6.4. Условия проявления различных процессов рекомбинации

Обсудив механизмы различных двух- и трехчастичных процессов рекомбинации, рассмотрим область параметров плазмы лазерных сред, которая определяет каждый из этих процессов. Плотности нейтральных частиц в плазме активной среды обычно лежат в диапазоне от до в то время как концентрация электронов имеет порядок . В зависимости от степени лазерного возбуждения и величины энергии, вкладываемой в разряд, температура нейтральной компоненты газа может изменяться от температуры окружающей среды до в то время как температура электронов Т находится в интервале . Рассмотрим теперь относительную роль различных рекомбинационных процессов в указанном диапазоне параметров активной среды лазеров.

6.4.1. Диссоциативная рекомбинация

В разд. 6.3.1. мы показали, что константа скорости диссоциативной рекомбинации не зависит от плотности нейтральных частиц и плотности электронов. Однако она зависит от сорта молекулярной ионной частицы, от колебательной температуры и температуры электронов Те. Мы уже рассматривали зависимость от атомного номера в серии простых двухатомных ионов, а именно ионов молекулярных инертных газов (см. табл. 1).

Интересное сравнение скоростей рекомбинации тяжелых двухатомных ионов можно получить, изучая ионы Как было замечено ранее, в случае мы имеем поведение, близкое к ожидаемому для молекулярного иона с большим атомным номером, для которого множитель [см. соотношение (10)] остается почти равным единице, т.е. в этом случае при тепловых энергиях ионов значение коэффициента рекомбинации велико: а а его зависимость от близка к теоретической зависимости Однако из экспериментов по послесвечению в парах ртути [19] получен несколько другой результат:

в области электронных температур Мы приписываем такое довольно малое значение константы при тепловых энергиях и сильную ее зависимость от температуры электронов тому обстоятельству, что потенциальные кривые начального и конечного состояний пересекаются неоптимальным образом.

Следовательно, множитель соответствующий захвату медленного электрона, значительно меньше единицы и быстро уменьшается с ростом энергии электрона при увеличении расстояния между Rc и Rs (см. рис. 1,а), что приводит к увеличению времени, необходимому для достижения точки стабилизации

По сравнению с простыми двухатомными ионами более сложные ионные частицы при тепловых энергиях характеризуются большими коэффициентами рекомбинации и заметно более слабыми зависимостями от Те. Имеются два типа таких сложных нонов, одни из которых представляют собой ионный молекулярный остов, к которому в процессе кластеризации присоединяются полярные молекулы [речь идет, например, об ионных сериях а другие — это димеры и тримеры молекулярных ионов, например

Таблица 3. Коэффициенты рекомбинации а для полярных кластерных ионов, димерных и тримерных ионов, измеренные при температуре 300 К. Зависимость этих коэффициентов от температуры электронов имеет вид

Измеренные значения константы скорости рекомбинации для этих ионов приведены в табл. 3. Можно видеть, что для полярных кластерных ионов существует очень слабая зависимость а от 7, в то время как для димерных и тримерных ионов а уменьшается с ростом Т лишь чуть медленнее, чем по закону справедливому в случае простых двухатомных ионов. Отметим, что димерные и тримерные ионы при тепловых энергиях имеют также большой коэффициент рекомбинации

Кроме того, при подборе данных по коэффициентам диссоциативной рекомбинации при тепловых энергиях [8] было замечено,

что коэффициенты рекомбинации молекулярных ионов «легких» атомов претерпевают довольно резкий скачок от нескольких единиц в случае двухатомных и трехатомных ионов до значений, превышающих в случае ионов, содержащих четыре или более атома. Такое возрастание а, связанное с увеличением сложности ионов, согласуется с утверждением в разд. 6.3.1.1, согласно которому большая вероятность захвата электрона по отношению к автоионизации объясняется появлением дополнительных степеней свободы у рассматриваемых ионов.

Из предыдущего рассмотрения диссоциативной рекомбинации электронов с различными молекулярными ионами можно сделать общее заключение о том, при каких условиях плазмы активной среды проявляется тот или иной из этих процессов.

Рис. 3. Типичные значения эффективных коэффициентов двухчастичной рекомбинации в зависимости от плотности нейтральных атомов (молекул) и от плотности электронов

Типичные значения коэффициентов диссоциативной рекомбинации представлены на рис. 3, где эффективные коэффициенты двухчастичной рекомбинации изображены в виде функций параметров плазмы, таких, как концентрация нейтральных частиц пп, концентрация электронов и электронная температура На рисунке коэффициенты диссоциативной рекомбинации для полярных кластерных ионов («Кластеры»), ионов тяжелых инертных газов («Тяжелые и. г.») и для двух- и

трехатомных ионов со значениями атомных чисел от низких до средних («Простые ионы») схематически показаны горизонтальными линиями. Можно видеть, что основным рекомбинационным механизмом при всех, в сущности, условиях работы газовых лазеров является диссоциативная рекомбинация.