Релаксация функции распределения электронов в распадающейся плазме инертных газов Текст научной статьи по специальности «Физика»

© А.Ю. Грабовский, A.C. Мустафасв, 2012

УДК 533.9.082

А.Ю. Грабовский, А.С. Мустафаев

РЕЛАКСАЦИЯ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В РАСПАДАЮЩЕЙСЯ ПЛАЗМЕ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

Рассмотрены условия, в которых возможно возникновение неустойчивостей в плазме послесвечения инертных газов. Выполненные эксперименты подтвердили правильность предположений.

Ключевые слова: функция распределения электронов, энергетическая релаксация, плазма послесвечения, пучковая неустойчивость.

Известно [1, 2], что система, состоящая из плазмы и проходящего через нее потока заряженных частиц, при определенных условиях становится неустойчивой. В [35] показано, что такая неустойчивость возникает в плазме даже при наличии слабой анизотропии функции распределения электронов по скоростям (ФРЭС). Традиционно в работах, посвященных изучению распределения электронов в распадающейся плазме инертных газов [6-8], процессы возникновения неустойчивостей и их влияние на вид функции распределения электронов не анализировалось.

В настоящей работе впервые рассмотрена возможность возникновения пучковой неустойчивости в распадающейся плазме послесвечения инертных газов, в которой в результате физико-химических процессов возникают быстрые электроны.

Рассмотрим плазму послесвечения инертных газов, в которой быстрые электроны возникают в результате реакций хемоионизации

.. Л. А++ А + е

А + А < (1)

А2++ е

и ударов второго рода между возбужденными атомами и электронами

А * + е ^ А + е . (2)

Здесь А и А — атомы в основном и возбужденном состояниях; А+, А2+ -атомарные и молекулярные ионы; е (е) — быстрые (медленные) электроны. Энергии быстрых электронов, возникающих при физико-химических процессах в инертных газах, е1 (реакция (1)) и е2 (реакция (2)) приведены в таблице.

Газ

£1, eV £2, eV

14.4 19.8

11.0 16.7

7.3 11.6

6.0 10.0

4.3 8.4

Гелий

Неон

Аргон

Криптон

Ксенон

Амбиполярное электрическое поле, существующее в плазме, определяется средней энергией электронов и слабо влияет на диффузию быстрых электронов. В этих условиях преимущественное движение быстрых электронов к границам плазменного объема формирует анизотропию функции распределения, несмотря на то, что сам «источник» быстрых электронов является изотропным. Степень анизотропии ФРЭС определяется давлением газа, размерами плазменного объема и концентрацией электронов. При достижении «критической» концентрации

электронов возникает плазменно-пучковая неустойчивость, которая приводит к энергетической релаксации ФРЭС и размыванию максимумов вблизи энергий е\ и е2 [9].

Проанализируем данные измерений функции распределения электронов в плазме послесвечения гелия. Эксперименты проводились в разрядной трубке диаметром 2.7 ст при давлении газа 1 тт Нд [7]. Плазма создавалась импульсами тока с амплитудой от 0.1 до 1.0 А длительностью 10 цэ и частотой повторения 2 к№. Функция распределения электронов по энергиям измерялась методом модуляции зондового тока с временным разрешением 10 цэ в момент времени 200 цэ после обрыва импульса тока. Одновременно регистрировались концентрации электронов п и метастабильных атомов гелия М в состоянии 2351.

На рис. 1 представлены функции распределения электронов в плазме послесвечения гелия для различных значений концентрации электронов п. С ростом концентрации электронов уменьшается длина ленгмюров-ской волны X и облегчается возможность

е, еУ

Рис. 1. Функция распределения электронов по энергиям Р(е) в плазме послесвечения гелия: 1 — п = 4.5 ■ 1010ст-3; 2 — 1011; 3 — 2 ■ 1011; 4 — 3 ■ 1011; 5 — 4 ■ 1011

возникновения плазменно-пучковой неустойчивости [2, 9]. Видно, что в энергетическом спектре действительно присутствуют группы быстрых электронов с энергиями е\ = 14.4 еУ и е2 = 19.8 еУ. Дисперсия ФРЭС для группы электронов Де1 заметно превышает Де2. По-видимому, это связано с тем, что энергия е1 меньше е2 и соответственно меньше сечение возбуждения атомов гелия электронами этой группы. Это в свою очередь приводит к большей диффузионной длине . > .2 и соответственно большему времени жизни электронов этой группы.

Для сравнительного анализа трансформации вида функции распределения с изменением концентрации электронов на рис. 2 в относительных единицах представлена экспериментальная зависимость характерного времени жизни быстрых электронов Т, которое пропорционально отношению амплитуды максимумов на функциях распределения при энергиях 14.4 и 19.8 еУ к соответствующим скоростям возникновения электронов этих групп. Для рассматриваемых условий (без учета возбуждения волн в плазме) это время не должно зависеть от п (штриховая линия). Константы скоростей соответствующих процессов и скорости возникновения быстрых электронов определены по измеренным значениям концентраций п и М [8].

Анализ экспериментальных данных показывает, что заметная трансформация вида распределения электронов в распадающейся гелиевой плазме происходит уже при п > 3 ■ 1011 ст-3. Этот результат хорошо согласуется с пороговым критерием возникновения плазменно-пучковой неустойчивости и последующей энергетической релаксацией ФРЭС, установленным экспериментально в плазме низковольтного пучкового разряда в

п, 10" cm'1

Рис. 2. Характерное время жизни быстрых электронов Т (в относительных единицах.) в зависимости от п: 1 — для

электронов с энергией 8! = 14.4 еУ, 2 — б! = 19.8 еУ; 3 — расчет без учета возбуждения волн

инертных газах [9]. Отметим, что зарегистрированные изменения вида функции распределения электронов с ростом концентрации п существенно превосходят погрешности эксперимента, которые для относительных измерений не превышают 5 %.

Условие возникновения пучковой неустойчивости для распадающейся

1. Веденов A.A. Вопросы теории плазмы / A.A. Веденов; под ред. М.А. Леонтовича. — М: Атомиздат, 1963. Т. 3. — С. 203-244.

2. Иванов A.A. Физика сильнонеравновесной плазмы / A.A. Иванов. — М.: Атомиздат, 1977. — 352 с.

3. Mustafaev AS., Mezentsev A.P /A.S. Mustafaev, A.P. Mezentsev // J. Phys. D. — 1986. Vol. 19. N 5. P. — L69-L73.

4. Baksht E.G., Lapshin V.F., Mustafaev A.S. / E.G. Baksht, V.F. Lapshin, A.S. Mustafaev // J. Phys. D. — 1995. Vol. 28. N 5. — P. 689—693.

5. Baksht E.G., Lapshin V.E, Mustafaev A.S. / E.G. Baksht, V.F. Lapshin, A.S. Musta-

KOPOTKO ОБ АВТОРАХ -

плазмы послесвечения инертных газов удобно представить в виде

n > 1,7 • 108ест2 (s) N2a , (3)

где е — энергия быстрых электронов в eV, п — концентрация тепловых электронов в cm-3, Na — концентрация нормальных атомов газа в cm-3, а (е)

— сечение процесса упругого рассеяния электрона на атомах в cm2.

Подстановка соответствующих величин в выражение (3) приводит к наблюдаемому в эксперименте значению п, при котором начинается энергетическая релаксация функции распределения электронов в распадающейся плазме.

Таким образом, в результате проведенного анализа можно утверждать, что в плазме послесвечения инертных газов при определенных условиях возможно возникновение пучковой неустойчивости, изменяющей вид функции распределения электронов по энергиям и, как следствие, свойства плазмы. Это обстоятельство необходимо учитывать при использовании плазмы с быстрыми электронами для технологических целей.

Авторы признательны профессору И. Кагановичу за критические замечания.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

faev // J. Phys. D. — 1995. Vol. 28. N 5. — P. 694—700.

6. Демидов В.И., Колоколов Н.Б., То-ронов О.Г. / В.И. Демидов, Н.Б. Колоколов, О.Г. Торонов // Физика плазмы. — 1986. Т. 12. № 6. — С. 702.

7. Demidov V.l., Kolokolov N.B. / V.L. Demidov, N.B. Kolokolov //Phys. Lett. A. — 1982. Vol. 89. — P. 397.

8. Колоколов Н.Б. Химия плазмы / Н.Б. Колоколов; под ред. Б.М. Смирнова. Вып. 12.

— М.: Энергоатомиздат, 1985. — С. 56—66.

9. Муаафаев A.C. / АС. Мустафаев ^ЖТФ.

— 2001. Т.71. Вып. 4. — С. 111-121. ЕИЭ

Грабовский А.Ю. — аспирант, [email protected],

Мустафаев A.C. — доктор физико-математических наук, профессор, [email protected], Санкт-Петербургский государственный горный университет.