6.2. Основные процессы и определения

Различные рекомбинационные процессы нам хотелось бы обсудить с точки зрения следующих трех главных аспектов, а именно: 1) насколько важную роль играет данный процесс рекомбинации по сравнению с другими; 2) как коэффициент рекомбинации зависит от

электронной температуры плазмы и степени возбуждения электронных и/или колебательных состояний ионов и 3) какие состояния образуются в каждом из процессов. Сконцентрируем внимание в основном на трех различных процессах электрон-ионной рекомбинации, один из которых является быстрым двухчастичным процессом, а два других представляют собой трехчастичные процессы. Последние могут иметь большое значение в случае разрядов с относительно высокой концентрацией электронов или нейтральных атомов (молекул).

Быстрый двухчастичный процесс диссоциативной рекомбинации можно схематически записать в виде следующей реакции:

где а — константа скорости процесса, а верхний индекс означает возбужденное электронное состояние [2]. Эта реакция протекает в несколько стадий. Первая стадия включает электронный захват с образованием возбужденной молекулы, находящейся либо в отталкивательном электронном состоянии, либо в связанном колебательно-возбужденном ридберговском состоянии. Эта стадия определяется уравнениями

где верхний индекс означает колебательно-возбужденное состояние. За реакцией (26) с необходимостью следует переход из связанного ридберговского состояния на отталкивательное состояние, т.е.

Эти различные пути протекания рассматриваемой реакции схематически представлены на рис. 1 с помощью энергетических диаграмм, где налетающий электрон имеет энергию или . На рис. 1, б изображен процесс, в котором благодаря захвату образуется ридберговское состояние на колебательном уровне

Конечная стадия рекомбинационного процесса включает диссоциацию отталкивательного состояния:

что приводит к образованию нейтральных продуктов реакции. Во многих случаях диссоциативная рекомбинация как по прямому (2а), так и по непрямому каналу (26) является быстрым процессом в силу большой вероятности резонансного захвата (2) и более вероятных

процессов стабилизации диссоциацией [реакция (4)] по сравнению с автоионизацией [реакция (2), протекающая справа налево].

Другие двухчастичные процессы рекомбинации, такие, как радиационная и диэлектронная рекомбинация [3], оказываются слишком медленными, чтобы их принимать во внимание при изучении плазмы активных сред лазеров.

Рис. 1. Схема потенциальных кривых, участвующих в процессе диссоциативной рекомбинации который потекает с участием либо прямого либо непрямого процессов (8].

Однако существуют трехчастичные процессы электрон-ионной рекомбинации, которые могут играть существенную роль в условиях высоких плотностей электронов и нейтральных молекул, что характерно для плазмы активных сред мощных лазеров.

При ударно-радиационной рекомбинации электроны плазмы действуют как третье тело, уносящее энергию, что способствует протеканию первичной стадии электронного захвата [7], т.е.

Как показано на диаграмме энергетических уровней (рис. 2), два свободных электрона (светлые кружки) взаимодействуют вблизи положительного иона, причем один из них совершает безызлуча-тельный свободно-связанный переход на высоковозбужденное состояние X (стадия а), в то время как высвободившаяся при этом энергия передается второму электрону. Первоначальный захват приводит к окончательной рекомбинации иона и электрона только при условии, что процессы дезактивации, такие, как излучение (процесс е) и сверхупругие столкновения с электронами плазмы (процесс понижают уровень возбуждения до состояния, расположенного на несколько (Т — температура электронов) ниже

континуума. С указанными процессами дезактивации конкурируют неупругие процессы возбуждения, протекающие при столкновениях с электронами плазмы (процессы и с).

Несмотря на то что в процессе электрон-ионной рекомбинации роль электронов плазмы как третьего тела является наиболее эффективной, при очень высоких концентрациях частиц, характерных для плазмы активных сред некоторых лазеров, существенной может оказаться реакция рекомбинации, стабилизируемая нейтральной частицей

Рис. 2. Схема, описывающая стадии процесса ударно-радиационной рекомбинации (Из работы

Хотя реакция (6) во многом напоминает реакцию (5), все же вследствие различной природы электрон-электронного взаимодействия и взаимодействия электрона с нейтральной частицей эти два процесса совершенно по-разному зависят от энергии электронов (см. разд. 6.3.2).

Для того чтобы сравнить между собой скорости различных рекомбинационных процессов, введем соответствующие константы скорости двух- и трехчастичных процессов. В любом элементе объема плазмы скорость изменения концентрации электронов (или концентрации ионов вследствие рекомбинации можно записать следующим образом:

Двухчастичный коэффициент рекомбинации а связан с сечением рекомбинации соотношением

где скорость электронов, а угловые скобки означают усреднение по скоростям электронов. Коэффициент рекомбинации а можно записать как произведение трехчастичной константы скорости К на концентрацию стабилизирующих частиц [электронов (в случае ударно-радиационной рекомбинации) или нейтральных частиц (в другом случае)]:

В разд. 6.4 мы используем это соотношение для нахождения условий, при которых важную роль играет какой-либо из рассматриваемых рекомбинационных процессов.