способ получения отрицательной проводимости в газовой ячейке

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТИ В ГАЗОВОЙ ЯЧЕЙКЕ путем добавления в тяжелый инертный газ молекулярного газа и формирования неравновесной функции распределения электронов по энергии, отличающийся тем, что дополнительно в инертный газ добавляют атомарный газ с энергией возбуждения резонансных уровней, превышающей энергию рамзауэровского уровня сечения рассеяния электронов на атомах инертного газа, в количествах, при которых частота упругих столкновений электронов с атомами инертного газа в области рамзауэровского минимума превышает суммарную частоту упругих столкновений электронов той же энергии атомами и молекулами добавляемых газов, а в качестве молекулярного газа выбирают газ, обладающий резонансным характером электронного возбуждения колебательных уровней с максимумом в области минимума сечения, в количествах, при которых скорость возбуждения колебательных уровней превышает скорость процессов ударов второго рода колебательно возбужденных молекул с медленными электронами, причем после добавления атомарного газа проводят его селективное оптическое возбуждение.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к областям физики плазмы и радиофизики и может быть использовано для разработки на его принципах генераторов электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот.

Известен способ получения отрицательной проводимости в тяжелых инертных газах, когда неравновесная (немаксвеловская) функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), имеющая локальный максимум в области рамзауэровского минимума Е_мин сечения упругих столкновений (Е) электронов с атомами, формируется при облучении газа импульсным рентгеновским излучением [1]. Недостатком такого метода являются сложность реализации способа из-за необходимости источника рентгеновского излучения и соответствующих средств радиационной защиты и кратковременность эффекта: при давлении ксенона Р= 1атм существование абсолютной отрицательной проводимости (АОП) возможно лишь в течение 10^-7с.

Известен способ создания АОП в фазе обрыва электрического разряда в инертных газах [2]. Неравновесная ФРЭЭ формируется за счет неравномерного остывания электронов и накопления их в области энергий порядка Е_мин и в этом случае длительность существования эффекта АОП оказывается порядка 10^-7-10^-8 с (при атмосферном давлении), что является существенным недостатком при использовании способа.

Известны способы получения АОП, в которых неравновесная ФРЭЭ в области энергий электронов Е_мин формируется за счет гибели медленных электронов при диссоциативной рекомбинации [3] или прилипания их к электроотрицательному газу, добавляемому к инертному [4]. Недостатком указанных способов является малая величина проводимости газовой ячейки, а следовательно, и АОП за счет уменьшения концентрации электронов.

Известен способ получения АОП в газовой ячейке/ наиболее близкий по решению технической задачи к предлагаемому изобретению/ выбранный за прототип/ при котором для увеличения длительности АОП в инертный газ добавляют молекулярный газ и формирование ФРЭЭ в области энергий Е_мин рамзауэровского минимума происходит за счет ударов 2-го рола возбужденных молекул с медленными электронами [5].

Недостатком способа является малая величина АОП за счет невысоких значений степени ионизации/ не превышающих N_e/N < 10^-9, реализуемой в подобных условиях.

Целью изобретения является повышение величины АОП.

Поставленная цель достигается путем формирования неравновесной ФРЭЭ в тяжелом инертном газе при добавлении в инертный газ перед формированием ФРЭЭ молекулярного газа, дополнительно в инертный газ добавляют атомарный газ с энергией возбуждения резонансных уровней, превышающей энергию рамзауэровского минимума сечения рассеяния электронов на атомах инертного газа, в количествах, при которых частота упругих столкновений электронов с атомами инертного газа в области рамзауэровского минимума превышает суммарную частоту упругих столкновений электронов той же энергии с атомами и молекулами добавляемых газов, а в качестве молекулярного газа выбирают газ, обладающий резонансным характером электронного возбуждения колебательных уровней с максимумом в области минимума сечения, в количествах, при которых скорость электронного возбуждения колебательных уровней превышает скорость процессов ударов второго рода колебательного возбужденных молекул с медленными электронами, причем после добавления атомарного газа проводят его селективное оптическое возбуждение.

На чертеже даны графики зависимости.

Как известно, формула для определения вещественной части проводимости в плазме при степени ионизации меньше 10^-3 (без учета электрон-ионных взаимодействий) имеет вид:

K = - Ne dE

(1) где е и m - заряд и масса электрона;

Ne - концентрация электронов;

(Е) - суммарная частота упругих столкновений электронов с компонентами газовой смеси;

v - скорость электрона;

_ei = vNi _ei (E) - частота столкновений электронов с i-компонентной газовой смеси с концентрацией N;

_ei (E) - сечение рассеяния соответствующего процесса.

Пусть далее для удобства индекс i=1 относится к буферному инертному газу, i=2 - к молекулярной примеси, i=3 - к атомарной примеси.

Как видно из (1) K будет отрицательной, когда на ФРЭЭ будет существовать локальный максимум в области минимума (Е). Для получения АОП в качестве буферной среды наиболее удобны атомы тяжелых инертных газов Ar, Kr, Xe, имеющих рамзауэровский минимум на сечении упругого рассеяния электронов _e1 (Е) в области Е_мин (0,5...1,0) эВ. Условие преобладания упругих столкновений с атомами инертного газа _e1e2+_e3определяет одно из соотношений для компонент смеси. Поскольку _e1(Е_мин) на один-два порядка меньше газокинетических сечений то N₁/(N₂ + N₃) > (10¹ ...10²).

Второе условие получения АОП - создание максимума ФРЭЭ в области растущей части _e1 (Е).

Сущность предлагаемого способа формирования неравновесной ФРЭЭ иллюстрируется рисунком, на котором приведены энергетические зависимости _ei (Е) названных выше процессов, случай равновесной и неравновесной ФРЭЭ (f(E) и f_н(Е) соответственно), а также локализация по шкале энергий источника быстрых электронов I(E). Е_макс - энергия, соответствующая максимуму сечения возбуждения колебательных уровней основного состояния молекулы _em

В интересующей нас области энергии электронов, отвечающей рамзауэpовскому минимуму сечения _e1 (Е), выражение для неравновесной части ФРЭЭ может быть записано в следующем виде:

f_н(E) = где I(E) - интенсивность источника электронов энергии Е;

Е - колебательный квант основного состояния;

индекс ее - соответствует электрон-электронным столкновениям;

em - соответствует электрон-молекулярным столкновениям.

Из формулы видно, что максимум на ФРЭЭ может образоваться в двух случаях:

_e1> _ei+_ee+ _em (3)

что определяет концентрации примесей N₁/(N₂+N₃) > 10⁴...10⁵, и максимальную степень ионизации N_e/N₁ < 10^-8...10^-9 при которой возможен эффект АОП;

_em > 2m + ,

(4)

а сечение колебательного возбуждения имеет резонансный характер (N₂, CO, CO₂). Из (4) следует отношение концентрации молекулярной примеси к концентрации инертного газа и концентрации электронов в режиме АОП. Например, для пары - молекулярный газ азот и инертный газ ксенон по (4) следует N₂:N₁ > 10^-4, N₂:N₂ < 10^-3.

Как видно из приведенных оценок, используя возбуждение молекулярных колебаний, растущую ветвь на ФРЭЭ можно получить при существенно больших степенях ионизации по сравнению с упругими столкновениями. Это становится возможным за счет увеличения фактора энергообмена электронов при возбуждении колебаний ₂= E/E 0,1 по сравнению с упругими столкновениями ₁ = 2m/M₁ = 10^-4 ...10^-2.

Указанная формула (2) справедлива для случая низких колебательных температур основного электронного состояния, которой можно охарактеризовать заселенность низких колебательных уровней T_v < E_макс[6]. При T_v = Е_макс становятся существенны удары второго рода электронов с колебательно возбужденными молекулами. Как показывают расчеты [6,7] для чистых молекулярных газов N₂, СО, это приводит к уменьшению провала на ФРЭЭ в области колебательного возбуждения. Соответственно этот эффект в смеси молекулярного газа с рамзауэровским инертным газом приводит к уменьшению величины АОП.

В трехкомпонентной смеси, в отличие от прототипа, появляется возможность независимо регулировать интенсивность источника быстрых электронов I(E) путем заселения электронно-возбужденных состояний атомарной примеси от колебательного возбуждения молекулярной примеси. Более низкие T_v, а соответственно и большую величину АОП можно получить за счет оптимального выбора компонент, их концентраций и геометрических размеров газонаполненной ячейки. Так при N₂ : N₁ < 10^-2 процессы колебательно-поступательной релаксации преобладают над колебательно-колебательным обменом, что приводит к низкой относительной заселенности возбужденных колебательных состояний. Для несимметричных молекул (типа СО, СО₂) существенен механизм снятия колебательного возбуждения за счет изучения, скорость которого пропорциональна 1/, где R - минимальный характерный геометрический размер системы [9].

Выбор третьей компоненты определяется, исходя из следующих условий:

1. Потенциал возбуждения резонансного состояния Е_рез Е_мин.

2. Должны быть открыты каналы столкновительной ионизации для резонансно-возбужденных атомов.

Энергозатраты на поддержание мощности источника неравновесных электронов в случае резонансного оптического возбуждения атомов могут быть существенно меньше, чем при других известных способах ионизации смеси [4]. Это связано с тем обстоятельством, что процессы столкновительной ионизации с участием оптически возбужденных атомов приводят к эффективному образованию бестоковой фотоплазмы при невысоких интенсивностях излучения [9]. В частности, это хорошо известное явление фундаментального характера нашло свое практическое применение при оптимизации режима пробоя газовых смесей атмосферного давления.

В качестве третьего атомарного компонента в заявляемом способе могут быть использованы атомы первой и второй групп периодической таблицы.

Концентрация третьей компоненты определяется условием: частота упругих столкновений электронов с атомами инертного газа в области рамзауэровского минимума должна превышать суммарную частоту упругих столкновений с атомами и молекулами добавляемых газов.

Отличие предлагаемой заявки от использованного прототипа заключается в том, что:

предлагается использовать трехкомпонентную смесь, а не двухкомпонентную (прототип);

формирование неравновесной ФРЭЭ происходит за счет двух основных процессов: колебательного возбуждения молекулы и ударов 2-го рода оптически возбужденных атомов с электронами, в то время как в прототипе - за счет ударов 2-го рода с электронами колебательно возбужденных молекул;

добавляется молекулярный газ с заданными свойствами, обладающий резонансным характером колебательного возбуждения в области энергий, соответствующей рамзауэровскому минимуму, с низкой степенью колебательного возбуждения, а не высокой, в отличие от прототипа.

Последовательность действий, приводящих к АОП, состоит в

формировании смеси,

оптическом возбуждении атомарного газа.

В прототипе состоит в

формировании смеси,

возбуждении молекулярного компонента,

ионизации газовой смеси.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с мировым уровнем техники, в качестве которого выбран прототип [5], заключается в повышении степени ионизации на два-три порядка и, соответственно, величины АОП газовой ячейки. При этом может быть реализован стационарный случай существования АОП, что существенным образом увеличивает возможности дальнейшей реализации предлагаемого способа при разработке генераторов и усилителей в широком диапазоне частот, а также преобразователей световой энергии в электрическую.

Предлагаемый способ может быть коммерчески реализован на национальном и мировом рынках.