Использование: в процессах получения отрицательной проводимости в газовой ячейке, например в генераторах. Сущность изобретения: способ предусматривает добавление в тяжелый инертный газ атомарного газа с энергией возбуждения резонансных уровней, соответствующей растущей части сечения упругого рассеяния электронов на атомах интертного газа, и молекулярный газ, обладающиц резонансным характером электронного возбуждения колебательных уровней с максимумом в области рамзауэровского минимума сечения упругого рассеяния электронов, и производят оптическое возбуждение примесных анионов с последующим образованием фотоплазмы иницируемой процессами хемоионизации с целью получения АОП в трехкомпонентной газовой смеси. В зависимости от режима оптического возбуждения способ обеспечивает как импульсно-периодический, так и стационарный режимы существования АОП, величина которой увеличивается в 100-1000 раз. 1 ил.
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
e1
e2+
e3определяет одно из соотношений для компонент смеси. Поскольку
e1(Е
мин) на один-два порядка меньше газокинетических сечений то N
1/(N
2 + N
3) > (10
1 ...10
2).
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 N
1/(N
2+N
3) > 10
4...10
5, и максимальную степень ионизации N
e/N
1 < 10
-8...10
-9 при которой возможен эффект АОП;
em >

2m

+

,
(4)
а сечение колебательного возбуждения имеет резонансный характер (N
2, CO, CO
2). 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 N
2:N
1 > 10
-4, N
2:N
2 < 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/M
1 = 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 N
2, 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 N
2 : N
1 < 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, СО
2) 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.
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.
РИСУНКИ
Рисунок 1