Модель процесса возбуждения газовой смеси (углекислый газ-азот-гелий) на основе потока электронов.

     Модель  процесса возбуждения  газовой смеси (углекислый газ-азот-гелий) на основе потока электронов. 

     Модель процесса возбуждения газовой смеси в электрическом разряде подразумевает применение в качестве источника накачки тлеющий разряд. Характерными признаками такого разряда являются невысокие значения давления газовой смеси порядка 1-10 Торр. Это предопределяет относительно низкую концентрацию активных центров 10¹⁵-10¹⁶ см^-3 и соответственно невысокие значения выходной мощности излучения. Повышение концентрации активных центров весьма желательно для увеличения мощности излучения, высвечиваемого единицей объема активной среды.

     Однако  повышению давления, как показано в [1-7] при таких схемах обеспечения разряда препятствуют два обстоятельства. Во-первых, при повышении давления до нескольких десятков мм рт. ст. самостоятельный разряд оказывается практически непригодным для возбуждения сколь -либо больших объемов газа: разряд становится неустойчивым, «шнуруется», идет вдоль стенок, не охватывает внутренней области газоразрядной трубки. Во-вторых, необходимость обеспечения оптимального с точки зрения возбуждения нужных колебательных уровней, отношения требует соответствующего увеличения напряженности поля при повышении давления . Это, в свою очередь, приводит к увеличению плотности электронной составляющей плазмы разряда. Переизбыток электронов является отрицательным фактором, так как при этом растет эффективность так называемых «тушащих» столкновений (в частности, столкновений, приводящих к девозбуждению верхних и возбуждению нижних рабочих уровней).

     Проблему  повышения давления газовой смеси  и обеспечения в ней разряда  позволит решить электроионизационный метод накачки [3,7]. В данном методе накачки самостоятельный электрический разряд вообще не используется. Для получения быстрых электронов, способных эффективно возбуждать активные центры, используют ионизирующее излучение в сочетании с внешним электрическим полем.

     Для разрабатываемого источника некогерентного излучения возможно применение следующих методов ионизации рабочей среды [1-7]:

     1. Ионизация пучком электронов, инжектируемых  в область разряда через тонкую  фольгу, разделяющую газовую смесь  и ускоритель заряженных частиц.

     2. Предыонизация вспомогательным разрядом, осуществляемым в приэлектродной области основного разрядного промежутка с использованием рабочей поверхности одного из электродов основного разряда.

     3. Предыонизация УФ-излучением вспомогательного  разряда, осуществляемого вне  объемов основного разрядного промежутка.

     Ионизирующее  излучение порождает в активной среде свободные электроны, а  электрическое поле ускоряет их. Дальнейшие процессы протекают фактически так  же, как и случае применения тлеющего разряда: быстрые электроны возбуждают определенные молекулы, что при соответствующих условиях приводит к возникновению инверсии [9]. На рисунке 1 приведена схема, поясняющая электроионизационный метод накачки источника некогерентного излучения.

      Электроионизационный  метод накачки позволяет осуществлять достаточно эффективное (с КПД до 30%) прямое преобразование энергии электрического поля в энергию оптического излучения [1-7].

      Для данного вида накачки можно выделить два случая ввода энергии в  активную среду, различающихся своей  динамикой [1-7].

     Случай  № 1. Нестационарный режим ввод энергии в активную среду.

     В данном случае длительность существования  разряда зависти не от плотности  пучка электронов и его длительности ( с), а от интенсивности рекомбинации электронов в плазме разряда. Основной ввод энергии осуществляется после прекращения действия внешнего ионизатора и за время, значительно превышающее длительность пучка. 

Рисунок 1.- Схема накачки источника с помощью ионизирующего

      излучения.

1 —  рабочий объем (он заштрихован), 2 — «глухое» зеркало, 3 — ионизирующее  излучение, 4 — электроды, на которые  подается электрическое напряжение, 5 — выходное излучение. 

     Предположим, что в активную среду инжектируется  пучок электронов с плотностью тока и длительностью импульса с. Тогда в последней к моменту окончания импульса создается плотность свободных электронов

      ,    (1) 

где - концентрация молекул газа, -давление газа, -постоянная Больцмана, - температура газа, -заряд электрона, - среднее сечение ионизации электронами пучка.

     Изменение концентрации электронов в активной среде  после прекращения действия внешнего ионизатора будет подчиняться  закону

,                                                   \* MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT (2)

где - коэффициент рекомбинации.

     Решая (2), получаем зависимость концентрации электронов в газовой среде после окончания действия внешнего ионизатора от времени

      .                                            (3)

     Для плотности тока в цепи справедливо  выражение

      ,                                             (4)

где - подвижность электронов, - напряженность электрического поля в разрядном промежутке, - напряжение, приложенное к разрядному промежутку, - межэлектродное расстояние.

     Режим с неизменным во времени напряжением  на электродах разрядного промежутка может быть реализован либо в схеме с источником бесконечной мощности, либо в схеме с электрической линией, согласованной по волновому по волновому сопротивлению с активным сопротивлением газового промежутка. На практике для  возбуждения газовой смеси чаще используются схемы, в которых в качестве накопителя энергии применяются конденсаторы. При этом в схеме неизбежно имеется индуктивность, и, следовательно, цепь, нагруженная на активное сопротивление плазмы разряда. В такой электрической цепи характеристики разряда зависят от степени нелинейности активного сопротивления и значений индуктивности и емкости. Анализ характеристик разряда в этом случае упрощается, если первоначально пренебречь индуктивностью разрядного контура.

     Таким образом, при нахождении характеристик разряда, инициируемого электронным пучком, необходимо учитывать изменение напряженности во времени. Поэтому выражение (4) примет вид

      .                                             (5)

     Для напряженности поля можно записать следующее уравнение

      ,                                              (6)

где - площадь разряда, - емкость накопительного конденсатора.

     Решение системы уравнений (2), (5), (6) , при начальных условиях , ) имеет вид

                                           (7)

     

,

     Анализ  полученных выражений (7) показывает, что с течением времени концентрация свободных электронов уменьшается. Уменьшение количества электронов приводит к уменьшению количества актов возбуждения молекул азота и углекислого газа, что сказывается на стационарности выходного излучения, которое с течением времени уменьшается и при некотором значении концентрации электронов генерация прекращается. Значение определяется следующим выражением

      ,                                                 (8)

где - дрейфовая скорость электронов.

     Случай  № 2. Стационарный режим ввод энергии в активную среду, ( ).

      При таком режиме ввода энергии длительность существования разряда в активном объеме практически полностью определяется длительностью инжекции электронного пучка в этот объем и основной вклад энергии происходит именно за это время. 

     В данном случае изменение концентрации электронов в активной среде описывается  следующим уравнением

      ,                                           (9)

где - скорость ионизации газа электронным пучком.

     Решая уравнение (9) при начальном условии , получим следующую зависимость концентрации электронов в столбе разряда от времени после включения внешнего ионизатора (пучка электронов):

      .                                        (10)

     Концентрация  электронов стремится к стационарному  значению . При больших длительностях тока пучка развивается разряд, поддерживаемый электронным пучком.

     В этом случае зависимости концентрации электронов, напряженности поля и  плотности тока в активной среде  можно представить в следующем  виде

,                                         (11)

     Таким образом, на уровне системы уравнений, описывающих процесс накачки  компонент газовой смеси конкретизация  вида применяемого разряда производится путем добавления в нее уравнений  вида (2), (9) в случае использования несамостоятельного разряда или значения концентрации свободных электронов для случая применения тлеющего разряда. 

     Модель  процесса возбуждения  газовой смеси (углекислый газ-азот-гелий) на основе ВЧЕ - разряда 

     В высокочастотных разрядах ёмкостного типа (ВЧЕР) высокочастотное (ВЧ) напряжение подаётся на электроды, которые могут быть изолированы от разряда твёрдым диэлектриком или соприкасаться с разрядом. В этом смысле можно условно называть ВЧЕ-разряды электродными или безэлектродными [2,5]. Ориентировочное давление рабочей среды ~20-100 торр, частота возбуждения ~10-120 МГц (основная промышленная частота f~13,6 МГц). Плазма таких разрядов, как правило, слабо ионизована, неравновесна и подобна плазме тлеющего разряда [7]. При давлении ~20 торр частота столкновений n_м примерно в 10³ раз превышает частоту колебаний w=2pf, поэтому в осциллирующем поле типа Е=Е_аsinwt электроны совершают дрейфовые колебания с амплитудой и скоростью смещений ; где n_м – частота электронных столкновений. При Е_А/р~10 В/(см*торр), что характерно для неравновесной слабо-ионизированной плазмы молекулярных газов и промышленной частоты, амплитуда дрейфовых колебаний А»0,1 см. Она сравнительно мала по сравнению с типичными для экспериментов длинами разрядных промежутков вдоль поля L~0,5-10 см. Дрейфовые скорости и амплитуды колебаний ионов в ~10² раз меньше, так что колебательное движение ионов во многих случаях можно вообще не принимать во внимание. Даже при весьма низкой плотности электронов n_e=10⁸ см^-3 и характерной для столкновительной плазмы электронной температуры Т_е=1 эВ дебаевский радиус d_D»0,05см << L. Поэтому в большей части разрядного промежутка плазма электронейтральна. Однако около границ плоского промежутка электронный газ, совершая качания относительно “неподвижных” ионов, периодически обнажает положительные заряды. Это является первопричиной появления приэлектродных слоёв пространственного разряда.

      Экспериментально  установлено, что ВЧЕР горят  в  одной из двух сильно различающихся  форм [1-7]. Внешне они отличаются характером распределения интенсивности свечения по длине промежутка, по существу – процессами в приэлектродных слоях и механизмами замыкания тока на электроды. При сильноточном разряде возникает диффузионное свечение в середине промежутка, а около электродов газ не светится. Напряжение на электродах меняется очень мало, что указывает на слабую проводимость ионизированного газа и малый разрядный ток. В слаботочном разряде сильное свечение локализуется у электродов и состоит из чередующихся слоёв, по цвету и порядку следования очень похожих на слои в катодной области тлеющего разряда постоянного тока. Напряжение на электродах после зажигания заметно падает, что говорит о значительной проводимости разряда. Эти особенности истолковываются так: в разряде со слабой проводимостью ток в приэлектродной области имеет преимущественно ёмкостной характер и является током смещения, как и до зажигания. Зажигание разряда, следовательно, не отражается на поведение электрода, который по-прежнему зарядов не испускает и не воспринимает. В хорошо проводящем сильноточном разряде на отрицательный в данный момент электрод идёт ионный ток, там происходит вторичная электронная эмиссия, и на какое-то время до смены полярности около “катода” возникает катодный слой, как в тлеющем разряде. На электроды, которые попеременно служат катодами, ток из середины промежутка замыкается теперь токами проводимости. Слаботочный разряд ещё называют a-разряд, а сильноточный g-разряд, что символизирует роль вторичной эмиссии (g-процессов). При повышении давления горящий a-разряд внезапно переходит в g-форму, происходит как бы вторичное зажигание. Факт существования двух форм ВЧЕР, их свойства, закономерности перехода из одной формы в другую при давлении 10-100 торр подверглись детальному исследованию в [1-7].