Способ получения абсолютной отрицательной проводимости в газовой ячейке

 

Назначение: физика плазмы, радиофизика. Технический эффект способа состоит в расширении спектрального диапазона в видимую и ближнюю инфракрасную области спектра и повышении эффективности преобразования световой энергии. Сущность способа состоит в формировании неравновесной функции распределения электронов по энергиям в плазме путем селективного оптического возбуждения резонансных состояний паров металлов в трехкомпонентной газовой смеси. 2 ил.

Предложенное изобретение относится к области физики плазмы и радиофизики и может быть использовано для разработки на его основе источников фотоЭДС (прямое преобразование световой энергии в постоянное электрическое напряжение), а также усилителей и генераторов электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот, способных работать без источника постоянного электрического напряжения.

Известен способ получения отрицательной проводимости в тяжелых инертных газах, когда неравновесная (немаксвеловская) функция распределения электронов по энергии (ФРЭЭ), имеющая локальный максимум в области рамзауэровского минимума Emin сечения упругих столкновений 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 P=1атм существование абсолютной отрицательной проводимости (АОП) возможно лишь в течение 10 ^-3 с.

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 Emin и в этом случае длительность существования эффекта АОП оказывается порядка 10 ^-8 c (при атмосферном давлении), что является существенным недостатком при использовании способа.

Известен способ получения АОП в газовой ячейке [3] в которой в инертный газ добавляют молекулярный газ и формирование ФРЭЭ в области Emin рамзауэрского минимума происходит за счет ударов второго рода возбужденных молекул с медленными электронами. Недостатком способа является малая величина АОП за счет невысоких значений степени ионизации, не превышающей Ne/No<10, а также неэффективное использование световой энергии (преобразование световой энергии в электрическую), обусловленное возбуждением молекул за счет процессов колебательно-поступательной релаксации, интенсивно протекающих в подобных смесях.

Известен способ получения АОП в газовой ячейке [4] наиболее близкий по решению технической задачи к предлагаемому изобретению, выбранный за прототип. В этом способе формируют трехкомпонентную смесь, состоящую из тяжелого инертного газа, паров металла и молекулярного газа, обладающего резонансным характером электронного возбуждения колебательных уровней с максимумом в области рамзауэрского минимума сечения упругого рассеяния электронов и производят оптическим возбуждением паров металла, приводящим к образованию фотоплазмы с АОП.

Недостатком способа является то, что при использовании в смеси наиболее химически устойчивых молекул (CO, Na), что важно для длительной эксплуатации смеси, а) невозможно использование красной и ближней инфракрасной (ИК) области спектра для прямого оптического возбуждения уровней, энергия которых должна превышать энергию, соответствующую максимуму сечения колебательного возбуждения, б) низкая эффективность преобразования световой энергии в электрическую, что связано со слабой поглощательной способностью паров щелочных металлов в голубой и ближней ультрафиолетовой (УФ) области спектра по сравнению с красной и ближней ИК-областью.

Технический результат изобретения состоит в расширении спектрального диапазона и повышении эффективности преобразования световой энергии в электрическую в химически устойчивых смесях на основе эффекта АОП в фотоплазме.

Указанный технический результат достигается путем формирования неравновесной функции распределения электронов по энергиям в предварительно оптически возбужденной газовой смеси, суммарная частота упругих столкновений которой имеет минимум, сопоставимый с рамзауэровским минимумом, причем одна из компонент смеси имеет резонансный характер сечения электронного возбуждения колебательных уровней, при этом в соответствии с изобретением, формирование неравномерной функции распределения электронов по энергиям осуществляют при энергиях меньших, чем энергия, соответствующая максимуму сечения колебательного возбуждения, определяют количество одной из компонент смеси по превышению частоты электронного возбуждения колебательных уровней по сравнению с частотой неупругих столкновений электронов с основным состоянием паров металла, а интенсивность оптического возбуждения определяют по превышению частоты столкновений электронов с оптически возбужденными атомами по сравнению с частотой потерь энергии электронов в области минимума суммарной частоты упругих столкновений.

Сущность предложенного способа поясняется обоснованием на основе расчетов и двумя фигурами, на которых приведены кинетические характеристики компонент, используемых в смесях (фиг. 1), и количественная величина АОП в зависимости от параметров этих смесей (фиг. 2).

Как известно [7] формула для определения вещественной части проводимости в плазме при степенях ионизации меньше 10^-3 (без учета электрон-ионных столкновений) имеет вид: где f() функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), ее условие нормировки; e, m заряд и масса электрона, Ne концентрация электронов; суммарная частота упругих столкновений электронов с компонентами газовой смеси концентрации N_i; _ei()=vN_iei частота столкновений электронов с i-компонентой;
v скорость электрона;
_ei() сечение рассеяния соответствующего процесса.

Из формулы (1) видно, что для получения в плазме эффекта АОП необходимо сформировать в плазме неравномерную ФРЭЭ, имеющую растущую ветвь в области минимума суммарной частоты упругих столкновений смеси.

Исходной точкой для анализа ФРЭЭ является кинетическое уравнение Больцмана. Для дальнейшего рассмотрения введем следующие обозначения.

а) Процессы возбуждения и девозбуждения резонансных состояний паров металла (Me):

где указанные процессы характеризуются
n_Me() частотой ударов первого рода;
^*() частотой ударов второго рода.

б) Процессы колебательного возбуждения и девозбуждения основного состояния молекулы М:

где v' > v номер колебательного уровня,
_vv(), _vv() частоты соответствующих процессов.

На фиг. 1 в качестве примера приведены литературные данные, отражающие кинетические характеристики компонент смеси, где:
_ea сечение упругого рассеивания буферного газа с минимумом при значении Eimin,
_vv сечение колебательного возбуждения с максимумом при энергии Emax,
_eм сечение электронного возбуждения атомов металла с порогом при энергии E^*.

Проанализируем выражение для интеграла неупругих столкновений кинетического уравнения для рассматриваемого случая трехкомпонентной смеси:
1) Поскольку потенциал возбуждения инертных газов, обладающих рамзауэровским минимумом, больше энергии ионизации любого щелочного атома, то в интеграле столкновений можно пренебречь неупругими процессами с участием инертных газов.

2) Рассмотрим условия, когда соотношение между концентрациями молекулярной компоненты и атомов металла таково, что частота электронного колебательного возбуждения превышает частоту неупругих столкновений электронов с основным состоянием паров металла:
_vv() > _Me() (4)
В этом случае в интеграле неупругих столкновений можно пренебречь ударами первого рода с атомами металла.

3) Рассмотрим плазму с низкой степенью колебательного возбуждения:
^*() > _vv() (5)
В этом случае в интеграле неупругих столкновений можно пренебречь ударами второго рода с колебательно-возбужденными молекулами.

При сделанных предположениях решение кинетического уравнения можно представить в виде:
f() = f_es()+f_ef() (6)
где

f_es() определяет распределение термолизованных электронов, распределение которых близко к максвелловскому с температурой Te, которую определяют из уравнения энергетического баланса для электронов.

C₂ CONST;
< _o
f_ef() определяет релаксацию быстрых электронов, получивших свою энергию за счет ударов второго рода с возбужденными атомами;
_o энергия, при которой частота колебательного возбуждения равна частоте неупругих столкновений с основным состоянием паров металла. При > _o экспоненциальный спад f_ef определяется эффективной температурой заселения возбужденных уровней атомов металла.

где v() скорость динамического трения в пространстве энергий за счет квазиупругих процессов;
_ee частота межэлектронных столкновений;
E_v потери энергии на возбуждение колебательного уровня с номером v.

Анализ показывает, что при превышении частотой столкновений электронов с оптически возбужденными атомами частоты процессов потери энергии за счет квазиупругих процессов в области рамзауэровского минимума проводимость плазмы становится отрицательной. На фиг. 2 представлен расчет по (6) проводимости трехкомпонентной смеси в зависимости от степени возбуждения среды при различных концентрациях электронов. Анализ показывает, что в определенном диапазоне внешних условий (состав смеси, ее температура, геометрия газонаполненной ячейки, способ получения) превышение интенсивности оптического возбуждения пороговой величины приводит к концентрации возбужденных атомов, необходимой для возникновения эффекта АОП.

В качестве буферных газов в предлагаемом способе могут быть использованы Ar, Kr, Xe.

В качестве химически устойчивых молекулярных газов в смеси могут быть использованы N₂, CO, максимумы сечения колебательного возбуждения которых находятся при энергиях 2,5 и 1,9 эВ соответственно.

В качестве третьей компоненты в предлагаемом способе могут быть использованы элементы первой группы периодической таблицы элементов. Оптическое возбуждение возможно осуществлять на первое возбужденное (резонансное) состояние. Энергия этих состояний E^* лежит в пределах от 1,4 (для Cs) до 2,1 эВ (для Na) и, в отличие от прототипа, может быть меньше энергии E_max, соответствующей максимуму сечения колебательного возбуждения. Этим энергиям соответствует оптическое излучение от ближнего ИК (894,3 нм) до желтой границы видимого спектра (598,0 нм).

Величина полного поглощения А, под которой подразумевается отношение поглощенного в пределах ширины спектральной линии светового потока к падающему на объект потоку, пропорциональна (от корневой до линейной зависимостей при постоянной интенсивности внешнего источника в пределах ширины линии) произведению силы осциллятора данного оптического перехода Fik, концентрации поглощающих атомов металла [Me] и характерному геометрическому размеру кюветы L:
A F_ik[Me]L (10)
Известно, что у щелочных металлов для переходов из основного состояния на первое возбужденное сила осцилляторов на два порядка больше, чем для переходов на вышележащие состояния. Как видно из (10), это позволяет при заданной эффективности поглощения света от внешнего источника уменьшить или размер кюветы или ее температуру, которая определяет концентрацию атомов металла. Это позволяет уменьшить габариты и упростить эксплуатацию создаваемых устройств.

Таким образом, приведенные выше обоснования подтверждают возможность осуществления предложенного способа и достижения технического результата: расширение спектрального диапазона на 50 100% в длинноволновую область оптического спектра, а также повышение эффективности преобразования световой энергии в электрическую в химически устойчивых смесях. Это существенным образом увеличивает возможности дальнейшей реализации предлагаемого способа при разработке генераторов и усилителей в широком диапазоне частот, а также преобразователей световой энергии в электрическую.

Формула изобретения

Способ получения абсолютной отрицательной проводимости в газовой ячейке, заключающийся в формировании неравновесной функции распределения электронов по энергиям в предварительно оптически возбужденной газовой смеси, суммарная частота упругих столкновений которой имеет минимум, сопоставимый с рамзауэровским минимумом, причем одна из компонент смеси имеет резонансный характер сечения электронного возбуждения колебательных уровней, отличающийся тем, что формирование неравновесной функции распределения электронов по энергиям осуществляют при энергиях меньших, чем энергия, соответствующая максимуму сечения колебательного возбуждения, определяют количество одной из компонент смеси по превышению частоты электронного возбуждения колебательных уровней по сравнению с частотой неупругих столкновений электронов с основным состоянием паров металла, а интенсивность оптического возбуждения определяют по превышению частоты столкновений электронов с оптически возбужденными атомами по сравнению с частотой потерь энергии электронов в области минимума суммарной частоты упругих столкновений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2