2. Образование отрицательных йодов в газовых лазерах

П. Дж. Чантри

2.1. Введение

Данная глава посвящена рассмотрению газовых лазеров, в работе которых значительную роль играет образование отрицательных ионов. В большинстве газовых лазеров для реализации их оптимальной работы используются соответствующие смеси, и зачастую одна или более компонент этих смесей оказываются электроотрицательными газами. Так, например, в разряде высокого давления с поперечным возбуждением диффузия к стенкам оказывает относительно несущественное влияние на исчезновение электронов, в то время как роль других процессов возрастает. Даже в таком слабо электроотрицательном газе, как СО2, на потерю электронов сильно влияет процесс прилипания. Это впервые отметили Дэн и Ловке [38], которые показали, что величина E/N (отношение электрического поля к плотности частиц), требуемая для поддержания разряда, в конкретной смеси определяется балансом между процессом рождения электронов при ионизации прямым электронным ударом и их гибелью в процессе двухчастичного диссоциативного прилипания к

В том же году Нигэн и др. [71] указали на то, что при достаточном количестве продукты реакции (1) могут стать важным источником электронов и причиной локальной неустойчивости плазмы вследствие протекания обратной реакции ассоциативного отлипания.

Как правило, образование отрицательных ионов с большей вероятностью происходит в тех газовых лазерных средах, в которых важную роль играют плотность и энергия электронов или сами по

себе отрицательные ионы. Главная цель этой главы состоит в том, чтобы перечислить и подробно обсудить различные эффекты, которые в настоящее время известны в связи с проблемой образования отрицательных ионов.

2.1.1. Некоторые определения

Процесс прилипания электронов количественно можно описать различными способами. Поэтому вначале полезно дать определения наиболее широко используемых величин. Для большинства случаев, связанных с газовыми лазерами, нам приходится иметь дело с ансамблем электронов, испытывающих многократные столкновения с частицами газа, причем, как правило, в присутствии приложенного электрического поля Е. В таких сложных условиях мы феноменологически имеем дело с усредненными характеристиками процесса прилипания. Во многих случаях удобно пользоваться понятием частоты прилипания (измеряется в единицах Таким образом, величина есть вероятность того, что за короткий интервал времени электрон подвергнется прилипанию. Если в отрицательном направлении оси приложить электрическое поле Е, то мы получим результирующее движение электронов в положительном направлении оси характеризуемое в среднем скоростью дрейфа Во многих случаях пространственные эффекты прилипания описываются с помощью коэффициента прилипания имеющего размерность По определению, величина есть вероятность того, что электрон окажется прилипшим при смещении на небольшое расстояние

Следует отметить, что характеризуют эффективность прилипания в газовой смеси соответственно во времени и в пространстве. Однако они не несут информации о том, какова эффективность прилипания, присущая отдельным сортам частиц, ответственным за этот процесс. Такие величины получаются нормированием на концентрацию соответствующих частиц

Определенную таким образом величину обычно обозначают символом Это и есть широко используемая в кинетике лазеров константа скорости прилипания, имеющая размерность Константу можно определить эквивалентным образом с помощью уравнения, описывающего потерю электронов:

Нормированная величина имеет размерность Данные экспериментов с электронной дрейфовой трубкой часто описываются

при помощи этой величины. Связь между определяется соотношением

причем скорость дрейфа электронов при выбранных условиях считается известной.

Как так и отражают усредненное по энергиям взаимодействие электронов с частицами газа в процессе прилипания. Эти величины обычно имеют вид функций от E/N или, особенно в случае их представляют как функции от средней энергии электронов е. Вообще говоря, значения этих величин зависят также от состава газовой смеси, определяющего форму распределения электронов по энергиям. Таким образом, не могут характеризовать однозначно свойства прилипания. Дело в том, что, измерив их величину для одной смеси, мы не можем затем применить эти данные непосредственно к другой. Только введение понятия сечения прилипания позволяет это сделать. Сечение прилипания описывает процесс двухчастичного взаимодействия электрона с изолированной молекулой, при котором образуется отрицательный ион. Эта величина имеет размерность площади и представляет собой эффективный размер молекулы, определяемый через вероятность прилипания электрона с энергией е. По определению, вероятность прилипания электрона, движущегося через среду, в единице объема которой содержится молекул, способных к захвату электрона, при смещении электрона на небольшое расстояние равна Отсюда следует, что для моноэнергетических электронов, имеющих скорость соответствующую энергии эквивалентная константа скорости прилипания будет равна . В более общем случае с учетом взаимодействия со всей совокупностью электронов используется усредненное значение константы Это значение дается сверткой

где — вероятность того, что электрон имеет энергию между Данное соотношение позволяет сравнить измеренные значения с измеренными или предварительно полученными значениями сечения Это сравнение можно провести при условии, что мы знаем функцию распределения Вообще говоря, чтобы получить функцию распределения, требуется найти решение

уравнения Больцмана [42]. Такую задачу можно решить, если известна вся совокупность соответствующих сечений столкновительных процессов обмена энергией. В заключение перепишем соотношение (3) в виде

откуда видно, что величина хотя и имеет такую же размерность, как и сечение, но превосходит его на множитель, приблизительно равный отношению средней скорости электронов к их скорости дрейфа.