1.2.1. Понятие плазмы газового разряда

Под плазмой принято понимать частично или полностью ионизированное квазинейтральное газообразное вещество, размеры которого существенно превышают радиус Дебая.

Радиусом Дебая называют характерный размер, на котором происходит экранирование внешнего электрического заряда и где электрическая нейтральность плазмы может нарушаться. Радиус Дебая определяется формулой:

,

T-температура электронов, выраженная в эВ,

n - концентрация электронов, выраженная в см-З,

k — постоянная Больцмана,

e - заряд электрона,

г — радиус Дебая, выраженный в см.

Газовый разряд (ГР) — это совокупность физических явлений (электрических, магнитных, тепловых, оптических и т.д.), сопровождающихся протеканием электрического тока через газоразрядное вещество. Эти физические явления чрезвычайно разнообразны, т.к. в ГР очень много параметров, которые могут изменяться, и очень много различных элементарных процессов, которые могут протекать.

1. Параметры — состав газа, давление, геометрия разрядного пространства, частота внешнего поля, сила тока и т.д.

2. Элементарные процессы — возбуждение и ионизация атомов и молекул, рекомбинация, удары второго рода, перезарядка и т.д.

Многие характеристики элементарных процессов не имеют аналитического описания, а определяются экспериментально, что делает невозможным построение единой количественной теории газового разряда во всех его проявлениях. Однако качественную картину этих процессов дать можно, если рассмотреть их как отдельные явления, а в ряде частных случаев можно дать и количественную теорию.

1.2.2. Основные элементарные процессы в плазме гр

Их много. Но нас будут интересовать те из них, которые существенны в ГЛ. Это прежде всего столкновительные процессы и поверхностные.

Упругие столкновения — это такие столкновения, при которых выполняется закон сохранения количества движения. Здесь внутренняя энергия сталкивающихся частиц не изменяется, т.е. нет переходов у них по уровням. Есть только перераспределение кинетической энергии между частицами. К упругим столкновениям относятся:

1. Столкновения медленных зарядов с нейтральными атомами:

е+А е+А ,

А+В А+В .

2. Перезарядка:

А +А А +А

Неупругие столкновения. К ним относят столкновения, при которых закон сохранения количества движения не выполняется. Их спектр богаче. Поэтому рассмотрим только самые важные с точки зрения ГЛ процессы.

1. Возбуждение частиц. Здесь часть суммарной кинетической энергии частиц переходит во внутреннюю энергию какой-либо одной частицы, т.е. за счет кинетической энергии частица переходит из одного состояния в другое (с одного уровня на другой). Яркий пример — это электронный удар

е+А е+А .

Здесь (*) означает, что частица А находится в возбужденном состоянии. При этом кинетическая энергия электрона должна превышать энергию перехода частицы с уровня энергии E на уровень энергии E равную E - E = h , где — частота перехода.

2. Тушение возбуждения. Это обратный процесс перехода возбужденной частицы в свое первоначальное (основное) состояние. Тушение может произойти в результате спонтанного перехода, либо раньше, чем состоится спонтанный переход, например, в результате столкновения с тяжелой частицей

А +В А+В

или электроном

А + е А+ е .

Эти процессы называются процессами столкновительной релаксации.

3. Обмен возбуждением. В случае, подобном столкновительной релаксации, может произойти передача возбуждения по схеме

А +В А+В .

Чем соизмеримее энергии возбуждения сталкивающихся частиц, тем вероятнее этот обмен.

4. Проводимость разряда улучшается, если увеличивается ионизация:

Ионизация электронным ударом:

е + А→А +е +е –прямая ионизация,

е + А→А + е; е + А →А + 2е - ступенчатая ионизация.

Фотоионизация:

А + →А + е - прямая фотоионизация,

А+ → А ; А + →А +е - ступенчатая фотоионизация.

Ионизация Пеннинга:

А+B →А +B + е - нерезонансный процесс.

5. Рекомбинация зарядов в разряде. Таких процессов много. Например:

столкновение электронов с ионами:

столкновение ионов с ионами:

6. В ГЛ с электроотрицательными примесями, т.е. с газами, атомы или молекулы которых легко забирают чужие электроны на свои внешние оболочки и тем самым заряжаются отрицательно, процессы столкновения играют большую роль и называются прилипанием электрона. Эти примеси как бы вылавливают из плазмы электроны, тем самым уменьшая ток (не заряд, а ток, т.к. ионы движутся медленнее электронов и можно считать, что dq/dt уменьшается):

А + е → А + ,

А + 2e→А + е .

7. При столкновениях электроотрицательных примесей с атомом, фотоном или электронами прилипшие электроны могут отлипнуть. Эти процессы называются отлипанием электронов:

Поверхностные процессы — это такие процессы, которые протекают на поверхности электродов и сосудов (содержащих газ):

γ— процесс: эмиссия электронов из катода под действием бомбардировки положительными ионами;

Фотоэффект;

Термоэмиссия электронов из катода (при его нагревании);

Автоэлектронная эмиссия электронов из катода (их вырывание в сильном внешнем поле);

Рекомбинация ионов на поверхности;

Тушение возбужденных частиц на поверхности.

Процессы, протекающие при столкновениях, играют особенно важную роль в ГЛ, т.к. именно они обеспечивают получение инверсии населенностей на лазерном переходе.