Файл: Малкин, О. А. Импульсный ток и релаксация в газе.pdf

Последний член описывает потерю энергии из-за непрерыв­ ного излучения. Оценим величины членов уравнения. Ле­

гии можно рассчитать, принимая для водорода в условиях опыта DaM « 6 • 103 — 6 ■ ІО2 см2 • сек-1 соответствен­ но для начала и конца распада водородной плазмы. Исходя

Рис. 6.17. Температурная зависимость коэффици­ ента рекомбинации водородоподобных ионов НеІІІ:

из измерений радиального распределения концентрации

дает для квазистационарных параметров плазмы водорода величину ~ ІО9 °К-сек-1, поэтому вклад излучения необ­ ходимо учитывать. Оценка сверху для Те > 7\- передачи энергии при упругих соударениях электронов с ионами дает значение 101S— 101а °К-сек~1. Неупругие соударения электронов с атомами водорода также для Те > Та приво­ дят к передаче энергии порядка 1011 ° К • сек-1 (доля пе-

258

редаваемой энергии 6еа принята равной 0,1). Таким образом, упругие и неупругие соударения электронов в состоянии обеспечить наблюдаемую скорость изменения температуры.

можно предположить, что температура электронов во время распада плазмы успевает «подстраиваться» к температуре тяжелых частиц. Поэтому следует ожидать весьма малого различия между Те и Тт. Полученный результат подтвер­ ждает справедливость метода определения концентрации тяжелых частиц и общего давления плазмы (см. § 1.4).

Исходя из общего подхода к сравнительной оценке раз­ личных элементарных процессов в неравновесной низкотем­ пературной плазме, рекомендуемой теорией МДП [279—281], распространим анализ, проведенный выше для распадаю­ щейся водородной плазмы, на другие исследуемые газы. Оценим положение нижней границы узкого места, а также энергии где сравниваются интенсивности столкновительных и излучательных процессов, для различных момен­ тов распада плазмы гелия. В начальный момент плазма со­ стоит из первых ионов Hell, атомов НеІ и электронов. Реком­ бинирующие электроны попадают на энергетические уров­ ни атома гелия. По данным измерений пе (t) и Т е (t) (см. рис. 6.13, б) легко оценить, что в течение всего распада уз­ кое место будет находиться между основным и резонансным уровнями НеІ (за исключением последних стадий при > 50 мксек, когда Тс ^ 104° К). Интенсивности столкно-

вительных и излучательных процессов сравнимы между уровнями с к = 2 и 3. Это означает, что коэффициенты реком­ бинации и ионизации гелия определены лишь переходами 2 -г-1 и подобно распаду водорода их надо рассчитывать по формулам (5.33) и (5.35). Время пребывания рекомбини­ рующих электронов на уровнях с к 3 пренебрежимо мало по сравнению с характерным временем переходов с резонан­ сного уровня в основное состояние. Излучение в принципе должно влиять и на скорость рекомбинации, ускоряя ее за счет резонансных переходов. Однако малая степень иониза­ ции гелия даже при высоких температурах в начале распада обеспечивает интенсивное самопоглощение резонансного из­

259

мимо самопоглощеиия можно объяснить обеднение заселен­

рыва тока. Затем узкое место перемещается в область уров­ ней с к > 4 II из-за сильной связи нижних уровней с Щ' > > с основным состоянием атома гелия НеІ инверсия исчезает, а место с резким изменением пк переходит за уровень к = 5. Таким образом, измеренное распределе­ ние заселенностей уровней НеІ при распаде получает полу­ количественное объяснение на основе метода МДП. Отметим в заключение, что вывод о сходстве протекания распада во­ дорода и гелия, сделанный выше из теоретических оценок, подтверждается аналогией в измеренных распределениях заселенностей уровней водорода и гелия (см. рис. 4.8 и 4.10).

В отличие от водорода и гелия, у которых рекомбинация электронов происходит на возбужденные уровни атомов, в плазме азота и аргона рекомбинирующие электроны попа­ дают на уровни первых ионов N11 н Aril по крайней мере в первой половине процесса распада до / ^ 2 0 мксек. Распо­ ложение термов указанных ионов характеризуется тем, что резонансный терм находится близ середины энергетическо­ го расстояния до границы ионизации. Разумеется, абсо­ лютные величины энергии значительно больше, чем у

узкого места уже при квазистацнонарном режиме находится при <Е'п іо?- Интенсивное самопоглощение резонансных линий нона N11 позволяет ему находиться в состоянии ЛТР. Для иона АгІІ, по-видимому, самопоглощеиия недостаточ­ но для перевода в ЛТР, так как анализ, проведенный в § 4.2, показал отсутствие ЛТР у АгІІ из-за перезаселенности ос­

жение места равных интенсивностей излучательных и

нями ионов N11 и АгІІ это место попадает между k0[M, ~ « 2 и 3 в самом начале распада, а затем перемещается к уровням с /сЭ([)ф = 3 и.4. Увеличение роли излучательных пе­ реходов с нижних уровней приводит к выравниванию их

260

заселенностей и уменьшению последних по сравнению с рав­ новесными. В распределении заселенностей уровней первого иона появляется излом, блок уровней с континуумом со­ кращается, его нижняя граница поднимается выше. Это и служит качественным объяснением наблюдаемой нами ди­ намики населенностей уровней N11 и АгІІ (см. рис. 6.14). К сожалению, количественный анализ элементарных про­ цессов при распаде плазмы ионов азота и аргона пока невоз­ можен из-за отсутствия сечений столкновительных перехо­ дов между уровнями ионов.

§ 6.5. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ КИНЕТИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ

На основании анализа полученных экспериментальных и расчетных данных можно представить себе общую картину кинетики элементарных процессов в низкотемпературной плазме при различных концентрациях заряженных частиц. Если степень ионизации газа превышает величину ІО-6 — 10~Б, наиболее важными становятся столкновнтельные про­ цессы с участием электронов — возбуждение, ионизация и дезактивация электронным ударом. Рекомбинация же в слабопонизованной плазме в большинстве случаев осу­ ществляется через канал диссоциативной рекомбинации. Вследствие большого коэффициента скорости этого процес­ са, а также заметного количества молекулярных ионов, соизмеримого с концентрацией электронов, такой вид рекомбинации в состоянии обеспечить высокую интенсив­ ность обеднения континуума электронов. Из-за относитель­ но низкой частоты соударений электронов друг с другом по сравнению с частотой неупругих столкновений их с осталь­ ными компонентами плазмы устанавливается стационарная неравновесная функция распределения, снижающая интен­ сивность возбуждения и ионизации. При низкой концентра­ ции электронов излучательные процессы превалируют над столкновительными при переходах между нижними и сред­ ними возбужденными уровнями. Вследствие слабой связи уровнен с континуумом из-за малой частоты соударений электронов с атомами распределение заселенностей уровней характеризуется неэффективной температурой электронов, а значительно меньшей величиной, определяемой соотноше­ нием интенсивностей столкновительных и излучательных процессов при переходах между возбужденными уровнями. Указанные элементарные процессы контролируют заселен-

261

ности уровней и континуума как в стационарном, так и релаксирующем состояниях. Однако при релаксации вслед­ ствие различных интенсивностей ионизации и рекомбинации может возникнуть инверсная заселенность уровней.

По мере увеличения степени ионизации растет интенсив­ ность столкновительных процессов, а область соизмеримо­ го влияния излучения перемещается сначала на более низ­ кие уровни, а затем в область между резонансным уровнем и основным состоянием. Теперь роль излучательных про­ цессов во многом зависит от степени самопоглощения резо­ нансного излучения. Из-за больших сил осцилляторов резо­ нансных линий самопоглощение этих линий существенно даже в разреженном газе. Интенсивность самопоглощения, однако, сильно зависит от плотности поглощающих частиц, находящихся в основном состоянии соответствующей ступени ионизации. При большой степени ионизации из-за снижения заселенностей основных состояний низших ступе­ ней ионизации интенсивность самопоглощения резонансного излучения может стать малой, и плазма будет оптически прозрачной. Характерным примером, исследованным в на­ стоящей работе, является плазма сильпопонпзовапного во­ дорода. В плазме со степенью ионизации, соизмеримой с единицей, превалирующее значение приобретают столкновительные процессы, определяющие переходы как между уровнями, так и между ними и континуумом (ступенчатая ионизация ударом электронов и трехчастпчная рекомбина­ ция). Поэтому верхние и средние уровни начинают харак­ теризоваться равновесием Больцмана — Саха с контину­ умом — реализуется частичное локальное термодина­ мическое равновесие. И лишь заселенность нижних уровней, а при росте концентрации электронов — только резонансного уровня иона данной кратности ионизации, кон­ тролируется необратимыми излучательными процессами, препятствующими наступлению полного ЛТР. Только при весьма высоких плотностях электронов интенсивность стол­ кновительных процессов будет больше, чем излучательных, даже для переходов между основным и резонансным уровня­ ми. Наступает полное ЛТР, однако лишь для данной сту­ пени ионизации.

Для ионов более высокой кратности вследствие увели­ чения энергетического расстояния между уровнями влия­ ние излучения относительно увеличивается, а реализация ЛТР — затягивается. Подобное положение наблюдалось нами в сильноионизованной плазме азота и аргона. Интерес-

262