CC BY
32
УДК 533.9 ББК 22.333
ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТЕПЕНЬ РАДИАЛЬНОГО КАТАФОРЕЗА В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ Не-Хе СМЕСИ
Шайхитдинов Р.З.*
Экспериментальным путем показано, что магнитное поле существенно уменьшает степень радиального разделения смеси газов. При относительно малых давлениях газа и разрядных токах наблюдается аномальный рост степени радиального катафореза.
Известно, что в газоразрядной плазме в бинарных смесях газов с различными потенциалами ионизации наблюдается явление радиального катафореза [1]. Суть данного явления заключается в переносе примеси в виде ионов к стенкам разрядной трубки. где они, нейтрализуясь, создают область повышенной плотности атомов, обедняя тем самым ее приосевую область, где наиболее интенсивно происходят процессы возбуждения и ионизации атомов. В результате этого явления концентрация атомов примесного газа в центральной части разряда может до порядка величины отличаться от концентрации в пристеночной области. Это приводит к уменьшению КПД газоразрядных приборов, работающих на смесях газов, к примеру, лазеров [2] и люминесцентных ламп [3]. Пространственное перераспределение атомов примеси создает также определенные трудности, связанные с необходимостью измерения локальной концентрации атомов, при изучении процессов, протекающих в бинарных смесях. В связи с этим представляет интерес изучение радиального катафореза и разработка способов, позволяющих управлять радиальным рас пределением атомов в смесях газов.
В данной работе для этой цели предлагается поместить плазму в однородное продольное магнитное поле. Наложение продольного магнитного поля затрудняет амбиполярную диффузию заряженных частиц, в том числе и ионов примеси, к стенкам разрядной трубки, что должно привести к уменьшению радиального перераспределения атомов Хе. В связи с тем, что резонансные линии атомов инертных газов в вакуумно-ультрафиолетовой ВУФ области спектра, непосредственное измерение концентрации атомов методом поглощения резонансных спектральных линий представляет сложную техническую задачу. Поэтому в настоящей работе радиальный ход концентрации атомов Хе восстанавливался по измеренному поперечному распределению концентрации ионов ксенона, которое определялось по методике [4], основанной на теории ионного тока на цилиндрический зонд.
Радиальный профиль концентрации атомов примеси, как показано в [5], можно представить в виде
Пг)= п(0) (|+а- г2 +Ъ- г4) (1)
Подстановка (1) в уравнение баланса для атомов и ионов примеси с учетом ионизации атомов Хе электронным ударом из основного состояния и пеннинговской ионизации метастабильными атомами гелия в случае бесселевско-го рас пределения концентрации электронов по сечению трубки дает радиальный ход концентрации ионов ксенона:
п+ (г) = 0,69- —■ п(0)-----—------6 + 2- Ъ- Г2)
— — + —
а ^ 0 + ^ 2
а , а , 2 ч к ■ пе (0)
где а = — , Ъ =------(а — 2,4 ), а =------------, к - суммарная постоянная скорости ионизации атомов Хе
4 64 —
электронным ударом из основного состояния и реакции Пеннинга, пе (0) -концентрация электронов на оси трубки, — и —а -коэффициенты диффузии атомов ксенона и амбиполярной диффузии ионов примеси в гелии, —0 и — 2 -
функции Бесселя первого рода нулевого и второго порядков. Из последнего выражения следует, что вид радиального распределения концентрации ионов зависит от параметра а , который, в свою очередь, характеризует степень радиального разделения атомов примеси. С ростом а , т.е. с возрастанием величины радиального градиента концентрации атомов примесного газа, профиль п+ (г) постепенно уширяется и при а > 10 максимум в радиальном
распределении ионов ксенона смещается ближе к стенкам разрядной трубки. Такое перераспределение концентрации ионов в условиях разделения компонентов смеси экспериментально обнаружено в [6] и обусловлено тем, что из-за обеднения приосевой части разряда атомами примеси ионизация их происходит преимущественно в пристеночной области. При этом эффективная диффузионная длина Л эф , определяемая расстоянием между максимумом
в рас пределении п+ (г) и стенкой трубки, может служить количественной характеристикой сте пени радиального разделения компонентов смеси.
Шайхитдинов Рамиль Зайниевич — доцент кафедры ОФ физическог о факультета БашГУ
Вестник Башкирского университета.2004.№1.
17
Измерения проводились в разрядной трубке диаметром 1,5 см и длиной 60 см с использованием подвижных цилиндрических зондов. Трубка помещалась на оси соленоида, который позволял получать однородное продольное магнитное поле до 75 мТл на участке 0.02 м вдоль трубки, где располагались зонды.
На рис.1 сплошными кривыми приведены измеренные радиальные профили концентрации ионов ксенона, а пунктирными - соответствующие им рассчитанные по формуле (1) распределения атомов примеси при давлении гелия 133 Па, ксенона - 0,13 Па и разрядном токе 30 мА для различных значений индукции магнитного поля В, мТл: 1 - 0, 2 - 30, 3 - 60. Параметр а , необходимый для расчета, находился из выражения (2) путем сопоставлений рассчитанного и экспериментально полученного распределений концентрации ионов п+ (г). Видно, что в отсутствие магнитного поля измеренное распределение концентрации ионов ксенона (кривая 1) сильно отличается от распределения, описываемого функцией Бесселя. При этом, как показывают результаты расчетов по формуле (1), приосевая область разряда обеднена атомами ксенона. С увеличением индукции магнитного поля профиль концентрации ионов ксенона становится все ближе к бесселевскому, т.е. происходит возрастание Л эф , что указывает на
уменьшение степени радиального разделения примеси.
Эффект подавления радиального катафореза при наложении магнитного поля наблюдался нами и при других параметрах разряда, причем, при относительно низких давлениях гелия и разрядных токах, как показывают измерения, возрастание индукции магнитного поля от 0 до некоторого ее значения сначала приводит к увеличению радиального разделения компонентов смеси, после чего при дальнейшем возрастании В степень перераспределения атомов Хе уменьшается. Для примера на рис.2 приводится зависимость Л эф , нормированной к радиусу трубки И,
при различных разрядных токах Iр , мА: 1 - 15, 2 - 30. 3 - 45. Как видно, при малых разрядных токах увеличение
индукции магнитного поля, начиная с нулевого значения, приводит к росту радиального разделения компонентов смеси (кривые 1и 2).
Такая зависимость Л эф от В объясняется конкуренцией двух процессов, влияющих на степень разделения
смеси при увеличении магнитного поля: с одной стороны, происходит уменьшение средней энергии электронов, в результате чего доля ионов легкоионизуемой примеси в разряде возрастает, причем, тем резче, чем меньше давление гелия и разрядный ток, а с другой - затруднение амбиполярной диффузии заряженных частиц. Поэтому в этих условиях разряда, несмотря на то, что общий поток положительных ионов к стенкам при увеличении магнитного поля уменьшается, поток ионов ксенона возрастает.
Таким образом, по измерению радиального хода концентрации ионов ксенона изучено влияние продольного магнитного поля на радиальное распределение атомов примесного газа. Показана возможность управления степенью радиального катафореза (уменьшение или увеличение ее) в зависимости от условий разряда и индукции магнитного поля.
Рис. 2
ЛИТЕРАТУРА
1. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. Москва: Наука, 1977. С.453-455.
2. Справочник по лазерам. 4.2 / Под ред. Прохорова А.М. Москва: Советское Радио, 1978. С.41.
3. Вальшин А.М., Латыпов Д.Г., Шайхитдинов Р.З. // Тез. докл. Международная научно-техническая конференция
"Проблемы и прикладные вопросы физики". Саранск 1997. С.98-99.
4. Вавилин Е.И., Вагнер С.Д., Платонов Ф.С. // Ученые записки Новгородского гос. пед. института. Вопросы физи-
ки. 1966. Т.9. С.56-67.
5. Kazufumi W., Shinzi W., Takeki S. // J. Appl. Phys. 1981. V.52. №5. Р.3255-3258.
6. Девятов А.М., Шибков В.М., Шибкова Л.В. // Contrib. Plasma Phys. 1986. V.26. №1, Р.37-51.
Поступила в редакцию 19.03.04 г.
