ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ АТОМОВ ГЕЛИЯ В ПЛАЗМЕ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.521

Н.А. Ашурбеков, К. О. Иминов, В. С. Кобзева, К. Т. Таибов

Исследование влияния поперечного магнитного поля на интенсивности

излучения спектральных линий атомов гелия в плазме наносекундного

разряда

Дагестанский государственный университет, nashurb@mail.ru

Экспериментально исследовано влияние поперечного магнитного поля на интенсивности излучения спектральных линий и релаксацию заселенностей возбужденных состояний атомов гелия в наносекундном разряде в коротких межэлектродных промежутках. Установлено, что изменение интенсивности излучения спектральных линий в магнитном поле связано с изменением характеристик катодного слоя разряда.

Ключевые слова: наносекундный разряд, магнитное поле, плазма.

The impact of transversal magnetic field on the intensity of spectral lines irradiation and the relaxation of excited helium atoms population in nanosecond discharge in shot between-electrodes spaces has been experimentally studied. It has been found that the charge in intensity of spectral lines irradiation in magnetic field is connected with the change in the properties of cathode layer of discharge.

Keywords: nanosecond discharge, magnetic field, plasma.

Введение

В последние годы значительно возрос интерес к получению и исследованию плазменно-пучковых разрядов (ППР) в связи с успешным применением ППР для получения сильноточных электронных и ионных пучков в различных инжекторах [1] и для накачки активных сред лазеров [2]. В разряде, в коротких межэлектродных промежутках в инертных газах, при прикладывании импульсов напряжения с наносекундными фронтами возможно получение электронных пучков с энергией до 100 кэВ при давлениях вплоть до атмосферного [3, 4]. Наложение магнитного поля на такие разряды приводит к росту плотности тока разряда и изменению концентрации возбужденных атомов [5]. В связи с этим для более полного понимания физики процессов, протекающих в неравновесной и нестационарной плазме таких разрядов в магнитном поле, необходимы дальнейшие исследования этих разрядов. Обширную информацию о кинетике формирования разряда можно получить, исследуя его оптическое излучение и спектральные характеристики. Особое значение приобретают результаты таких исследований в условиях анизотропии плазмы, обусловленной внешним магнитным полем. Внешние магнитные поля по-разному влияют на оптические характеристики разряда. Во внешнем магнитном поле меняются электрокинетические характеристики, с одной стороны, разряда, а с другой стороны - контура спектральных линий из-за эффекта Зеемана [6].

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию влияния поперечного магнитного поля на интенсивности излучения спектральных линий и на релаксацию заселенностей возбужденных состояний атомов гелия в наносекунд-ном разряде в коротких межэлектродных промежутках

Условия эксперимента и его результаты

Исследуемый разряд нс длительности происходил в цилиндрических трубках с внутренним диаметром 1 см. Электроды полусферической формы диаметром

0,8 см, изготовленные из стали или алюминия, были расположены на расстоянии 0,4-1 см друг от друга. На разрядный промежуток подавались с частотой повторения 50 Гц импульсы напряжения регулируемой амплитуды 1^6 кВ со временем нарастания по фронту около 50 нс и длительностью на полувысоте 300 нс. Высоковольтные импульсы напряжения формировались с помощью ГИН, собранного по трансформаторной схеме. Внешнее магнитное поле создавалось с помощью выдвижения постоянных магнитов и имело напряженность H = 4 кЭ. Разрядный промежуток помещался между полюсами постоянного магнита с размерами, значительно превышающими размеры разрядного промежутка, что обеспечивало однородность магнитного поля. Параметры импульсов напряжения измерялись с помощью омического делителя напряжения с соответствующей коррекцией по высоким частотам, что обеспечивало полосу пропускания до 109 Гц. Для измерения разрядного тока последовательно разрядному промежутку включался шунт из малоиндуктивного сопротивления типа ТВО величиной Яш = 1 Ом. Для измерения интенсивных профилей спектральных линий использовался монохроматор МДР-3 и ФЭУ, согласованный с помощью эмиттерного повторителя на СВЧ-транзис-торах с 50-омным кабелем. В качестве регистрирующих приборов использовались двухканальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к ПК, и осциллограф Tektronix TDS 3032B. Синхронизация регистрирующей аппаратуры с исследуемым разрядом осуществлялась с помощью генератора Г5-54.

Были выполнены систематические экспериментальные исследования электрических, оптических и спектральных характеристик разряда в зависимости от величины прикладываемого к разрядному промежутку напряжения (U0) и давления газа (p) в камере. Исследования проводились в магнитном поле и без магнитного поля в гелии в диапазоне изменения давления газа 1^100 Торр.

Исследования зависимости амплитуд импульсов тока от давления газа при постоянном значении U0 показали, что повышение давления газа в диапазоне 1^30 Торр приводило к заметному увеличению тока, а в диапазоне давлений 30^100 Торр величина тока увеличивалась незначительно, причем относительное изменение амплитуды первого максимума тока было больше, чем второго. Для заданного давления газа увеличение значения U0 приводило к увеличению амплитудных значений токов. При давлениях газа 1^20 Торр наложение магнитного поля приводит к росту амплитуды тока примерно на 40 %, а в области больших давлений амплитуда тока растет на 5^10 % (рис. 1).

Из осциллограмм импульсов тока и напряжения были оценены плотности электронов в максимуме тока с использованием табличных значений дрейфовой скорости электронов [7]. Проведенные оценки показали, что в момент достижения

12 —3

второго максимума тока плотность электронов имеет величину ne = 6-10 см

13 _3

при H = 0 и ne = 10 см при Н = 4 кЭ, для случая p = 40 Торр и U0 = 3,2 кВ.

Экспериментальные исследования интенсивностей излучения спектральных линий Не1, начинающихся с уровней с главным квантовым числом n = 3, 4, 5 (наиболее подробно исследовались спектральные линии, соответствующие следующим переходам 33P — 23S (l = 388.9 нм); 43D — 23P (l = 447.1 нм); 31? — 21S (l = 501.6 нм); 33D — 23P (l = 587.6 нм); 41D — 21P (l = 492.2 нм), без магнитного поля и в поперечном магнитном поле показали, что величина интенсивности излучения спектральных линий зависит от давления газа в разрядной трубке, гео-

метрии разрядной трубки и конфигурации электродов, величины приложенного напряжения и наличия внешнего магнитного поля.

Типичные осциллограммы интенсивности излучения Не1 в магнитном поле и без него приведены на рис. 2. На осциллограммах излучения всех исследованных линий, как правило, наблюдались три характерных максимума (рис. 2). Для некоторых спектральных линий (1 = 492,1 нм, 1 = 587,6 нм и 1 = 447,1 нм) при определенных условиях в разряде амплитуда третьего максимума излучения была сравнима с амплитудами первых двух максимумов. Во всех исследованных условиях при высоких значениях приложенного напряжения (и0 > 3 кВ) с ростом давления газа интенсивность первого максимума излучения увеличивается. Для заданного давления газа при увеличении напряжения на разрядном промежутке интенсивности излучения проходят через максимум. Для спектральных линий с длинами волн 1 = 587,6 нм, 1 = 501,6 нм и 1 = 388,9 нм в магнитном поле интенсивность излучения больше, чем без магнитного поля, причем с уменьшением давления газа относительное изменение интенсивности при наложении магнитного поля растет.

Для спектральной линии Не1 с длиной волны 1 = 492,1 нм при больших давлениях газа p ~ 35^100 Торр интенсивность излучения в магнитном поле меньше, чем без магнитного поля.

Во всех исследованных условиях наложение магнитного поля приводит к росту интенсивности излучения в поздних стадиях разряда. При фиксированной амплитуде напряжения на зависимости интенсивности третьего максимума излучения от давления газа для спектральной линии 1 = 587,6 нм наблюдается ярко выраженный максимум приp ~ 50 Торр.

Следует также отметить, что при наложении магнитного поля происходит изменение структуры разряда, меняется соотношение между отдельными частями разряда. Особенно это было видно при давлениях газа p ~ 15^50 Торр, когда без магнитного поля толщина катодного темного пространства была порядка межэлектродного расстояния. Наложение магнитного поля приводит к уменьшению толщины катодного слоя и возникновению положительного столба разряда. При этом длительность первого максимума на импульсе излучения спектральных линий уменьшается на 30^70 нс.

Анализ экспериментальных результатов

Известно, что частота упругих столкновений электронов с атомами гелия не зависит от энергии при е > 5 эВ, что имеет место в стадии ионизационной релаксации наносекундного разряда. В таких условиях частота ионизации в магнитном поле зависит только от эффективного электрического поля [8]

Е E

4 л/Т+Л2'

т. е. У<£,И) = Ую(£эф), (1)

где ш = еИ/тс - циклотронная частота вращения электрона в магнитном поле, т - время свободного пробега электрона, У0(£) - частота ионизации в отсутствии магнитного поля. Определенная таким образом частота позволяет найти все характеристики ионизации в магнитном поле

а (Е, Н) = V г / т еЕ = а 0 (Еэф )л/Г+ со 2т 2

где а(Е, Н) - коэффициент ионизации в магнитном поле, те = те0/(1 + со2т 2) -подвижность электронов поперек магнитного поля.

V (Е, Н) = Е а (Е, Н) = Е ао (ЕЭф У1 + с 2т 2 = V (ЕЭф), где У(Е, Н) - разность потенциалов, проходимая электроном между двумя последовательными ионизациями в магнитном поле.

Вольт-амперная характеристика катодного слоя тлеющего разряда определяется уравнением Пуассона

^ = 4*- 7

ёх т ¡Е

и условием самоподдержания разряда. Если ускоренные электроны проходят область катодного падения потенциала (КПП) с длиной ё без столкновений и ионизация смещается в область слабого поля в квазинейтральную плазму, тогда условие самоподдержания разряда можно записать в следующем виде [9]

ЕАрТ. ГЕсХ ^

(1 + w —) ехр Н

V

0

=1+

7

где 7 и т1 - плотность тока и подвижность ионов, w - вероятность попадания на катод иона рожденного в квазинейтральной плазме, т{ = 1/ N0$ - время задержки

ионизации, у - коэффициент вторичной электронной эмиссии. Если при наложении магнитного поля величина КПП не меняется, то полученные выше соотношения позволяют установить соотношения подобия для катодного слоя в магнитном поле

' ' ,2_2 • • | /1 . ,,2 _2

ё = ё0 /л/1 + со2т2 , ] = 70(л/1 + сО2т2),

где ё0 иу0 - длина области КПП и плотность тока без магнитного поля. Эти соотношения подобия качественно объясняют полученные в работе экспериментальные результаты уменьшение длины катодного слоя и увеличение плотности тока разряда при наложении магнитного поля. В частности, при Н = 4 кЭ и р = 40 Торр получим со = 7-1010 с-1 и т = (9.6-1010)-1 с и увеличение плотности тока у в магнитном поле на 30 %, что согласуется с экспериментальным результатом (рис. 1).

На основании соотношения (1) процесс ионизационной релаксации в магнитном поле и без него может быть описан одними и теми же уравнениями с той лишь разницей, что в магнитном поле электрическое поле Е заменяется на Еэф, а подвижность электронов поперек магнитного поля т е = т е0/ (1 + со 2т2). Таким образом, в стадии ионизационной релаксации влияние магнитного поля на спектральные характеристики разряда можно описать через изменение кинетических коэффициентов электронов.

Нами было рассмотрено влияние внешнего магнитного поля на кинетику заселения возбужденных состояний атомов Не1 с главными квантовыми числами п = 2, 3 и 4 на заднем фронте импульса тока и в раннем послесвечении как в рамках ударно-радиационного приближения, так и с учетом процессов ассоциативной ионизации и диссоциативной рекомбинации. Анализ релаксационных процессов был проведен в рамках модифицированного диффузионного приближения (МДП) [10].

I, А

1, нс

Рис. 1. Осциллограмма начальных стадий импульса тока в гелии (1 - без магнитного поля; 2 - в магнитном поле) диаметр трубки 1 см, р = 40 Торр, и0 = 3.2 кВ

На основе МДП-приближения была численно моделирована динамика релаксации возбужденных состояний атомов гелия с п = 3, 4 и динамика релаксации средней энергии электронов на заднем фронте импульса тока. Результаты расчета заселенностей возбужденных состояний атомов показали, что при одинаковых начальных концентрациях электронов и начальной средней энергии электронов, в процессе релаксации электронной компоненты, за первые 120 нс концентрация возбужденных- атомов на уровнях с п = 3, без магнитного поля, плавно уменьшается с 10 см- до 10 см- и в дальнейшем до 200 нс остается постоянной. Наложение внешнего магнитного поля за первые 50 нс приводит к резкому снижению концентрации до 108 см-3, что почти на два порядка меньше чем без магнитного поля, затем к небольшому росту и при 120 нс плотность возбужденных атомов в магнитном поле уже на порядок больше чем без магнитного поля (рис. 4 а). Полученные результаты качественно согласуются с осциллограммами излучения спектральных линий (рис. 2), где в магнитном поле наблюдается резкий спад интенсивности излучения после первого максимума излучения и появление максимума излучения на поздних стадиях разрядного тока. Характер поведения концентрации возбужденных атомов на уровнях с п = 4 в магнитном поле и без магнитного поля остается такой же, как на уровнях с п = 3, но концентрация на порядок меньше (рис. 4 б). Результаты расчета так же показали, что в магнитном поле существенно уменьшается время релаксации средней энергии электронов. При этом за счет релаксации средней энергии электронов значение энергии «узкого места» меняется от 1,4 эВ в начале импульса тока до 0.6 эВ на заднем фронте импульса тока (рис. 5). Энергия связи для блока уровней гелия с п = 3 порядка 1,6 эВ, а для п = 4-0,85 эВ. Из результатов расчета видно, что в процессе релаксации энергии электронов наблюдается переход узкого места через уровни с п = 4, т. е. меняется механизм заселения этих уровней. По-видимому, с этим и связано изменение характера поведения интенсивности излучения на длине волны 1 = 492,1 нм в магнитном поле. Известно [10], что уровни, расположенные выше «узкого места» на-

ходятся в равновесии с континуумом, поэтому температурная зависимость их за-селенностей иная, чем для уровней расположенных ниже узкого места.

и,отн.ед.

Рис. 2. Осциллограммы импульсов излучения Не1: 1 = 587,5 нм, р = 40 Торр, и0 = 3,2 кВ. 1 - Н = 4 кЭ; 2 - Н = 0

ж

П1

п,

П

Н I—-1 н

я

23

3

Н-

ь \

я

34

I

л Ь

УеУ"

К

4е

я,

I

Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема заселения возбужденных состояний атомов Не1

t,HC

а)

-3

п„,см

4

t,HC

б)

Рис. 4. Зависимость концентрации возбужденных атомов HeI на блоке уровней с n = 3 а) и n = 4 б) от времени при давлении p = 20 Тор, начальной температуре электронов Те = 50000 К. Началь-

12 _3 12 _3

ная концентрация электронов ne: 1 _ ne = 1-10 см , Н = 0; 2 _ ne = 5-10 см , Н = 0;

3 _ ne = 1-1013 см_3 , Н = 0; 4 _ ne = 1-1013 см_3 , Н = 4000 Э

Е ,эВ

г'

г

0,6

0,9-

1,2-

0

40

80

120

160

200

^нс

Рис. 5. Зависимость энергии узкого места от времени в процессе релаксации средней энергии электронов в гелии. Начальная температура электронов Те = 50000 К. 1 - р = 20 Торр; пе = 5-1012 см3; Н = 4000 Э; 2 - р = 20 Торр; пе = 5-1012 см-3; Н = 0

Результаты расчета показывают, что наложение внешнего поперечного магнитного поля приводит к уменьшению средней энергии электронов. Кроме того, из-за задержки прохождения электронами области усиленного поля в поперечном магнитном поле растет число ионизаций в катодном слое, т. е. растет плотность электронов. Таким образом, в рассматриваемых условиях рост интенсивности спектральных линий при наложении магнитного поля в разряде в значительной степени определяется также и процессами в катодном слое. Рост заселенностей возбужденных состояний атомов в раннем послесвечении связан с увеличением коэффициента диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов гелия при снижении Те в поперечном магнитном поле.

Полученные в работе экспериментальные результаты, результаты расчетов, их сопоставление и анализ позволяют сделать следующие выводы:

1. Наложение поперечного магнитного поля на исследуемый нс разряд приводит к уменьшению толщины катодного слоя и увеличению плотности разрядного тока.

2. В магнитном поле интенсивности излучения некоторых спектральных линий Не1 изменяются более чем в два раза, при чем с увеличением параметра Е/р относительное изменение интенсивности излучения растет. При этом характер изменения интенсивности излучения спектральных линий в магнитном поле зависит от расположения энергетических уровней относительно «узкого места».

3. На поздних стадиях разряда при наложении магнитного поля на всех исследованных спектральных линиях наблюдается рост интенсивности излучения. Это связано с быстрым уменьшением средней энергии электронов при наложении магнитного поля и со смещением рекомбинационного максимума излучения к

Выводы

концу импульса тока.

4. Внешнее магнитное поле позволяет существенно увеличить мощность излучения разряда и управлять спектральным распределением излучения разряда.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, РФФИ, проект 10-02-01022-а.

Литература

1. Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новиков А.А., Шантурин Л.П. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -С. 37-137.

2. Орешкин В.Ф., Серегин А.М., Синайский В.В. и др. // Квантовая электроника. 2003. 33. № 12. - С. 1043-1046.

3. Бабич Л.П, Лойко Т.В., Цукерман В.А. // УФН. 1990. 160. № 7. - С. 49-82.

4. Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И. // УФН. 2004. 174. № 9. - С. 953-971.

5. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Омаров О.А., Таибов К.Т. // Известия РАН. Сер. физическая. 2000. 64. № 7. - С. 1355-1362.

6. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. - М.: Наука, 1977. -С. 70-103.

7. Физические величины / Под ред. Н.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 430-437.

8. Голант В.Г., Жилинский А.П., Сахаров С.А. Основы физики плазмы. - М.: Атомиздат, 1977. - С. 268-318.

9. Мойжес Б.Я., Немчинский В.А. // ЖТФ. 1990. № 4. - С. 83-87.

10. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. - М.: Наука, 1982. - С. 114-157.