо+.

Так как атомы металла имеют высокое эффективное сечение неупругих столкновений с электронами, то с ростом концентрации паров от нулевого до оптимального для генерации значения Nм= (Nм)опт, в плазме ОС происходит резкое уменьшение концентрации ионов буферного газа N(Bо+) за счет: а) падения скорости их образования быстрыми электронами, энергия которых снизилась из-за неупругих столкновений с атомами металла, и б) за счет интенсивных процессов перезарядки, эффективно разрушающих состояния Bо+. В результате N(Bо+) снижается в смеси при (Nм)опт на порядок, становясь на порядок ниже концентрации ионов металла N(М+), т. е. N(Bо+)<<N(M+). Подобным образом резко снижается и концентрация метастабильных атомов буферного газа N(Bм), интенсивно разрушающихся при ионизации атомов металла Пеннинг-процессом.

Главным каналом нейтрализации для ионов металла M+ в ОС является диффузия в сторону поверхности катода и рекомбинация на ней, для ионов буферного газа - перезарядка на атомах металла, для метастабильных атомов буферного газа - Пеннинг-процесс на атомах металла, для электронов - диффузия и дрейф в сторону анода.

Эмиссия электронов при средних давлениях происходит преимущественно в результате бомбардировки поверхности катода положительными ионами газовой смеси B+ и M+, ускоренными в поле КТП в направлении к катоду (ион-электронная эмиссия). Число эмитируемых электронов определяется числом падающих ионов и коэффициентом ион-электронной эмиссии γ. Так как в смеси происходит "замена" ионов B+ на ионы M+, и т. к. γ(M+)<<γ(B+), то в соответствии с условием самостоятельности разряда

S γk*dk*Nk+=1,

k=1,2

для поддержания неизменного тока эмиссии электронов, необходим рост γ(M+) и γ(B+), (т. е. рост энергии бомбардирующих ионов), что обеспечивается ростом потенциала UКТП, и что наблюдается в виде возрастания в смеси величин катодного падения UК и UКТП, и, как следствие - энергии первичных электронов, набравших энергию в КТП.

При средних давлениях (по разным оценкам - до 20…50 Торр) возбужденные молекулы и молекулярные ионы буферного газа не образуются, а пары рабочего вещества, находящиеся при нормальных условиях в виде молекул (например, молекулы селена, иода и др.), испытывают в плазме стационарного РПК практически полную диссоциацию.

Оптимальная концентрация рабочих атомов в И. л. п. м. с РПК и эффективность накачки ударами 2-го рода. В плазме ОС РПК при росте концентрации низкопотенциальных рабочих атомов металла, снижение числа быстрых электронов ФРЭ в области энергий, где наиболее эффективно ионизируется буферный газ, происходит значительно медленнее, чем в ПС продольного разряда (см., рис.2,б). Это связано с формированием ФРЭ "со стороны высоких энергий", где вероятность неупругих столкновений электронов с атомами металла неэффективна, а также с тем, что рост UКТП в смеси приводит к росту начальной энергии первичных электронов, попадающих в ОС, что частично компенсирует снижение числа быстрых электронов, вызванное неупругими столкновениями с атомами металла. В результате оптимальная концентрация атомов металла (Nм)opt в ОС И. л. п. м. с РПК оказывается на два порядка более высокой, чем в ПС продольного разряда (см., рис.2,б), что и создает условия для практически полного преобразования энергии, запасенной в ионах и метастабильных атомах буферного газа - в энергию лазерного перехода (путем перезарядки и Пеннинг-процесса соответственно), а также определяет и более высокую скорость и эффективность накачки ионных уровней металла. В самом деле, например, скорость накачки i-лазерного уровня перезарядкой - Wi будет

W+(Bo+)*N(Mo)*ξi*Kп

Wi = N(Bo+)*N(Mo)*ξi*Kп =-----------------------------------------

n(Bo+) + N(Mo)*Kп

где N(Bo+) и W+(Bo+)-концентрация и скорость образования в единице объема ионов буферного газа, ξi*Kп - парциальная константа перезарядки на i-уровень, n(Bo+)-суммарная частота других побочных процессов разрушения ионов буферного газа (диффузией, объемной рекомбинацией и др.)

При средних давлениях и оптимальной N(Mo)=(Nм)opt»(2…8)*1015см-3 частота ударов 2-го рода - N(Mo)*Kп, значительно превышает суммарную частоту n(Bo+), т. е. нейтрализация ионов газа происходит только перезарядкой, и скорость накачки i-уровня металла Wi ≈ ξi*W+(Bo+), а полная скорость накачки всех уровней ионного спектра металла в ОС при этом равна полной скорости ионизации буферного газа W=åWi≈W+(Bo+), а не половине этой скорости, как в ПС. Аналогично - для Пеннинг-процесса, где частота передачи энергии атомам металла от метастабильных атомов при ионизации значительно превышает частоту побочных процессов разрушения этих атомов (за счет диффузии, ступенчатой ионизации и др.).

Очевидно, что и коэффициент преобразования энергии, накопленной в частицах буферного газа, – в энергию лазерного перехода, для ОС РПК равен единице, и примерно в 2 раза выше, чем для ПС.

Т. к. ионизация буферного газа, определяющая скорость ударов 2-го рода, в конечном счете происходит за счет энергии монокинетической группы первичных электронов eUКТП, то скорость возбуждения и ионизации газа является возрастающей функцией потенциала UКТП, к увеличению которого приводит а)использование материала катода с максимальным катодным падением, б)либо перевод полого катода в режим "затрудненного" разряда - разряда типа полый анод-катод (ПАК) с сетчатым анодом внутри катодной полости при расстоянии между ними меньшем, чем толщина КТП (рис. 4,д), в)либо искусственного уменьшения площади поверхности катода (спирального, частично закрытого диэлектриком и др.)

Радиальные характеристики плазмы ОС РПК. В возбуждении энергетических уровней буферного газа и металла изначально участвуют главным образом быстрые "первичные" электроны. Тепловые "вторичные" электроны либо снижают инверсию на лазерном переходе при сверхупругих столкновениях с ионами металла на верхнем уровне, либо осуществляют накачку лазерного перехода с вышерасположенных уровней, непосредственно заселяемых ударами 2-го рода, причем не только в период распада плазмы (как в ПС), но и во время протекания тока. Концентрация и энергия тех и других электронов по радиусу катодной полости изменяется гораздо более сложным образом, чем в ПС. Т. е вид ФРЭ в ОС зависит от радиальной координаты r, а именно: для быстрых электронов энергия максимальна вблизи границы КТП-ОС, а поскольку потери энергии быстрыми электронами зависят в основном от давления буферного газа, то распределение по радиусу их концентрации существенно зависит от давления: например, при малом давлении из-за фокусировки энергия максимальна вблизи оси, и с ростом давления максимум также смещается к границе КТП-ОС.
Образование метастабильных атомов по сравнению с образованием ионов буферного газа происходит более эффективно электронами с меньшими энергиями, т. е. ближе к оси или при большем давлении газа. То же происходит и с концентрацией медленных электронов (максимальна вблизи оси).
Таким образом, величина интегральной скорости накачки лазерного перехода зависит от давления и конкретного механизма накачки, и, например, - для перезарядки выражается через радиальный профиль локальной скорости ионизации газа W+(r):

R _____

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6