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.

Понятие устойчивости ГР

Одним из основных требований, предъявляемых к любому способу накачки лазеров, является то, что накачка должна быть однородной, а в случае непрерывной генерации и стабильной во времени. В случае ГР это означает, что плазма должна быть и однородной в пространстве, и устойчивой (стабильной) во времени.

Однако ясно, что в плазме всегда присутствуют флуктуации ее параметров (давление, температура, ток, напряжение и т.д.). В определенных случаях эти флуктуации могут нарастать необратимым образом. Такие ситуации называют неустойчивыми состояниями плазмы. Они характеризуются неоднородным распределением в пространстве ее параметров, а значит, снижают предельные энергетические и пространственных характеристики лазеров.

Таким образом, для того, чтобы использовать тот или иной разряд в качестве накачки р рабочей среды ГЛ, необходимо сделать так, чтобы ее плазма была устойчивой по многим параметрам, т.е. при малом случайном изменении этих параметров они опять возвращались к своим прежним значениям.

Проиллюстрируем это на примерах устойчивости плазмы, в котором флуктуирующим параметром является концентрация электронов.

Пример 1

Пусть для описания изменения во времени концентрации электронов плазмы применимо уравнение баланса самого общего вида

(1.2)

где — скорости рождения и гибели электронов соответственно. И пусть зависимости имеют графики, представленные на рис. 1

0 n

Рис. 1 рис. 2

Стационарному состоянию плазмы здесь отвечает равенство z = z , т.е. точка а пересечения этих графиков. При случайном отклонении n от n например, при ее уменьшении до значения n , скорость рождения электронов z становится меньше скорости их гибели z , и в плазме начинается необратимое уменьшение n . Если n случайно увеличивается относительно равновесного значения, то рождение электронов начнет преобладать и число электронов начнет необратимо увеличиваться. Таким образом, в рассматриваемом случае плазма является неустойчивой в точке а. Причем ход зависимостей z ,z вообще не важен, а важно только их взаимное соотношение. Ведь плазма будет неустойчивой и в случае, представленном, например, на рис. 2.

Пусть теперь зависимости z (n ) = z (n ), имеют другой вид (рис. 3):

Рис. 3 Рис. 4

Теперь при случайном и малом отклонении величины и, от равновесного значения она будет возвращаться к нему, что нетрудно видеть из аналогичных рассуждений.

Таким образом, можно записать условие устойчивости плазмы по параметру концентрации электронов в следующем виде:

(1.3)

Понятно, что почти всякий элементарный процесс имеет свой противоположный процесс: возбуждение-тушение; ионизация-рекомбинация и т.д. В каждой такой паре один из

процессов стабилизирует, а другой дестабилизирует плазму. Рассмотрим это на примере пары ионизация-рекомбинация.

Пример 2

Рассмотрим два процесса ионизацию и рекомбинацию. Процесс ионизации описывается зависимостью

z =k n n ~n , (1.4)

а процесс рекомбинации -

z =k n n ~n , (1.5)

где k , и k — соответственно скорости ионизации и рекомбинации, а n — равновесное значение концентрации электронов. Точка а - точка устойчивости плазмы (рис. 4). При этом ионизация дестабилизирует плазму (т.е. увеличивает концентрацию), а рекомбинация стабилизирует, т.к. увеличивает z в области справа от равновесной точки.

Пример 3

Балластное сопротивление, включенное в электрическую цепь разряда (рис. 5), тоже стабилизирует плазму. Действительно, пусть концентрация электронов в плазме разряда возрастает, вследствие чего ток I в цепи разряда тоже возрастает. Так как по второму закону Кирхгофа, составленному для данной цепи,

E = U + R I (1.6)

то напряжение на разрядном промежутке при этом уменьшается. В результате энергия электронов, которая равна eU ,падает, и они начинают в меньшей степени ионизировать атомы газа, от чего концентрация электронов в плазме уменьшается. Если это уменьшение будет ниже равновесного значения, то ток в цепи тоже уменьшится, а U увеличится. В результате электроны начнут сильнее разгоняться и в большей степени ионизировать атомы, и концентрация электронов возрастет до прежнего значения. Такие циклы могут повторяться многократно.

рис.5