авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 9 |

«ЮБИЛЕЙНЫЙ СБОРНИК КАФЕДРЕ ОПТИКИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА 70 ЛЕТ MCMXXXIV — MMIV УДК ...»

-- [ Страница 4 ] --

При оптическом возбуждении резонансных (первых возбужденных) состояний щелочных атомов возможно проявление процесса переноса энергии первичного возбуждения (ПЭВ) с заселением верхних уровней, когда почти вся суммарная внутренняя энергия двух возбужденных партнеров по столкновению передается одному из них. Впервые с явлениями типа ПЭВ, где процесс передачи возбуждения происходил за счет электрон-фононного взаимодействия, исследователи столкнулись в экспериментах с активированными кристаллами в 1968 году. Первая экспериментальная работа такого плана, выполненная в процессе нашего исследования фоторезонансной плазмы (А.Н. Ключарев, А.В.

Лазаренко, 1972 г. [9]), результаты одновременно проведенных теоретических расчетов (В.М. Бородин, Н.В. Комаров, 1974 г., [10]), а также последующий «информационный взрыв» в изучении подобных исследований (см. монографию А.Н. Ключарева, М.Л. Янсона, 1988 г.) приводят к выводу о том, что ПЭВ могут играть роль промежуточного канала ионизации на стадии развития фоторезонансной плазмы. Включение в схему анализа ионизации щелочных атомов возбужденных состояний, отличных от резонансно-возбужденных, позволяло объяснить наблюденное в эксперименте существенное увеличение ионного потока из объема с оптически возбужденными парами. Это позволяло провести измерения соответствующих ионизационных констант.

Киевская и ленинградская научные группы успешно взаимодействовали в сопоставлении результатов оптических, ионизационных и масс-спектро метрических измерений, связанных с определением эффективности процессов хемоионизации в щелочной газоразрядной плазме (А.М. Пржонский, А.Н. Ключарев и др., 1979 г., [11]). Результаты этой работы подтвердили правильность наших основных выводов, касающихся процессов образования фоторезонансной плазмы. Результаты согласованных исследований позволили сделать окончательный вывод о том, что при резонансе оптического излучения с переходами между состояниями возбужденного атома возможно эффективное формирование фоторезонансной плазмы. Образующиеся в атом-атомных столкновениях свободные электроны могут затем нагреваться в результате ударов второго рода с возбужденными атомами и, в свою очередь, принимать участие во вторичных процессах возбуждения и ионизации. В результате первично-возбужденная среда релаксирует к состоянию равновесного возбуж дения с некоторой температурой, большей, чем температура нормальных атомов. Быстрый спад сечений электронного возбуждения уровней щелочных атомов с ростом главного квантового числа приводит к тому, что при теоретическом рассмотрении нагрева электронов за счет ударов второго рода достаточно ограничиться процессами с участием резонансно-возбужденных состояний атома.

Квазистационарная фоторезонансная плазма, образующаяся при облучении паров металлов резонансным излучением, обладает таким уникальным свойством как равномерное распределение возбужденных и заряженных частиц. Отсутствие градиентов концентраций приводит к тому, что диффузионные потери зарядов в ней отсутствуют, в принципе. Энергия в плазму вносится путем возбуждения атомов излучением, а затем перераспределяется по другим имеющимся степеням свободы. Как следствие этого, в фоторезонансной плазме могут нарушаться условия идеальности. Фоторезонансная плазма является примером слабоидеальной плазмы, свойства которой до последнего времени были изучены недостаточно.

Выполненные в Киевском и Ленинградском университетах работы положили начало работам по экспериментальному и теоретическому исследованию процессов ионизации с участием возбужденных атомов. На разных этапах с ленинградской группой тесно контактировала группа теоретиков Ленинградского университета: А.З. Девдариани, И.В. Комаров, В.М. Бородин, московские теоретики Е.Л. Думан и И.П. Шмаков, теоретики из Белградского университета А. Михайлов и Р. Янев. Их работы, в свою очередь, придали новый импульс теоретическим исследованиям Н.Н. Безуглова по изучению процессов переноса излучения в условиях лабораторного эксперимента.

Результаты первых публикаций по фоторезонансной плазме (1967 1972 гг.) были впоследствии подтверждены как самими авторами и научными коллективами с их участием, так и независимыми исследованиями в России и за рубежом. Качественная интерпретация процессов образования фотоплазмы данная в начале семидесятых годов не потеряла своего значения до настоящего времени. Количественные расчеты соответствующей модели оказались возможными только после получения достоверных значений констант хемоионизации авторами первых работ этого направления. В связи с последующим быстрым развитием лазерных методов оптического возбуждения появилась возможность осуществления резонансного оптического возбуждения атомов подавляющего большинства элементов Периодической таблицы Менделеева.

Специфические проблемы создания и развития фоторезонансной плазмы имеют много общего с аналогичными проблемами оптогальванической спектроскопии, находящей широкое применение для регистрации малых примесей в газах, стабилизации частоты лазеров на красителях и детектирования излучения.

В 1991 году Киевский и Санкт-Петербургский университеты подали заявку на научное открытие «Явление образования фоторезонансной плазмы», которая была подтверждена Международной Ассоциацией авторов научных открытий (открытие № А-118 от 4 августа 1998 г.).

В ходе наших исследований родились новые направления, явившиеся логическим следствием ранних работ по проблеме фоторезонансной плазмы.

Например, до конца 70-х годов среди физиков существовало убеждение в том, что в объеме эффузионного молекулярного пучка столкновениями частиц можно пренебречь. Для исследования столкновений применялись (и применяются) скрещенные пучки. В нашей работе с Н.Н. Безугловым было обращено внимание на ошибочность этого распространенного в те годы представления, и, наоборот, предлагалось начать использовать одиночные оптически возбужденные атомные (молекулярные) пучки для исследований процессов столкновений в самом пучке (Н.Н. Безуглов, А.Н. Ключарев, 1983 г.

[3]). В первую очередь, подобная методика могла быть рекомендована для изучения процессов с участием возбужденных атомов в короткоживущих состояниях. Такие работы, преимущественно, по исследованию ионизационных каналов реакций были вскоре действительно поставлены в нескольких зарубежных лабораториях. При этом оказалось, что отличие результатов пучкового и аналогичного ему эксперимента, выполненного в условиях газовой ячейки, заметным образом превышают возможные погрешности эксперимента.

Мы назвали это «парадоксом натрия», поскольку натрий был и остается излюбленным объектом исследований из-за относительной простоты оптического (лазерного) возбуждения его резонансных уровней. Сразу же встали вопросы, связанные с корректностью практического использования экспериментально найденной константы процесса.

Анализ существующего значительного различия результатов экспериментов показал, что основной источник различия величин констант, измеренных в условиях газовой ячейки (низкотемпературной плазмы) и молекулярных пучков разного типа заключается в различии функций распределения возбужденных атомов по относительным скоростям столкновений. Одиночный атомный пучок можно рассматривать как частный случай системы двух пучков, пересекающихся под произвольным углом. В нашей работе совместно с университетом г. Загреба (Хорватия) (Н.Н. Безуглов, В. Вуйнович, А.Н. Ключарев, В.А. Шеверев, 1989 г. [18]) было получено выра жение для зависимости функции распределения частиц по относительным скоростям для двух тепловых пучков, пересекающихся под произвольными углами.

Обычный пучок эффузионного типа представляет собой поток частиц со скоростями, направленными в одну сторону. В подобной системе возможны лишь «догоняющие» столкновения, при которых относительная скорость, равная разности между абсолютными значениями скоростей партнеров, оказывается всегда меньше скорости каждой из сталкивающихся частиц. В условиях газовой ячейки (низкотемпературной плазмы) возможны любые типы столкновений, в том числе столкновения частиц, движущихся навстречу друг другу. В этом случае относительная скорость столкновений превышает скорость отдельной частицы. Таким образом, переход к исследованиям процессов столкновений с использованием однонаправленного атомного пучка автоматически переводит нас из области тепловых в область субтепловых процессов.

В отделе оптики и спектроскопии НИИ Физики подобный эксперимент был начат в начале 90-х годов (В.Н. Бородин и др., 1995 г. [19]). При температуре 400 К, характерной для источников щелочных атомов, средняя энергия столкновений оказывается порядка 10-2-10-3 эВ. Подобные столкно вения являются промежуточным случаем между тепловыми столкновениями, характерными для низкотемпературной плазмы (0.1-1 эВ), и так называемыми «холодными» столкновениями с (энергии менее 10-3 эВ) в экспериментах с лазерным охлаждением атомов.

Эксперименты по исследованию процессов хемоионизации (частный их случай – процессы ассоциативной ионизации, приводящие к образованию молекулярных ионов), начатые в рамках исследования процесса генерации фоторезонансной плазмы, на несколько лет опередили постановку аналогичных исследований за рубежом. Этим, в первую очередь, объясняется интерес, проявленный к ним со стороны теоретиков как в нашей стране, так и за рубежом. Совместно с итальянскими физиками и коллегами из Рижского университета был выполнен цикл теоретических расчетов эффективности процессов ионизации возбужденных атомов при тепловых и субтепловых взаимодействий в диапазоне значений главного квантового числа 3n25. В частности, была теоретически рассмотрена ионизация при парных столкновениях слабовозбужденных атомов (3n5);

влияние порога ионизационного континуума на эффективность таких реакций и что представляется нам наиболее существенным: роль эффектов стохастической динамики возбужденных электронов (см. Н.Н. Безуглов, Б.М. Бородин и др., 1999 г. [20]).

Уже в нашей более ранней работе, выполненной совместно с А.З. Дев дариани (А.З. Девдариани, А.Н. Ключарев и др., 1988 г. [21]), акцентировалось внимание на том обстоятельстве, что попытка учесть в анализе процесса хемоионизации эффект многократного пересечения терма исходной квазимолекулы с ближайшими ковалентными термами при достаточно высоких значениях главного квантового числа исходных состояний не приводит к сколько либо значимым результатам в рамках адиабатического приближения.

Авторами работы 1988 года был предложен в общем виде подход, названный «диффузионным подходом к процессам столкновительной ионизации возбужденных атомов». Предполагалось, что в одном акте столкновений происходит диффузия слабо связанного Ридберговского электрона по энергетическим состояниям квазимолекулы. В рамках общепринятого гамильтоновского формализма адиабатические термы квазимолекул, состав ленных из пары сталкивающихся атомов, полностью определяют связь начальных и конечных состояний. Однако существуют ситуации, когда внутренние резонансы в самой квазимолекуле могут приводить к стохас тической нестабильности – диффузии ридберговского электрона – и, в свою очередь, влиять на эффективность выходных каналов реакции.

Исследования в этом направлении в дальнейшем развивались в русле представлений нелинейной механики о возможности стохастизации движения гамилтоновских систем. В качестве конкретного диффузионного механизма рассматривалась диффузия Арнольда. Интернациональному коллективу исследователей удалось показать, что даже в случае медленных столкновений для систем с небольшим числом степеней свободы за время одного столкновения стохастическая динамика действительно может влиять на скорость физико-химических реакций. Как неожиданный результат этих работ может рассматриваться вывод о том, что в первых теоретических работах советских и югославских физиков, оказавших большое влияние на дальнейшее развитие исследований столкновительной ионизации возбужденных атомов, содержалась принципиальная ошибка в расчете. Таким образом, хорошее совпадение результатов первых расчетов и нашего эксперимента в области небольших значений главного квантового числа явилось в значительной степени случайным. В то же время, использование диффузионного подхода устраняет названное противоречие. Стохастический диффузионный процесс развивается на характерных временах, определяемых величиной коэффициента диффузии ридберговского электрона в энергетическом пространстве. Таким образом, для его проявления в однократном акте столкновения необходима достаточная длительность самого столкновения. Другими словами, такого рода процессы могут играть существенную роль в субтепловом диапазоне энергии столкновений, к которому сейчас проявляется столь большой интерес.

Предлагаемый диффузионный механизм, в частности, может приводить к увеличению выхода заряженных частиц в результате ассоциативных ионизационных процессов с участием холодных атомов в условиях магнитно оптических ловушек.

Как следует из изложенного выше, при образовании фоторезонансной плазмы очень важную роль играет процесс переноса резонансного излучения, поскольку он существенным образом определяет пространственные и кинетические характеристики возбуждаемых атомов, а также времена образования и распада ансамбля возбужденных частиц в нестационарных случаях.

Это еще одно направление актуальных исследований, начатых в развитие исследований по фоторезонансной плазме, которое привело к появлению в 1995-2000 цикла работ Н.Н. Безуглова, возглавившего международный коллектив физиков, работающих над нелинейными нестационарными проблемами переноса излучения при импульсном лазерном возбуждении поглощающей газовой среды.

Разработанная теория, в частности, объяснила удивительный на первый взгляд экспериментальный факт – эффективное время выхода резонансного излучения при импульсном лазерном возбуждении среды может стать короче естественного времени жизни возбужденных частиц (Н.Н. Безуглов и др., 1995 97 гг., [22, 23]). Сравнительно недавно тем же коллективом авторов был предложен аналитический метод решения задач переноса излучения, позволяющий трактовать базовое интегро-дифференциальное уравнение переноса как волновое (диффузионное) уравнение, которое можно решать с применением оригинальной техники геометрического квантования (Н.Н. Безуглов и др., 1998-99 гг.). В рамках предлагаемого подхода определение факторов, влияющих на интенсивность и модовую структуру света в режиме переноса излучений, сводится к определению квантованной энергии и волновой функции квазичастиц в пространстве, соответствующем объему возбужденной среды. В полуклассическом приближении с использованием понятия момента количества движения квазичастицы могут быть определены зависимости модового состава и профиля излучения от таких параметров как оптическая плотность, геометрия, особенности возбуждения среды. Одно из достоинств новой методики заключается также в том, что она позволяет использовать при решении сложных задач пленения излучения приемы и способы решения уравнений квантовой механики. Такой интересной во многих отношениях задачей является в настоящее время перенос излучения в лазерно-охлаждаемых атомных системах.

Исследования процессов ионизации оптически возбужденных атомов, приведшие в свое время к наблюдению и объяснению явления образования фоторезонансной плазмы, позволили их авторам предложить новые подходы к развитию современных наукоемких технологий. В активе научного коллектива имеются заявки на изобретения и патенты по повышению коэффициентов полезного действия лазерных методов разделения изотопов, эффективности магнитогидродинамического способа преобразования энергии, разработке новых экологически чистых технологий преобразования световой энергии в электрическую и др.

БИБЛИОГРАФИЯ 1. Моргулис Н.Д., Корче вой Ю.П., Пржонский А.М. // ЖЭТФ. 1967. Т.53.

С.417.

2. Райзер Ю.П. // Физика газового разряда. М.: Наука. 1987.

3. Ключарев А.Н., Безуглов Н.Н. // Процессы возбуждения и ионизации атомов при поглощении света. Л.: Изд-во ЛГУ, 1983.

4. Девдариани А.З., Ключарев А.Н. // Журнал Прикладной спектр. 1979. Т.30.

С.197.

5. Ключарев А.Н. Янсон М.Л. // Элементарные процессы в плазме щелочных металлов. М.: Энергоатомиздат, 1988.

6. Ключарев А.Н., Рязанов Н.С. // Оптика и спектр. 1972. Т.32. С.1253.

7. Ключарев А.Н., Сепман В.Ю., Вуйнович В. // Оптика и спектр. 1977. Т.42.

С.588.

8. Девдариани А.З., Ключарев А.Н., Лазаренко А.В., Шеверев В.А. // Письма ЖЭТФ. 1978. Т.4. С.1013.

9. Ключарев А.Н., Лазаренко А.В. // Оптика и спектр. 1972. Т.32. С.1063.

10. Бородин В.М., Комаров Н.В. // Оптика и спектр. 1974. Т.36. С.250.

11. Пржонский А.М. Ключарев А.Н. и др. // Оптика и спектр. 1979. Т.47. С.194.

12. Шапарев Н.Я. // ЖЭТФ. Т.80. С.957.

13. Бетеров И.М., Елецкий А.В., Смирнов Б.М. // ЖЭТФ. 1988. Т.155. С.265.

14. Klucharev A.N., Vujnovic V. // Physics Reports. 1990. V.185 P.55.

15. Ключарев А.Н. // УФН. 1993. Т.163. С.39.

16. Безуглов Н.Н., Ключарев А.Н. // Журнал Прикладной спектр. 1979. Т.30.

С.549.

17. Bezuglov N.N., Klucharev A.N., Sheverev V.A. // J. Phys. B. 1984. V.17. P.L 449.

18. Безуглов Н.Н., Вуйтович В., Ключарев А.Н., Шеверев В.А. // Оптика и спектр. 1989. Т.66. С.1239.

19. Бородин В.М. Добролеж Б.В., Ключарев А.Н., Цыганов А.Б... Оптика и спектр. 1995. Т.78. С.20.

20. Безуглов Н.Н., Бородин В.М., Ключарев А.Н., Физо Ф., Аллегрини М., Янсон М.Л. Орловский К.В. // Оптика и спектр. 1999. Т.86. С.922.

21. Девдариани А.З., Ключарев А.Н., Пенкин Н.П., Себякин Ю.Н. // Оптика и спектр. 1988. Т.64. С.706.

22. Bezuglov N.N., Klucharev A.N., Taratin B., Stacewicz T., Molisch A.F., Fuso F., Allegrini M. // Optics Communication. 1995. V.120. P.249.

23. Bezuglov N.N., Klucharev A.N., Molisch A.F., Allegrini M., Fuso F., Stacewicz T. // Phys. Rev. E. 1997. V.55. P.3333.

24. Bezuglov N.N., Molisch A.F., Klucharev A.N., Fuso F., Allegrini M. // Phys. Rev.

1998. V.A57. P.2612.

25. Bezuglov N.N., Molisch A.F., Klucharev A.N., Allegrini M. // Phys. Rev. 1999.

V.A59. P.4340.

26. Ключарев А.Н. // Оптика и спектр. 1968. Т.24. С.289.

В.И. Яковлева СТОЛКНОВЕНИЯ АТОМОВ С ЭЛЕКТРОНАМИ.

ОПЫТЫ ПО ВОЗБУЖДЕНИЮ АТОМОВ ПУЧКАМИ ЭЛЕКТРОНОВ С начала 50-х годов на кафедре оптики была предпринята серия работ по измерению эффективных сечений возбуждения атомов электронным ударом.

Необходимость такого рода исследований была вызвана тем, что возбуждение атомов при столкновениях с электронами является одним из основных процессов, определяющих оптические свойства плазменной среды, и для реше ния ряда практических задач необходимо было иметь количественные характе ристики скорости таких столкновений. Необходимо было измерить эффек тивные сечения возбуждения атомов электронным ударом. Опубликованные к тому времени в научной литературе данные были весьма скудными и не всегда надёжными. Кроме того, сама по себе проблема неупругих столкновений атомов с электронами была недостаточно разработана в квантовой теории и надежные экспериментальные данные по абсолютным величинам вероятностей процессов при столкновении были совершенно необходимы для проверки теории.

Первой публикацией результатов многолетней серии исследований на кафедре Оптики была статья С.Э. Фриша и И.П. Запесочного [1] по измерению оптических функций возбуждения линий атома ртути. Использовался наиболее совершенный в то время – оптический – метод измерений. Источником излучения служила небольшая стеклянная трубка возбуждения, на вводах которой монтировалась миниатюрная электронная пушка. Пушка позволяла получать пучки электронов нужной геометрии, плотности и скорости. Условия эксперимента подбирались такими, чтобы в переделах исследуемого объёма столкновения электронов с атомами происходили только однократно и в них участвовали атомы только в основном состоянии. В этом случае яркости спектральных линий I линейно зависят от числа возбуждающих электронов и от концентрации нормальных атомов. Коэффициентом пропорциональности между этими величинами (с точностью до некоторого постоянного коэффициента) является величина так называемого эффективного сечения возбуждения линии.

Сечение возбуждения зависит от энергии возбуждающих электронов. Если обозначить максимальную яркость линии при изменении энергии электронов через I0, а энергию электронов – V, то I = I0 f (V).

Функция f(V) называется оптической функцией возбуждения линии. Она безразмерна и равна единице в максимуме.

Первые же опыты по измерению функций возбуждения показали, что при энергии электронов больше пороговой (соответствующей потенциалу возбуждения) оптические функции возбуждения, как правило, круто возрас тают, достигая более или менее острого максимума, после чего спадают.

Авторам работы [1] удалось значительно увеличить степень монокинетичности пучка электронов по сравнению с предыдущими опытами, выполненными за рубежом. Разброс электронов по энергиям не превышал 0.5 эВ. Увеличение монокинетичности позволило обнаружить сложную "тонкую структуру" на некоторых оптических функциях возбуждения, которые раньше выглядели вполне «гладкими». Это был неожиданный и очень интересный результат. Происхождение наблюдаемой "тонкой структуры" на оптических функциях возбуждения было не совсем понятно, а полная ее интерпретация до сих пор не разработана. Несколько позже тонкую структуру на ряде линий ртути наблюдали уже и другие исследователи [2].

С.Э. Фриш и И.П. Запесочный предположили, что для линии ртути 546.1 нм максимумы на оптической функции возбуждения соответствуют каскадным радиационным переходам с более высоколежащих уровней. Однако далеко не все максимумы могли быть объяснены каскадными переходами. В частности, в работе [2] остались не объясненными припороговые максимумы на функции возбуждения линии ртути 253.7 нм. Отсюда возникло, с одной стороны, требование дальнейшего усовершенствования техники эксперимента, а с другой – более детального анализа процессов возбуждения свечения линий в условиях проводимых опытов.

Дальнейшее улучшение степени монокинетичности электронного пучка, предпринятое сотрудниками кафедры И.П. Богдановой и И.И. Гейци, позволило более четко выявить тонкую структуру на оптических функциях возбуждения ртути, и наблюдать формирование припорогового максимума на функциях возбуждения гелия при добавлении небольших количеств легкоионизуемой примеси [3]. Это удалось сделать, используя метод модулированного электрон ного пучка. Сущность этого метода заключалась в том, что на один из электро дов, формирующих электронный пучок, подавался задерживающий потенциал, величина которого модулировалась с некоторой частотой и малой амплитудой dV. Сигнал от свечения, возникающего в трубке возбуждения, усиливался узкополосным усилителем на той же самой частоте. Таким образом, можно было регистрировать лишь ту составляющую свечения, которая обуславли валась электронами, энергии которых лежали приблизительно в интервале 2dV.

Применение метода модулированного пучка соповождалось некоторыми эффектами, сущеность которых до сих пор не ясна. Вместе с тем, его использование позволило провести исследования с разрешением по энергиям 0.3 эВ. Был выявлен ряд добавочных подробностей в тонком строении опти ческих функций возбуждения, однако, обнаружение этих деталей со всё большей настоятельностью требовало ответа на вопрос об их происхождении.

Важным шагом в понимании природы этой структуры стало дальнейшее усовершенствование техники исследований – разработки и применения нового метода импульсного пространственно-временного анализа процессов заселения и разрушения энергетических уровней атомов. Этот метод был предложен И.П. Богдановой, к тому времени старшим научным сотрудником лаборатории С.Э. Фриша, и впоследствии широко применялся для исследования процессов возбуждения.

Временной анализ процессов заселения и разрушения уровней проводился при возбуждении газа кратковременными импульсами пучка элек тронов. В одноканальном варианте временной развертки излучения с помощью линии переменной задержки регистрировалось свечение, возникающее в различные моменты времени прохождения пучка электронов через зону наблюдения. На переднем фронте возбуждающего импульса получалась собственно функция возбуждения исследуемого уровня, а измерения после обрыва импульса могли давать функции возбуждения состояний, взаимодействие с которыми приводит к заселению изучаемого уровня, если эти состояния имеют различные скорости дезактивации.

Метод временной развертки излучения был впервые использован И.П. Богдановой и В.Д. Марусина в работе [4] для объяснения тонкой структуры оптической функции возбуждения линии ртути 546.1 нм. Было установлено, что сложный характер этой функции в значительной степени обусловлен заселением исследунмого верхнего уровня 73S1 каскадными переходами с более высоколежащих состояний. Измерения яркости линии при различной энергии электронов на переднем фронте возбуждающего импульса позволило получить функцию возбуждения самого уровня 73S1.

Перспективность использования импульсного метода возбуждения для изучения процессов электронно-атомных столкновений была сразу же отмечена научной общественностью. Сборник материалов по электронно-атомным столкновениям, посвященный 60-летию Месси в 1968г., был прислан С.Э. Фришу. В этом сборнике приводились результаты работы [4] и давалась высокая оценка разработанному методу. Импульсный метод возбуждения газов или паров металлов для измерения величин эффективных сечений получил дальнейшее развитие в трудах сотрудников лаборатории С.Э.Фриша:

И.П. Богдановой, В.Е. Яхонтовой, С.В. Юргенсона, В.И. Яковлевой [5,6]. До последнего времени данные, полученные с использованием этого метода, считаются наиболее достоверными и надёжными [7].

В середине 60-х годов И.П. Богдановой и В.Д. Марусиным был разработан метод измерения эффективных сечений возбуждения метастабильных и резонансных уровней атомов, основанный на использовании процессов передачи энергии возбуждения при атомно-атомных столкновениях в смеси двух различных газов и паров. При разработке этого метода авторы воспользовались высокой энергетической селективностью передачи энергии возбуждения за счёт таких соударений. Метестабильный атом, или резонансно возбужденный, излучение с которого лежит в области спектра, недоступной измерениям, при столкновении передают свою внутреннюю энергию атому, или молекуле излучающей примеси, спектр излучения которой расположен в легко доступной области. Подбор примеси, имеющей излучающие уровни, располо женные в резонансе с интересующими исследователя метастабильными или резонансными состояниями основного газа, позволяет их легко детектировать.

Таким методом были определены эффективные сечения возбуждения мета стабильных уровней гелия [8], ртути [9], резонансных уровней криптона и аргона [10].

Важно отметить, что импульсный метод позволяет не только отделить прямое электронное возбуждение от всех остальных, дополнительных, процессов заселения состяоний, но и проводить изучение кинетики самих этих процессов, если только времена их жизни оказываются больше радиационных времен жизни исследуемых уровней.

Первые систематические исследования были проведены в гелии.

Казалось, что этот одноатомный газ окажется достаточно простым объектом исследования. В то же время из работ, выполненных за рубежом ещё в 30-е годы, было известно, что некоторые атомарные уровни гелия заселяются нелинейно с увеличением давления газа. Наиболее ярко влияние давления газа на форму функций возбуждения проявлялось на линиях, соответствующих переходам с уровней n3D (n – главное квантовое число). Уже в конце 50-х годов на кафедре оптики В.Е.Яхонтовой были проведены измерения функций возбуждения всех спектральных линий гелия оптического диапазона при малых давлениях газа. Ей удалось показать, что искажение формы функций возбуждения, упомянутое выше, происходит из-за того, что в условиях прежних экспериментов нарушалось условие однократности столкновений с атомами газа. В работе [11] В.Е. Яхонтова и С.Э. Фриш оценили вклад каскадных переходов в заселение различных уровней гелия. Оказалось, что в случае гелия каскадное заселение играет весьма малую роль. Так что искажение формы функций возбуждения невозможно объяснить в рамках представлений о неупругом взаимодействии электрона с атомом.

Подробное исследование влияния давления газа на ход яркостей спектральных линий этой серии (n=3,4,5) при разных энергиях возбуждающих электронов, проведенное в работе [12], показало, что, например, при изменении давления газа в 17 раз (от 2 до 34 мТор) яркость линий возрастает в 90 – 100 раз при энергии электронов 100 эВ. Это определенно свидетельствовало о наличии добавочных источников заселения исследуемых уровней, несвязанных с каскадными переходами с более высоколежащих уровней.

В 1964г. в статье И.П. Богдановой, О.П. Бочковой и С.Э. Фриша [13] было высказано предположение о большой роли ионно-молекулярных образо ваний в формировании заселенностей возбужденных состояний атомов. Для обоснования этого предположения был выполнен большой цикл работ, в которых было проведено изучение механизмов заселения уровней в различных газах и условиях.

Измерения в импульсном режиме работы трубки возбуждения с временной разверткой излучения показали, что форма функций возбуждения спектральных линий с уровней n3D очень сильно меняется в зависимости от того, в какой момент от начала возбуждающего импульса происходит регистрация сигнала. Форма функции, записанная после обрыва импульса, в послесвечении, совпадала с формой функции, полученной при больших давлениях газа в постоянном пучке электронов. Это означает, что искажающее форму функции возбуждения избыточное заселение имеет длительность большую, чем радиационные времена жизни этих уровней. Далее оказалось, что даже при очень малых давлениях (Р=1 мТор) при энергии возбуждающих электронов 100 эВ в распаде n3D уровней присутствует лишь одна компонента свечения со временем, превышающим надежно вычисленные теоретически радиационные времена жизни на два порядка.

Полученные результаты свидетельствовали о том, что при энергии электронов 100 эВ, даже при малых давлениях газа, заселение указанных уровней целиком и полностью обусловлено не прямым электронным возбуждением из основного состояния атома, а процессом, имеющим совсем другое происхождение. Этот процесс приводит к искажению формы оптических функций возбуждения при больших энергиях электронов, а величины эффективных сечений оказываются зависящими от давления газа и утрачивают смысл атомной константы. Удалось установить, что в области давлений 1 – мТор при энергии возбуждающих электронов 100 эВ для всех изученных уровней nD эффективные сечения линейно растут с увеличением давления газа.

Впоследствии в работе Ван Раана [14] была подтверждена линейная зависимость кажущихся сечений возбуждения этих уровней вплоть до давлений 0.01 мТор. Скорость такого роста увеличивалась с увеличением энергии электронов вплоть до 1 кэВ. В работе [15] было показано, что такая зависимость не может быть объяснена передачей энергии возбуждения за счёт неупругих атом-атомных столкновений с атомами, возбужденными в n1P-состояния, преимущественно возбуждающихся при высоких энергиях электронов.

Измерения, проведенные при малых давлениях в других инертных газах, а также в парах металлов кадмия и цинка, показали, что абсолютные значения эффективных сечений возбуждения многих уровней также обнаруживают рост с увеличением давления газа.

Исследования послесвечения линий с триплетных n3D и n3S уровней кадмия привели к неожиданному результату: на кривых послесвечения кроме короткой компоненты, соответствующей радиационному времени жизни изуча емого уровня, наблюдался "горб" – максимум яркости [16]. Это послесвечение было изучено в зависимости от давления паров, энергии возбуждающих электронов и тока в пучке, а также от длительности возбуждающего импульса.

Оказалось, что длительное послесвечение ведёт себя при изменени давления газа так же, как дополнительное заселение уровня, наблюдаемое при возбуждении паров непрерывным электронным пучком и описанное ранее. Это свидетельствует о том, что длительное послесвечение и добавочное заселение уровней являются проявлением какого-то одного и того же процесса.

Дальнейшие усилия были направлены на более детальное изучение немонотонного характера изменения послесвечения во времени. Для этой цели была существенно уменьшена зона наблюдения, излучение которой регистрировалось, и использовалось точное перемещение точки наблюдения вдоль электронного пучка. Временной анализ процессов заселения проводился с помощью многоканальной схемы регистрации излучения, что позволяло увидеть сразу всю картину послесвечения как во время прохождения импульса электронов, так и после его обрыва. Оказалось, что картины послесвечения на спектральных линиях, соответствующие участкам пучка, удаленным на различные расстояния от электродов, различаются между собой. Помимо максимума яркости, отвечающего импульсу электронного возбуждения, на кривых послесвечения присутствовали, в общем случае, еще два максимума, времена формирования которых изменялись при перемещении точки наблюдения, как если бы они были обусловлены излучением движущихся пакетов частиц. Опыты, проделанные И.П. Богдановой, С.В. Рязанцевой, А.Б. Цыгановым и В.Е. Яхонтовой [16] с целью выяснения природы этих частиц, показали, что вдоль пучка движутся пакеты положительных ионов.

Поскольку наблюдение проводилось по атомарным линиям кадмия и цинка, можно было заключить, что пакеты движущихся в эквипотенциальном пространстве частиц представляют собой положительно заряженные долгоживущие комплексные ионы, диссоциация которых (спонтанно или в столкновениях) приводит к образованию возбужденных атомарных фрагментов.

На основе анализа всех данных нами был сделан вывод о том, что наблю даемые пакеты могут образовываться в результате срыва ионов с поверхностей сеток электродов, обусловленного электронно-стимулированной десорбцией.

Конструкция электронной пушки позволяет использовать её в качестве простейшего масс-пролётного спектрометра. Для этой цели на электроды электронной пушки подается напряжение, позволяющее двигаться в заданном направлении только положительным ионам. Такой режим работы электронной пушки получил в дальнейшем название режима "ионного пучка", поскольку при указанном распределении потенциалов электроны в пространство наблюдения не попадают. Перемещение зоны наблюдения и регистрация соответствующего сигнала с разверткой во времени позволяют определять скорости десор бированных частиц, а также и их удельные заряды (отношения m/ne).

Наблюденные закономерности позволили предположить, что атомарные уровни кадмия и цинка заселяются через диссоциацию возбужденных молекулярных ионов, десорбированных с сеток электродов трубки возбуждения.

Разработанный масс-пролётный оптический метод идентификации срываемых с поверхностей сеток ионов был в дальнейших наших работах использован для изучения процессов заселения атомарных и ионных уровней инертных газов. Выяснилось, что все возбужденные состояния, на которых ранее была наблюдена зависимость эффективных сечений от давления и длительные компоненты в послесвечениии, заселяются через диссоциацию возбужденных молекулярных ионов, причём, эффективность этого заселения разная для разных уровней [17,18].

Изучить различные стороны обнаруженного явления образования возбужденных состояний через диссоциацию десорбированных комплексных ионов и исследовать свойства этих частиц помогли работы И.П. Богдановой, Г.В. Ефремовой и В.И. Яковлевой с молекулярными газами: H2, D2, N2, NH [19,20]. Обнаружилось, что структурный состав десорбированных частиц может быть достаточно сложным. Так, например, в случае аммиака срываются комплексные ионы (NH3)3+*, которые можно считать кластерными ионами. С помощью специально разработанных методик определялись пороги возбуж дения этих кластерных ионов, длительности их жизни, эффективности данного процесса заселения уровней при разных энергиях десорбирующих электронов [21]. В некоторых случаях эффективность образования возбуждённых состояний через кластерный канал превышала в несколько раз эффективность возбуждения тех же состояний электронным ударом из основного состояния. В настоящее время эти методики используются для исследования процессов образования возбуждённых частиц в смесях инертных газов ЛИТЕРАТУРА 1. Фриш С.Э., Запесочный И.П. ДАН СССР, 1954, Т.55, С. 971.

2. Jongerius H.M., Smit J.A. Appl.Sci.Res. 1955, V.5, P.59.

3. Богданова И.П., Гейци И.И. Опт. и спектр. 1963, Т.14, С, 588.

4. Богданова И.П., Марусин В.Д. Опт. и спектр.1966,Т.21,С.252-254.

5. Богданова И.П., Юргенсон С.В. Опт. и спектр. 1986, Т.61, С.22.

6. Богданова И.П., Вейде О.В., Яковлева В.И. Опт. и спектр. 1996, Т.81, 3,С.366-368.

7. Heddle D.W.O., Gallagher Jean W. Rev. Mod. Phys. 1989, V.61, P.221.

8. Богданова И.П., Марусин В.Д. Опт. и спектр. 1969, Т.27, С.724.

9. Богданова И.П., Марусин В.Д. Опт. и спектр. 1971, Т.31, С.339.

10. Богданова И.П., Марусин В.Д. Опт. и спектр. 1969, Т.26, С.154.

11. Фриш С.Э., Яхонтова В.Е. Вестник ЛГУ 1959,Т.10,С.27-42.

12. Богданова И.П., Фриш С.Э., Яковлева В.И. Опт. и спектр. 1974, Т.37, С.807 809.

13. Богданова И.П., Бочкова О.П., Фриш С.Э. ДАН СССР 1964,Т.156, С.54-58.

14. Van Raan A.F.G., Mott P.G., Van Eck J. J.Phys.B 1974,V.7, P.950-954.

15. Богданова И.П., Яковлева В.И. Опт. и спектр. 1994,Т.76,в.5, C.717-719.

16. Богданова И.П., Рязанцева С.В., Цыганов А.Б., Яхонтова В.Е. Опт. и спектр.

1980, Т.50, В.5 С.1006-1015.

17. Богданова И.П., Яковлева В.И. Опт. и спектр. 1994,Т.76, в.5, C.717-719.

18. Богданова И.П., Яковлева В.И. Опт. и спектр. 1994,Т.77, в.5, С.714-717.

19. Богданова И.П., Яковлева В.И. Опт. и спектр. 1982,Т.52,в.2, 226-230.

20. Богданова И.П., Ефремова Г.В., Яковлева В.И. Опт. и спектр., 1982,Т.52,в.6,С.967-969.

21. Богданова И.П., Рязанцева С.В., Яхонтова В.Е. ЖТФ 1982, Т.52, в.6, С.1151 1156.

А.З. Девдариани РАБОТЫ ПО ТЕОРИИ АТОМНЫХ СТОЛКНОВЕНИЙ Ученые, которые принесли мировую славу Физическому Институту, хорошо понимали сложный характер взаимосвязи теории и эксперимента в физике. В "золотую" для физики послевоенную эпоху соединение теории и эксперимента не нужно было подкреплять организационно, оно рождалось из повседневных личных контактов. Так по предложению С.Э. Фриша в 1947г.

В.А. Фок решил задачу о движении ионов в плазме. Н.П. Пенкин постоянно взаимодействовал с М.Г. Веселовым и М.И. Петрашень по вопросам теоретической спектроскопии, а с Г.Ф. Друкаревым – по теории электронно атомных столкновений.

На рубеже 60-ых годов характер сотрудничества постепенно менялся, приобретая все более планомерный характер. Наверное, первой работой в новых условиях было вычисление сечения удвоения возбуждения сотрудниками теоретического отдела НИИФ В.М. Бородиным и И.В. Комаровым. Эта работа была инициирована экспериментами А.Н. Ключарева в лаборатории С.Э.Фриша и впоследствии породила целый цикл работ в зарубежной литературе.

Н.П. Пенкин, став заведующим отделом оптики и спектроскопии и хорошо понимая характер развития исследований в отделе, решает в 1972г.

организовать группу, которая бы занималась расчетами процессов столкновений уже непосредственно в лаборатории атомных констант, позднее преобразованной в лабораторию радиационных и столкновительных процессов.

Вот так автор этих строк и появился в отделе оптики и спектроскопии по рекомендации тогдашнего заведующего кафедрой квантовой механики Ю.Н.Демкова.

Интересно проследить, как со временем менялась тематика работ нашей группы. Сначала это были исследования, прямо или косвенно связанные с процессами столкновений в лазерных средах, – диссоциация и пеннинговская ионизация при столкновениях возбужденных атомов с двухатомными молекулами. В конце 70-ых годов интерес смещается в сторону процессов с высоковозбужденными атомами, фото- и столкновительной ионизации таких атомов. Здесь нам удалось впервые получить удобное асимптотическое выражение для сил осцилляторов переходов между высоковозбужденными состояниями, предложить модель ионизации за счет взаимодействия электронов, установить пороговый закон сечения ассоциативной ионизации и сформулировать концепцию диффузии возбуждения в процессе одного столкновения. Эти работы были тесно связаны с экспериментами А.Н.Ключарева.

Хотя формально наша группа входила в состав лаборатории радиационных и столкновительных процессов, но Н.П. Пенкин поощрял наши контакты с сотрудниками других лабораторий, тем более, что часто задачи представляли общий интерес. Так появился на свет цикл работ по теории констант скоростей атомных столкновений. Здесь удалось по-новому решить важный для обработки эксперимента вопрос о восстановлении энергетических зависимостей сечений из данных по температурным зависимостям констант.

Основанный на прогрессе в этом направлении анализ экспериментальных данных, полученных Ю.А. Толмачевым и В.А. Костенко, позволил в 1980г.

впервые сформулировать и рассчитать особенности реакций, которые лежат в основе первого газового лазера на смеси He-Ne. Отметим, что аккуратный подход к вычислению констант скорости в различных экспериментальных условиях позволил Н.Н. Безуглову установить причины существования разногласий между различными экспериментальными данными.

Существенное место в работе группы занимали и занимают работы по фотонной и электронной спектроскопии процессов столкновений. Совместно с сотрудником теоретического отдела В.Н. Островским удалось сформулировать основы спектроскопии квазимолекул, объяснить и предсказать новые эффекты.

Отметим, в частности, спектроскопию ландау-зинеровских пересечений, которая позволяет связать форму контура спектральной линии с сечением неупругого перехода. В 1983г. нам удалось впервые правильно оценить по форме электронного спектра, измеренного Н.Б.Колоколовым, долю молекулярных ионов, которые образуются при парных столкновениях метастабильных атомов гелия. Впоследствии подобные расчеты были проведены и за рубежом. В настоящее время такие столкновения интенсивно исследуются при сверхнизких температурах, в частности, в связи с изучением так называемого Бозе-конденсата.

Другой цикл работ по спектроскопии квазимолекул (премия Санкт Петербургского физического общества 1995г.) связан с исследованием чисто квазимолекулярных переходов, т.е. таких переходов, которые запрещены в изолированных атомах. В отличие от разрешенных, для которых хотя бы центральная лоренцовская часть контура линии одинакова, формы спектров запрещенных переходов весьма разнообразны, и для каждой новой квазимолекулы приходится проводить новый расчет. Поэтому приближенные, аналитические в основе, методы расчетов поверхностей потенциальной энергии и моментов переходов, которые, уступая по точности расчетам ab initio позволяют быстро получить результат, приобретают особое значение. За развитие работ группы в этом направлении, которое условно можно назвать квантовохимическим, отвечает ст.н.с А.Л. Загребин.

Для последнего десятилетия характерно взрывное развитие экспери ментальных возможностей, которое, видимо, уже сейчас позволяет работать с отдельными атомами и ставить т.н. полные эксперименты, в которых полностью фиксированы начальные и конечные состояния системы, при сверхнизких энергиях столкновений. В этих условиях актуальны расчеты угловых распределений атомных и молекулярных частиц, участвующих в столкновениях, которые сопровождаются излучением или поглощением фотонов. Именно эта тематика сейчас приоритетна для сектора спектроскопии атомно-молекулярных столкновений, в который с 1996г. была преобразована теоретическая группа. Из результатов, полученных в этом направлении, нужно отметить формулировку и разработку так называемых «равномерных»

приближений, которые позволяют описывать спектры и дифференциальные сечения в широком диапазоне контролируемых параметров.

Непременное условие работы теоретиков в коллективе экспериментаторов – некоторая "свобода воли", т.е. возможность решать задачи, которые непосредственно не связаны с экспериментами в лаборатории и отделе.

Надо заметить, что Н.П.Пенкин это хорошо понимал и не припятствовал нам иногда заниматься посторонними, на первый взгляд, задачами. Так нам удалось по-новому подойти к задаче об ионизации атомов при радиоактивном распаде, которой, в связи с делением урана, занимались Н. Бор и А.Б. Мигдал.

Обычно юбилей дает возможность обозреть, что удалось осуществить, подвести итоги. Но это еще и возможность, задуматься над тем, что должно было бы быть сделано, но так и осталось в планах. Одно из таких недооцененных направлений – развитие новых, нетрадиционных методов прикладной спектроскопии. Интересно, что одна из первых работ автора в отделе оптики и спектроскопии была как раз сделана в сотрудничестве с лабораторией спектрального анализа А.А.Петрова. И сейчас мы как бы стремимся наверстать упущенное, разрабатывая теоретические аспекты спектроскопии плотной горячей плазмы совместно с сотрудниками университета Пьера и Марии Кюри.

Говоря о международном сотрудничестве, стоит подчеркнуть, что в современных условиях это, пожалуй, одна из немногих возможностей для нашего сектора поддерживать приемлемый уровень исследований. Поэтому мы активно участвуем в сетевом проекте INTAS и ряде других международных программ.

Снова возвращаясь к итогам, думаю, что один из главных результатов прошедших лет – это девять выполненных в нашем секторе кандидатских диссертаций и два новых молодых сотрудника сектора – Е. Чесноков и Д. Русов.

Я.Ф. Веролайнен ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ВРЕМЕН ЖИЗНИ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ АТОМОВ И ИОНОВ В традиционных методах определения абсолютных значений вероятностей переходов и сил осцилляторов (Akl, flk) самой трудной задачей было определение абсолютной концентрации атомов. С целью преодоления этой трудности на кафедре оптики в лаборатории фотометрии под руководством проф. А.Л. Ошеровича было решено начать работы по определению значений радиационных времен жизни (n,l) возбужденных состояний атомов и ионов.

Как известно, величины Aki, fik и (n,l) связаны между собой довольно простыми аналитическими соотношениями, в которые концентрации атомов не входят.

С целью измерения (n,l) было решено использовать метод задержанных совпадений, разработанный ранее в ядерной физике для измерения времен жизни состояний атомных ядер. Метод модифицировали для применения в оптической области спектра, заменив приемники ядерных излучений на малоинерционные фотоумножители, способные порознь регистрировать отдельные фотоны.

В качестве импульса «стартового» канала в методе задержанных совпадений использован короткий (порядка 10-8 с) импульс пучка электронов, который возбуждал исследуемый уровень атома. Так метод задержанных совпадений вошел в физику исследований возбужденных состояний атома.

В дальнейшем метод непрерывно развивался и в настоящее время представляет собой совершенный и прецизионный многоканальный метод временного анализа процессов распада заселенности возбужденных состояний атомов, ионов и молекул в широком временном интервале – от 1 до 10-12 с и спектральном диапазоне от ближней инфракрасной до короткой ультрафиолетовой и субрентгеновской области. В разработке и развитии методов в разное время принимали участие под руководством А.Л. Ошеровича Я.Ф. Веролайнен, М.Л. Бурштейн, Н.Н. Безуглов, Е.Н. Борисов, Г.А. Плехоткин, Л.Н. Рубинов, также многочисленные аспиранты, студенты и стажеры.

Лаборатория была первой и единственной в СССР и СНГ.

Разработанная в лаборатории техника измерений была использована сотрудниками кафедры оптики и тесно связанными с ней учеными факультета и института для изучения многих быстро протекающих процессов в различных средах и системах. Метод совершенствовался преимущественно в направлении расширения скорости получения информации, что обеспечивало возможность исследования сложных физических процессов и развития точных измерений самых разнообразных атомных констант.

Известно, что возбужденные состояния свободных атомов в результате сложных эффектов, описываемых квантовой электродинамикой, нестабильны.

Будучи заселены с помощью какого-либо внешнего воздействия, они распадаются, причем распад должен происходить по экспоненциальному закону, а среднее время распада является характеристикой данного состояния.

Результаты самых первых измерений, проведенных в лаборатории, вполне можно было описать экспоненциальным законом в пределах достигнутой тогда точности измерений. Однако скоро выяснилось, что как в любом другом эксперименте у метода задержанных совпадений имеются свои «подводные камни». Если не принимать их во внимание, они являются источником ошибок, если же тщательно анализировать и учитывать – то они служат источником дополнительной ценной информации. В методе задержанных совпадений главным принципиальным источником погрешностей оказались каскадные переходы. Возбуждение атомов электронным пучком недостаточно селективно по энергиям, поэтому заселяется одновременно множество состояний, и в результате каскадных радиационных переходов уже после прекращения импульса возбуждения происходит перераспределение заселенности уровней, которое искажает простой экспоненциальный распад.

Работы кафедры показали, что это явление имеет очень общий характер и играет значительную роль даже при лазерном возбуждении. Постепенно, без ссылок на наши оригинальные исследования, это стало общепринятым во всем мире.


Несмотря на то, что первая работа, посвященная измерению времен жизни методом задержанных совпадений появилась уже в 1958 году, систематические исследования начались лишь в 1965 году. В последующем был накоплен обширный материал по значениям радиационных времен жизни атомов и ионов всех групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

Появление в конце 60-х годов лазеров и лазерной физики, необходимость научного исследования процессов формирования инверсной заселенности уровней потребовали расширения работ по измерению времен жизни атомов и ионов. С этой целью были созданы специальные лаборатории во многих странах. Техника экспериментов постоянно совершенствовалась, появилась возможность измерить времена жизни многих уровней, принадлежащих одной спектральной серии, и изучить закономерности их распределения.

Теория предсказывала наличие достаточно простых закономерностей в серии. В монографии Г. Бете [1] было показано, что для атома водорода должно выполняться соотношение:

(n,l) = C(l) n3, (1) где n – главное квантовое число, l – орбитальное (в случае одной серии l = const), C(l) – константа для данной серии. Если состояния с одинаковым n и всеми возможными l смешаны, то время жизни состояний усредняется, и для n ного состояния атома водорода (n) = D n4,5 (2) где D – другая, точно известная из теории константа. Наличие подобных закономерностей позволило бы, измерив времена жизни небольшого числа членов серии, предсказать значения (n,l) для всех остальных.

Нами была предпринята поверка соотношений (1) и (2). Используя все имеющиеся в нашем распоряжении экспериментальные и теоретические данные для атома водорода, удалось установить следующее:

1) для S-серии состояний формула (1) выполняется только начиная с n = 12, а при n от 3 до 12 принимает значения от 1.42 до 2.81;

2) все остальные серии атома водорода подчиняются соотношению (1) с показателем степени от 2.93 до 2.97;

3) в соотношении (2) показатель степени равен 4.5 для n 9, а при n от 3 до меняется от 4.75 до 4.5.

В 1975 году одновременно в работах разных исследователей было установлено, что и для возбужденных состояний сложных атомов – Ne I, Hg I и Na I – выполняется степенной закон изменения времен жизни при увеличении главного квантового числа для заданного l:

(n,l) = 0 n, (3), где 0 и - константы для данной серии. Величина для некоторых серий достигала 6. Работа по спектру Hg I была выполнена в нашей лаборатории [2].

В дальнейшем, нами было установлено, что для большого числа серии уровней сложных атомов выполняется соотношение типа (3), где вместо главного квантового числа используется эффективное квантовое число, при этом значение варьировало от 2.8 до 4.

Дальнейший поиск достаточно простых закономерностей в связи времен жизни с энергетическими характеристиками атомов, которые хорошо изучены с высокой точностью, показал, что лучше выполняются закономерности вида:

(n,l) = А(Е) n- (4), где Е – энергетический зазор между соседними уровнями серии, т.е.

состояниями с одинаковым значением l, а величины А и - характерные константы.

Появление эффективного квантового числа вместо истинного главного в соотношениях для времен жизни неудивительно, поскольку и время жизни состояния, и энергия связи электрона в атоме для этого состояния определяются структурой волновых функций атома. Особенно отчетливо это проявилось для уровней, испытывающих «возмущения» соседними в результате межкон фигурационных взаимодействий. Детальное теоретическое описание этой связи было дано Н.Н.Безугловым в работе [3].

Установленные эмпирически и подтвержденные теоретически закономерности дали основу для достоверной оценки времен жизни состояний, времена жизни которых отсутствуют в научной литературе. Одновременно они стали базой для качественной оценки результатов измерений времен жизни некоторых состояний атомов, для которых существовали значительные расхождения в значениях.

Как уже было отмечено выше, в конце 60-х годов во многих странах были организованы лаборатории по исследованию времен жизни атомов и ионов, что было вызвано потребностями, прежде всего, лазерной физики. В этих лабораториях использовались разные методы, основанные на разных физических эффектах, измерения проводились в широком диапазоне изменений условий возбуждения атомов и полученные значения времен жизни не всегда согласовывались между собой. Возникла проблема определения наиболее достоверных значений. Для этого в нашей лаборатории была организована работа по анализу всего накопленного в публикациях материала. Были изучены всевозможные источники ошибок использовавшихся методов, оценены условия, в которых проводились измерения и основные факторы, влияющие на величины измеряемых времен жизни. В результате такой работы для каждого уровня отбирались наиболее достоверные значения единичных измерений и были получены средне-взвешенные величины времени жизни, которые можно было рассматривать в качестве рекомендованных. Такая работа была проведена по всем группам Периодической системы. Таблицы рекомендованных значений вошли в справочник по атомным константам [4].

ЛИТЕРАТУРА 1. Bethe H.A., Salpeter E.E., Quantum Mechanics of One- and Two-Electron Atoms (Academic Press, NY, 1957).

2. Ошерович А.Л., Борисов Е.Н., Бурштейн М.Л., Веролайнен Я.Ф. Опт. и спектр. 1975. Т.39. С.840.

3. Безуглов Н.Н., Борисов Е.Н., Веролайнен Я.Ф., УФН. 1991. Т.161. С.3.

4. Веролайнен Я.Ф. Справочник констант элементарных процессов с участием атомов, ионов, электронов и фотонов. Под ред. А.Г. Жиглинского. –СПб.:

Изд. С.-Петербургского университета, 1994. С276.

А.А. Митюрева Метастабильные атомы и электроны Метастабильные атомы являются мощными аккумуляторами энергии, обладающими временами жизни, на много порядков величины превышающими время жизни любого другого возбужденного состояния и характеристическое время многих элементарных фото-, био- и электрохимических реакций. Наличие метастабильной компоненты в среде делает последнюю активированной, а в активной системе может быть преодолен потенциальный барьер многих процессов, практически невероятных в обычных условиях. Кроме того, вероятность взаимодействия разных частиц с атомами в метастабильном состоянии намного превышает соответствующую вероятность взаимодействия с атомами в основном состоянии. Так, вероятность рассеяния электронов на метастабильных атомах на порядки величины превышает вероятность их рассеяния на нормальных атомах. Таким образом, присутствие метастабильной составляющей в реакции рассеяния, благодаря её специфике, оказывает огромное влияние на вероятность и качество процесса взаимодействия.

Влияние метастабильных атомов и молекул на свойства разряда и различные реакции с участием метастабильной компоненты с большим успехом изучались и продолжают изучаться на кафедре оптики в нескольких лаборато риях в течение десятков лет в связи с исследованиями элементарных процессов, протекающих в стационарной и распадающейся плазме газового разряда.

Эти работы посвящены изучению десятков, если не сотен различных процессов, протекающих с участием возбужденных частиц, главным образом, атомов, имеющих метастабильные состояния, в частности, всех атомов инертных газов, металлов 2-ой группы таблицы Менделеева и других. Здесь имеются в виду процессы взаимодействия метастабильных атомов с атомами же и молекулами собственного и примесного газов, с электронами и ионами, со скоплениями частиц и кластерами.

Результаты этих исследований опубликованы в сотнях (тысячах) оригинальных статей в ведущих научных журналах Советского Союза, России и международных журналах, сотни раз докладывались на Всесоюзных, Всерос сийских и международных конференциях и обобщены во многих обзорах, сборниках и книгах.

Вместе с тем, данные об атомных характеристиках процессов образования и разрушения самих метастабильных состояний практически отсутствовали;

во всяком случае, до последнего времени отсутствовали надежные и систематизированные количественные данные по вероятностям взаимодействия электронов с метастабильными атомами, которые не поддавались измерению в прямом, т. е. не плазменном, эксперименте. Имеются в виду такие характеристики, как сечения образования метастабильных состояний электронным ударом и сечения разрушения метастабильных атомов электронным ударом с соответствующим возбуждением вышележащих уровней и зависимости этих сечений от энергии налетающих электронов:

1) Ао + е Ams + e – образование метастабильных состояний (ОМС) и 2) Ams + e А** + е – возбуждение метастабильных состояний (ВМС).

В условиях плазмы газового разряда могут быть измерены и измерялись константы скорости возбуждения атомов из метастабильных в вышележащие состояния. Этот процесс в плазме естественно назывался «ступенчатым возбуждением». Наиболее полно его исследования и измерения таких констант проводились в работах С.Э. Фриша, Н.П. Пенкина, Ю.А. Толмачева, О. П. Боч ковой, Н.Б. Колоколова, Т.П. Редько, Ю.3. Иониха и их сотрудников. Однако зависимости сечений ступенчатого возбуждения от энергии налетающих электронов из исследований в газоразрядной плазме получить нельзя.

Встал вопрос о возможности определения сечений возбуждения метаста бильных атомов, а также и сечений их образования (вопрос, который на кафедре совсем не исследовался) в прямом, не плазменном эксперименте с пучком моноэнергетических электронов. Надо было определить абсолютные значения величин сечений и функции возбуждения, т.е. зависимости сечений от энергии возбуждающих электронов.

Наши работы, начатые в свое время на кафедре оптики под руководством Николая Петровича Пенкина, и посвященные исследованию процессов ионизации с возбуждением атомов в прямых экспериментах с электронным пучком, позволили использовать накопленный опыт, и поставить и решить задачу определения сечений ОМС и ВМС. Эти процессы изучены для весьма важного и для теории, и для приложений случая метастабильных атомов инертных газов. До наших исследований не были известны не только величины сечений, измеренных в прямых экспериментах, но не существовало и методов измерения. В работе, которую проводили Н. П. Пенкин, автор настоящей статьи – А.А. Митюрева, В.В. Смирнов, наши аспиранты и студенты Г.Н. Понома ренко, И.Н. Сивяков, В.Ф. Орлов, Т.Ю. Григорьева, В.П. Аверьянов, С.А. Кор зинина, В.И. Зинченко, были предложены и разработаны прямые методы изучения ОМС и ВМС процессов.


Большое место на кафедре оптики традиционно отводилось исследова ниям инертных газов. История развития атомной физики тесно связана с исследованием инертных газов. Известно, что они находят самое широкое применение в промышленности, и в прикладных, и в фундаментальных исследованиях. Одной из важнейших характеристик инертных газов является наличие у них ярко выраженных метастабильных состояний. И, опять-таки, имеет место определенное противоречие – длительная история исследования, важность этих элементов в практических приложениях и для развития атомной теории, и малая информация об этих весьма значимых метастабильных состояниях. Наши работы, выполненные на кафедре оптики, в значительной степени устранили это противоречие. Разработанными нами методами были измерены сечения ОМС и ВМС процессов всех пяти инертных газов от гелия до ксенона.

В качестве базового, т.е. общего для обоих процессов, и единственно пригодного способа исследования был избран метод "электронного пучка в газовой ячейке с оптической регистрацией продуктов взаимодействия». Опти ческая регистрация рассматривается как опорный способ измерений, на основе которого разработаны конкретные оригинальные методы изучения непосредственно процессов ОМС и ВМС: метод лучеиспускания – для регистрации возбужденных излучающих атомов как продуктов взаимодействия в реакции ВМС, а метод поглощения – с одной стороны, для регистрации метастабильных возбужденных атомов как продукта реакции, образованного в результате процесса ОМС, и с другой – для регистрации исходного для реакции состояния, из которого осуществляется возбуждение, в реакции ВМС.

Для исследования процесса ОМС, было предложено два способа измерения сечений, которые можно рассматривать как новые варианты метода поглощения. Первый способ использует метод относительного поглощения линии линией для определения концентрации метастабильных атомов и метод сдвига фазы, разработанный для случая поглощения, – для определения эффективных времен жизни этих атомов в режиме свободного пролета их на стенки камеры возбуждения. Вариант второй позволяет определить непосредственно, так называемое, число возбуждений метастабильных атомов при рассмотрении нестационарного уравнения баланса при временном или частотном его представлении в методе поглощения.

Для определения ВМС сечений было предложено два подхода, основанные на двух типах разделения метастабиль-образующего и метастабиль возбуждающего электронных ударов: пространственное и временное разделение. Схема пространственного разделения была реализована в двух типах экспериментов: в, так называемых, системе "плазма-пучок" и системе "электронных пучков". В методе "плазма-пучок" использовалась плазма тлеющего разряда в газоразрядной трубке, соединенной стеклянным патрубком с трубкой возбуждения, содержащий пучок моноэнергетических электронов.

Одним из достоинств плазменного метода является возможность формирования мишени сравнительно высокой плотности, т.е. возможность иметь для исследования большие плотности метастабильных атомов. Именно это обстоятельство было использовано нами и составило суть первого из предложенных методов пространственного разделения зон метастабиль образующего и метастабиль-возбуждающего электронных ударов. В системе "электронных пучков" предлагается создать пригодную для измерений плотность метастабильных атомов моноэнергетическими электронами достаточно мощного электронного пучка. При этом, в принципе, можно избирательно заселять отдельные метастабильные состояния за счет регулирования энергии электронов, можно также увеличить плотность возбужденных атомов, подбирая скорость электронов, соответствующую максимальной вероятности образования метастабильных частиц.

Способ временного разделения метастабиль-образующего и метастабиль возбуждающего электронных ударов состоит в следующем. Имеется один импульсный пучок электронов. Первый импульс с энергией, соответствующей максимальной вероятности, образует метастабили, второй импульс с энергией, соответствующей только ВМС – процессу, возбуждает эти метастабильные атомы. Стробирующий импульс, сдвинутый во времени на задержку, при которой все возбужденные состояния, за исключением метастабильных, успевают релаксировать, используется в схеме регистрации оптического сигнала. Преимущество временного способа - в сравнительной простоте установки, а также в большей гибкости эксперимента. В нашей работе этим методом выполнено наибольшее количество измерений.

Функции ВМС мы определяли из экспериментальных кривых зависимостей яркостей спектральных линий от энергий электронов в области, которая заключена между порогами ее возбуждения из метастабильного состояния (ВМС- процесс) и возбуждения из основного состояния (ВОС), т.е. в интервале энергий между порогами ВМС и ВОС возбуждения:

ЕВМС = ЕВМС ЕВОС. Выше порога прямого возбуждения кривая яркости определяется только процессом ВОС возбуждения, так как вклад ВМС при этих энергиях пренебрежимо мал (отношение соответствующих сигналов составляет три-четыре порядка величины), и она совпадает с функцией ВОС возбуждения этой линии.

Существенен вопрос о влиянии каскадного заселения на измеряемое сечение. Он важен тогда, когда из продуктов реакции регистрируется новое состояние мишени, как в оптическом методе, и что в случае процесса ОМС он, можно сказать, является принципиальным, а определяемое сечение является эффективным. Известные понятия эффективного и оптического сечений являются комбинациями атомных констант, и в реальных условиях разреженной низкотемпературной плазмы сами являются, как и сечения прямого электронного возбуждения уровня, - атомными константами, но константами, которые могут весьма значительно различаться между собой. Только в некоторых, довольно редких случаях, когда каскадные процессы малы, и ими можно пренебречь, когда с исследуемого уровня осуществляется один переход в нижележащие состояния, или остальные маловероятны и ими тоже можно пренебречь, – только в этих случаях эффективное сечение близко по величине оптическому сечению и сечению возбуждения уровня, и они могут быть взаимозаменяемы.

В результате проведенных описанными методами измерений получено следующее.

Таблица Сечения электронного возбуждения метастабильных состояний атомов инертных газов в максимумах функций возбуждения в единицах 10-18см2.

Сечения прямого электронного Эффективные сечения возбуждения Не Ne Ar Kr Xe 3 2 S1 5.1 n P2 3.4 34 39 1 2 S0 4.5 n P0 1.3 9 10 В табл.1 и на рисунке приведены в совокупности в абсолютном масштабе функции возбуждения ОМС процесса атомов пяти инертных газов. Для тяжелых инертных газов очень существен каскадный вклад и менее существен – для легких. Эффективное сечение возбуждения 3P2 - и 3P0 - уровней тяжелых инертных газов по порядку величины составляет несколько единиц на 10-17 см2, для легких – оно на порядок меньше. С возрастанием атомного номера величина сечения ОМС (за исключением Ne) растет, а максимум функции возбуждения сдвигается в более низкоэнергетическую область, и форма функции возбуждения становится более острой.

Из наших измерений сечений ОМС процесса следует главный вывод о том, что доминирующим процессом в заселении метастабильных уровней атомов тяжелых инертных газов при энергиях вблизи максимума функции возбуждения является каскад. Этот вывод подтверждается совпадением (в пределах ошибки эксперимента) эффективных сечений возбуждения метастабильных атомов с суммой оптических сечений возбуждения спектральных линий, участвующих в каскаде на эти уровни. Это весьма нетривиальный результат, поскольку обычно каскадный вклад в сечения или велик, или мал, но редко, когда он практически полностью определяет процесс заселения уровней. При энергиях электронов от порога возбуждения уровня 3P до порога появления каскадов имеем в чистом виде сечение прямого электронного возбуждения уровня.

-17 Qom, 10 см P Kr Xe Ar He Ne 2S E, эВ 10 20 -17 Qom, 10 см Kr Xe Ar Ne E, эВ 10 Переходим от процесса образования к процессу возбуждения из метастабильных состояний. В результате измерений эффективных сечений возбуждения из метастабильных состояний атомов инертных газов электронным ударом – ВМС процесс, установлено, что функции ВМС характеризуются узким максимумом, расположенным при энергии электронов, в 1.5 2 раза превышающей пороговую. Форма функций ВМС спектральных линий, верхние уровни которых характеризуются разной мультиплетностью, различна – форма функции ВМС линий, идущих с синглетных уровней (для атома гелия), описываются кривыми с более узким максимумом по сравнению с функциями линий, идущих с триплетных уровней. Причина такого различия, как и для процесса ВОС, состоит в разной зависимости сечений от энергии электронов для переходов без обмена и с обменом налетающего и валентного электронов. В соответствии с этим спад кривых функций ВМС за максимумом близок к зависимостям Е -1 и Е -3 изменения сечений с энергией электронов, что находится в согласии с теорией. При возбуждении из метастабильного 2 3S состояния все триплетные уровни для ВМС процесса характеризуются, в основном, безобменными переходами, а одиночные уровни – заселяются с обменом, и, наоборот, – для возбуждения из основного состояния (ВОС – процесс). Для сравнения – функции возбуждения этих линий для ВОС процесса имеют, естественно, совсем иной (можно сказать противоположный) вид, поскольку они возбуждены из основного – 1S0 синглетного состояния.

Для атомов от неона до ксенона величины всех ВМС сечений в единицах 10 см2 для измеренных 2p1-9 - уровней (по Пашену) в максимумах - соответствующих функций возбуждения представлены в таблице 2, в которой приведены и погрешности этих измерений. Таблица 2 демонстрирует высокую эффективность электронного возбуждения уровней из метастабильных состояний: этот процесс характеризуется в 101-103 раз бльшими сечениями, чем электронное возбуждение из основного состояния.

Таблица Эффективные сечения электронного ВМС возбуждения уровней атомов инертных газов в единицах 10-15 см2.

2p1 2p2 2р3 2p4 2p5 2р6 2p7 2p8 2p 10 – – – – – – – Ne 3±5 4±3 18+30 5±3 – 6±2 7±30 22±10 18± Ar – 4.0±0.6 7.3±0.6 11.0±0.7 2.7±0.8 27±5 13.5±5.0 24± 4 48± Kr 0.2 1.0 0.58 – 2.6 2.3 – 24 – Xe На основании проделанных измерений выявлен ряд закономерностей в сечениях исследованных процессов в ряду инертных газов.

Помимо задачи непосредственного измерения абсолютных величин сечений, мы ставили перед собой и задачу обобщения результатов определения сечений, определенного "сжатия" имеющейся о них информации и представления ее в удобном для использования виде. Для этого была предложена новая концепция представления совокупного результата разных исследований и рассмотрено ее воплощение при определении обобщенного результата для сечений электронно-атомного взаимодействия атомов гелия и аргона.

Со временем по каждому вопросу и, в частности, по исследуемому в настоящей работе вопросу определения сечений процессов ВМС и ОМС, накапливается определенный материал. Обилие информации об элементарных процессах, протекающих в активной среде, в низкотемпературной плазме, и об их константах затрудняет использование этой информации. Потребитель, часто пренебрегая всей совокупностью литературного материала, предпочитает пользоваться либо собственными, довольно грубыми, оценками, либо обращается к какой-либо одной, не всегда наилучшей, конкретной работе.

Для формулировки обоснованного заключения по совокупному результату требуется, прежде всего, ликвидировать разрозненность инфор мации. Поясню сказанное. Помимо трудности доступа к информации, что часто затрудняет не только её использование, но и нахождение, не ясно, как правило, результату какой работы надо отдать предпочтение. Нет экспертной оценки качества всех полученных результатов, да и не очень понятно, как ее можно сделать. Сам факт публикации работы в реферируемом журнале уже является гарантом ее высокого качества, но результаты, приведенные в разных статьях, могут различаться весьма существенно. Также неясно, как "стыковать" данные разных работ, полученные в разных ограниченных энергетических диапазонах, а такая необходимость "стыковки" часто возникает. Например, при расчете констант скоростей процессов, протекающих в плазме различных объектов, нужно знать сечение в широкой области энергий возбуждающих электронов.

Решить все эти проблемы призван предложенный нами общий подход по представлению совокупной информации в "сжатом" виде. Он основан на том, что, выбрав аппроксимацию для зависимости сечения от энергии Q(E), для каждого уровня, при всех значениях энергии налетающего электрона Е, проводим интерполяцию по всему набору литературных значений сечения, что называется – "глобальную интерполяцию". В основу интерполяции положена зависимость Q(E) в виде, отражающем общие известные закономерности для сечений электронно-атомных взаимодействий. Мы использовали трехпарамет рическую и четырехпараметрическую аппроксимации зависимости Q(E) в виде:

p u E Q (E ) = p 0 (u + p 2 ) p, u= 1, u + 1 dE где E – переданная энергия, или энергия порога возбуждения;

p0, p1, p2, p3 – параметры. Наша аппроксимация близка к аппроксимации Вайнштейна, Собельмана, Юкова, но отличается от нее наличием дополнительных парамет ров p1, p3 которые учитывают разную асимптотику поведения сечения вблизи порога и при больших энергиях электронов. Интерполяция проводится методом наименьших квадратов c равным весом. Вычисляется соответствующая 2 дисперсия D = i, i – отклонение каждой i-ой точки от кривой:

N i = Qi(E) – Qi, N – полное число точек. Очень приближенно можно считать, что p0 задает примерную величину сечения, а параметр р2 влияет на форму кривой Q(E) вблизи максимума и на его местоположение.

В соответствии с предложенной концепцией обработаны все доступные данные для сечений электронного возбуждения атомов гелия из основного и метастабильных состояний и сечений образования и возбуждения мета стабильных состояний атома аргона и определены соответствующие параметры аппроксимации и обобщенные величины сечений в максимумах функций возбуждения. Анализ определенных таким образом результатов показал, что весь набор литературных данных, полученных разными методами, в разных группах, в разное время укладывается в стройную систему даже в тех случаях, когда первоначальные данные не слишком хорошо согласуются друг с другом, а вычисленный совокупный результат имеет большую надежность и точность, чем исходные данные по отдельности.

Помимо этого полученные результаты позволили более ярко и полно продемонстрировать некоторые закономерности, согласующиеся с известными теоретическими положениями, а именно:

— степенной закон уменьшения величин сечений в сериях для всех S-, Р-, D- уровней Не с одинаковым показателем степени, равным 3.2 для возбуждения из основного состояния атома и с показателем, примерно равным 5-ти, – для возбуждения из метастабильных состояний;

— разные зависимости скоростей энергетического спада сечений для обменных и безобменных переходов: соответствующие показатели степени при этом равны, соответственно, трем и одному;

— согласие зависимостей сечений от энергии электронов с правилом подобия Бете.

Таким образом, в наших работах, проводимых на кафедре оптики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, впервые в мировой практике создана и научно обоснована оригинальная методическая и экспериментальная база изучения процессов неупругих электронно-атомных столкновений, в которых конечным или начальным состоянием является метастабильное атомное состояние, и прямыми методами определены соответствующие абсолютные значения величин сечений и проделан их анализ.

Ю.З. Ионих Исследования в области химии плазмы на кафедре оптики 1. Прохождение электрического тока через газ – электрический разряд – почти всегда сопровождается химическими превращениями в газе. Самый известный пример этого – образование озона в воздухе в искровом разряде и в природном его аналоге – молнии. Даже в самых простых и устойчивых в химическом отношении средах – в инертных газах – разряд инициирует образование возбужденных молекул и молекулярных ионов. В газовой среде, содержащей простейшие гомоядерные молекулы (Н2, О2 и т.п.), появляются атомы (Н, О, …), а в некоторых случаях – более сложные, чем исходные молекулы (например, уже упомянутый озон О3). В плазме газов, состоящих из гетероядерных молекул, а также в смесях молекулярных газов картина существенно усложняется. Так, в разряде в СО образуются атомы С и О, молекулы С2, О2, СО2, С2О и С3О2, а в плазме в воздухе – атомы O и N, молекулы О3, NO, NO2, N2O и других окислов азота. Еще более сложные превращения происходят с ионной компонентой плазмы. В разряде в водороде, например, появляются ионы Н+, Н3+ и Н5+, в азоте наблюдаются ионы от N+ до N9+, а в СО – от СО2+ до С13О2+. Появление сложных ионов существенно увеличивает скорость электрон-ионной рекомбинации, то есть вторгается в ионизационный баланс, и поэтому в самостоятельном разряде меняет все без исключения параметры плазмы (если только давление газа не слишком низкое).

Меняется скорость распада плазмы. Может измениться даже сам вид разряда: в инертных газах, например, наличие молекулярных ионов приводит при увеличении тока и давления к скачкообразному сжатию (контракции) разряда.

Химические превращения нейтральных частиц также влияют на ионизационный баланс, на вид функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) и, в результате, на все характеристики плазмы. В электроразрядных лазерах продукты реакций могут и непосредственно влиять на параметры генерации, уменьшая заселенности генерирующих уровней (как в СО2-, СО- и других лазерах). И напротив, сама инверсия может быть обусловлена плазмо химическими реакциями, как это происходит в эксимерных и электроразрядных химических лазерах. Плазмохимические методы производства веществ и материалов часто оказываются намного эффективнее и технологичнее традиционных химических и находят все более широкое применение.

Чрезвычайно перспективно их использование в производстве интегральных микросхем и других элементов твердотельной электроники. Другой пример – производство озона для водоочистных станций в озонаторах на барьерном разряде, имеющих высокие технологические и экономические показатели.

Два последних примера характерны тем, что в них инициирующим химические реакции фактором является не просто высокая температура, как это имеет место, например, в электродуговых плазматронах, а более специфические плазменные механизмы, в первую очередь столкновения молекул и атомов с электронами, с последующими, часто довольно сложными, процессами. С такой, так называемой неравновесной, плазмохимией мы встречаемся и в уже рассмотренном выше тлеющем разряде, и в электроразрядных лазерах.

Эффективность плазмохимических процессов здесь существенно зависит от механизмов реакций и их количественных характеристик – эффективных сечений или констант скоростей. В исследовании этих механизмов и измерении характеризующих их констант – главная задача плазмохимии как науки.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 9 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.