КВАЗИРАВНОВЕСНАЯ И ЧАСТИЧНО РАВНОВЕСНАЯ ПЛАЗМА

Термодинамическое равновесие считается одним из возможных состояний макровещества, в том числе и плазмы. Состояние системы, находящейся в термодинамическом равновесии (ТДР), можно описать как функцию двух термодинамических параметров, например, температуры и давления. В частности, для описания макроскопических параметров системы (тепловых, электрических, оптических) нет надобности привлекать к рассмотрению модель микропроцессов, это можно сделать феноменологическим подходом.

Понятие ТДР внедрилось в науку в XIX веке вместе со сформировавшейся тогда же новой научной дисциплиной – классической термодинамикой. Термодинамика обобщает накопленный человечеством опыт по изучению процессов преобразования одних видов энергии в другие, сопровождаемые совершением работы, прежде всего преобразования тепловой энергии в механическую и наоборот, а также всех остальных видов энергии в тепловую. Но предполагается, что протекание этих процессов происходит в замкнутых системах, которые не обмениваются ни энергией, ни веществом с окружающей средой. К тому же эти системы предполагаются либо равновесными, либо находящимися в состоянии, близком к равновесию.

В основе термодинамики лежит небольшое число исходных обобщений опытных данных, сформулированных в форме четырех законов или, следуя исторической традиции, четырех начал термодинамики. Представления о ТДР вытекают из второго начала, определяющего необратимую направленность любых процессов преобразования энергии в замкнутых системах. Уточним содержание терминов, которые используются нами, но о смысле которых иногда забывают.

Энергия.Смысл этого понятия до конца не прояснен, одно из принятых определений таково: это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. В последние годы возникло новое, более глубокое понимание энергии, как материальной основы нашего сложного мироздания, в том числе и основы вещественной части Вселенной. При этом из такого понятия следуют вполне реальные следствия, широко используемые на практике. Например, закон сохранения энергии, представление о существовании различных видов энергии, количественные соотношения при переходах одних видов энергии в другие и т.д. Глубокий смысл этого понятия раскрывается в полученном Эйнштейном соотношении эквивалентности энергии и массы: E = mc ², где Е – энергия, m – масса вещества, с – скорость света в вакууме. В термодинамике энергия – это способность системы совершать работу.

Теплота и работа – характеристики способов передачи энергии: система может получить (отдать) энергию либо при нагревании, либо посредством совершения над нею работы. Совершение работы сопровождается сообщением системе частиц упорядоченности движения, а нагревание системы сопровождается нарастающей неупорядоченностью движения ее частиц.

Упорядоченность– взаимно коррелированное расположение частиц (элементов) системы. Упорядоченность проявляется в виде пространственной или временной корреляций.

Структура – определенное расположение, конфигурация частиц или элементов, составляющих систему. Наличие структуры равнозначно наличию определенной степени упорядоченности.

Замкнутая система – система, не обменивающаяся энергией или веществом или тем и другим с окружающей средой. Иногда замкнутую систему называют изолированной.

Открытая система – система, связанная с окружающей средой и обменивающаяся с ней энергией, или веществом, или тем и другим.

Второе начало классической термодинамики имеет несколько эквивалентных формулировок. Например, формулировка одного из основоположников этой дисциплины Кельвина: «Невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полного преобразования этой теплоты в работу». Формулировка другого основоположника Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в переходе энергии от более холодного к более горячему телу». Из обоих определений следует (и это самое главное), что в замкнутой системе при протекании любых преобразований энергии будет нарастать количество тепловой энергии, которую невозможно без дополнительных затрат энергии более высокого порядка перевести в другие формы энергии. А так как в замкнутую систему дополнительной энергии не поступает, то внутренние резервы рано или поздно истощаются, и тогда господствуют процессы распада существующих упорядоченностей, переход всех высших форм энергии в самую низшую – в тепловую энергию, иначе говоря, протекают процессы нарастания хаоса. Концом таких процессов и является достижение системой самого простого и неупорядоченного из всех возможных ее состояний – состояния ТДР.

Количественная направленность процессов преобразования энергии в системе выражается через понятие энтропии S. В замкнутой системе энтропия выражается соотношением, которое одновременно может служить ее определением:

где dE – сообщенная системе (или отнятая от нее) теплота, Т – температура системы.

Таким образом, энтропия – это происходящее в протекающих процессах изменение тепловой энергии системы, отнесенное на один градус температуры. В ходе любых преобразований энтропия замкнутой системы растет. Следовательно, ее можно трактовать как меру неупорядоченности системы. Максимальная неупорядоченность – это состояние ТДР, ему соответствует максимальное значение энтропии: S = S_max . Утверждение, что любые преобразования энергии в замкнутой системе ведут к росту энтропии, достигающей максимального для данной системы значения в состоянии ТДР, служит еще одной эквивалентной формулировкой второго начала.

Каждому термодинамическому состоянию можно приписать вероятность W, связанную с числом возможных способов, которыми это состояние достигается. Чем больше число таких способов, тем выше вероятность того, что данное состояние может реализоваться. Максимально возможной оказывается вероятность состояния, в котором все атомы (молекулы) распределены однородно, а энергия полностью рассеяна. Это и есть уже знакомое нам состояние ТДР. Больцман показал, что в замкнутой системе энтропия есть величина, пропорциональная логарифму вероятности данного состояния:

(2.24)

Это соотношение имеет настолько глубокий смысл, что оно было выбито на надгробной плите могилы Больцмана. Понятно, что чем выше упорядоченность системы, тем меньше значение энтропии и тем маловероятнее достижение состояния термодинамического равновесия. Этот вывод создал немалые трудности при попытках объяснить происхождение Вселенной и возникновение жизни: и то, и другое событие настолько маловероятно, что с этих позиций невозможно понять, как оно вообще могло реализоваться, если время существования Вселенной не является бесконечным. Но современные представления о Мире не распространяют выводы классической термодинамики на вещественную Вселенную, которая является открытой, а не замкнутой системой.

Итак, любая замкнутая система, какой бы исходной степенью упорядоченности она не обладала, с течением времени непременно перейдет в состояние ТДР. Но современное научное мировоззрение опирается на представления об открытости нашего мира, вокруг себя мы наблюдаем только открытые системы разных масштабов. Среди известных объектов не удается найти замкнутую систему в точном значении этого термина. Можно лишь говорить о той или иной степени приближения к равновесному состоянию тех или иных систем. А это значит, что в известном нам мире не существует как такового состояния ТДР, а есть лишь та или иная степень приближения к нему.

Плазма также существует только в состояниях, с той или иной степенью удаленности от ТДР, поскольку плазма образуется только в открытых системах. Тем не менее, в некоторых частных случаях можно с определенной степенью приближения рассматривать локальные области, заполненные плазмой, как находящиеся в квазиравновесном или ему подобном состоянии. Первой степенью приближения плазмы к равновесности считают установление в ней квазиравновесного распределения частиц одного сорта по скоростям (энергиям). Такое распределение было получено Максвеллом, оно названо максвелловским распределением по скоростям. На практике пользуются иным вариантом скалярной функции, называемой распределением частиц одного сорта по скоростям. Так, при фиксированном значении вектора функция распределения F определяет число частиц одного сорта в данном интервале скоростей , находящихся в определенном локальном местоположении. Для этого случая вводят скаляр

(2.25)

= 1

где – концентрация частиц данного сорта в конфигурационном пространстве [5]. Функция f определяет долю частиц, находящихся в данном единичном объеме, скорости которых лежат в интервале Понятно, что интеграл этой функции по всем скоростям частиц в данном объеме равен единице, то есть охватывает все находящиеся там частицы. Для данного единичного объема максвелловская функция f_v определяется соотношением:

(2.26)

Графически в приведенных координатах максвелловская функция распределения частиц по скоростям показана на рис.2.3. Она имеет максимум при скорости v_m – это наиболее вероятная скорость движения частиц данного сорта. Она равна:

(2.28)

От функции распределения частиц по скоростям перейдем к функции их распределения по энергиям:

(2.29)

Наиболее вероятная энергия в таком распределении характеризует степень нагретости тела, то есть температуру:

(2.30)

Для частиц сорта величина Т определяет степень нагретости этих частиц, это температура частиц сорта , и ее можно обозначить символом . Среди частиц сорта также может установиться максвелловское распределение, но его наивероятнейшая энергия не обязательно совпадет с наивероятнейшей энергией частиц сорта . Таким образом, .

Следующей степенью приближения системы к равновесному состоянию считается случай, когда в многокомпонентной плазме среди частиц каждого сорта устанавливается свое максвелловское распределение, но у частиц каждого сорта оно отличается от распределения среди частиц других сортов. Для конкретности рассмотрим плазму, состоящую из частиц трех сортов: электронов, положительных ионов и атомов (молекул). Пусть у частиц каждого сорта установилось свое максвелловское распределение. Степень нагретости частиц каждого сорта характеризуется своей температурой, так что одновременно в плазме сосуществуют три разные температуры: электронная температура Т_е, ионная температура Т_i и атомная температура Т_а. Для плазмы, находящейся в умеренном внешнем электрическом поле, выполняется условие:

Состояние такой плазмы называют ионизационным равновесием. В этом случае обнаруживается прямая связь между электронной концентрацией (степенью ионизации) и электронной температурой, которая выражается соотношением, получившим название уравнения Саха:

(2.31)

где ; р – давление в тор, Т – в К, U_i – потенциал ионизации в эВ. Из уравнения Саха следует, что электрические и оптические свойства плазмы, находящейся в состоянии ионизационного равновесия, зависят только от двух термодинамических параметров – от электронной температуры и давления.

Следующая ступень приближения плазмы к состоянию равновесия – максвелловские функции распределения по энергиям для всех частиц имеют одинаковые значения. Тогда можно написать, что: T_e = T_i = T_a = T. Здесь Т – это единая температура всей системы. Степень ионизации такой плазмы определяется тем же уравнением Саха, но вместо электронной температуры Т_е в нем стоит общая температура Т. Вместо концентрации нейтральных частиц n_a вводится давление газа р, для чего используется известное газокинетическое уравнение:

(2.32)

Самый правый вариант соотношения справедлив только при условии однократной ионизации плазмы. Эту степень приближения к равновесности называют тепловым равновесием.

В случае ионизационного и теплового равновесия распределение возбужденных атомов по энергетическим уровням при данной температуре Т описывается уравнением Больцмана (1.1a):

(1.1a)

Здесь n_k , n_o – соответственно населенности k-го уровня с энергией E_k , и основного уровня; g_k – кратность вырождения k-го уровня (статвес); G_o - статистическая сумма весов для частиц данного сорта:

(2.33)

Больцмановское квазиравновесное распределение возбужденных частиц по энергетическим уровням показывает, что с ростом энергии уровня его заселенность экспоненциально падает, так что появление инверсной населенности исключается, следовательно, не могут проявиться лазерные эффекты.

Самым сильным требованием к системе, позволяющим рассматривать ее как максимально приблизившуюся к ТДР, служит условие детального равновесия, когда частоты прямых и обратных процессов строго равны. Так, прямому процессу возбуждения атомов электронным ударом должен количественно соответствовать обратный процесс – девозбуждения атома электронным ударом и так далее. К сказанному остается добавить еще одно квазиравновесное состояние плазмы электрических разрядов в газах – локальное термодинамическое равновесие. О нем подробнее будет идти речь в дальнейшем, при рассмотрении систем оптической накачки лазеров. На этом мы завершим краткое знакомство с кинетикой плазменных процессов и рассмотрим особенности молекулы СО₂ как основного элемента активной среды СО₂ лазеров. Для дополнительного более подробного знакомства с физикой плазмы и, в частности, электрического разряда в газах, рекомендуются источники [3-6].

2.5. МОЛЕКУЛА СО₂ – РАБОЧЕЕ ВЕЩЕСТВО ЛАЗЕРА

Молекула СО₂ – трехатомная линейная молекула, три входящих в ее состав атома кислород – углерод – кислород выстроены в одну линию. Возбужденные состояния атома вызываются только одним видом движения – переходом электрона, получившего определенную порцию энергии извне, из основного состояния или из более низкого возбужденного состояния в более высокое возбужденное состояние. Таким образом, форма движения атома – это электронные переходы с одного дискретного энергетического уровня на другой. В отличие от этого у молекулы различают не один, а три вида движения:

- электронное движение – изменение положения электрона относительно атомных ядер;

- колебательное движение – периодические изменения относительного расположения ядер атомов, создающие колебательные их перемещения относительно друг друга.

- вращательное движение – периодические изменения ориентации молекулы как целого, иначе говоря, вращательные движения молекулы как единого целого.

Энергия молекулы Е есть сумма энергий каждого движения с включением тех добавок, которые связаны с энергиями взаимодействий различных видов движений:

Е = Е_эл + Е_кол + Е_вращ (2.34)

Энергия молекулы квантуется, и ее возможные состояния представляются в виде дискретных энергетических уровней. Так, изменение электронной энергии сопровождается также изменением колебательной и вращательной энергий, в результате возникают электронно-колебательно-вращательные спектры. Для простоты их называют просто электронными спектрами. Они обычно располагаются в видимой и УФ областях спектра. Оценка количественных отношений трех видов энергии молекулы дает следующий результат:

(2.35)

где, =(m_e/M)², m_e – масса электрона, М – величина порядка массы ядра молекулы, т.е. Обычное значение электронной энергии порядка единиц эВ, оно ближе к 10 эВ, энергия Е_кол порядка десятых – сотых долей эВ, а Е_вращ еще на порядок меньше. С точки зрения получения лазерных эффектов интересны спектры, возникающие при , когда переходы совершаются только в пределах колебательно-вращательного спектра. Такой спектр ради краткости называют просто колебательным. Общее число колебательных степеней свободы у молекулы определяется условием: 3N – C, где N – число атомов в молекуле. С = 5 для двухатомной и линейной молекул и С = 6 для нелинейной многоатомной молекулы. Так, молекула СО₂ имеет 4 колебательные и 2 вращательные степени свободы. Колебательные энергетические уровни молекулы вычисляются путем решения соответствующей задачи в рамках квантовой механики. Но используется и классическое приближение, в котором формы колебаний приобретают наглядный вид. Каждую из разновидностей колебаний называют модой, трехатомная молекула СО₂ имеет 3 фундаментальные моды:
- симметричная валентная мода

- деформационная мода;

- асимметричная валентная мода.

В понятиях гармонических колебаний энергия каждого такого движения определяется соотношением:

(2.36)

– колебательные квантовые числа, принимающие дискретные значения 0, 1, 2,... Самому низкому энергетическому уровню соответствует = 0, а энергию этого уровня

(2.37)

называют нулевой энергией молекулы.

Энергетические уровни, для которых все квантовые числа v_k за исключением одного равны нулю, а это одно значение равно единице, называют фундаментальными. Уровни энергии с одним квантовым числом большим единицы называют обертоном, а уровни энергии с несколькими отличными от нуля квантовыми числами называют комбинационными. На рис. 2.4 представлена упрощенная схема нижних колебательных уровней основного электронного состояния молекулы СО₂ . Энергия уровней выражена в особых энергетических единицах – в см^-1 , поскольку ставший привычным

Рис.2.4 электрон-вольт оказывается слишком крупной единицей для подобных энергий. Единица энергии см^–1 определяется из соотношения

где с – скорость света в вакууме, l– длина волны колебаний (в см). Учитывая, что h= 6,626.10^{– 34} [Дж. с], находим: 1см^–1 = 1,24.10^{– 4} эВ или 1 эВ = 8,07.10³ см^–1 = 1,6.10^{– 19} Дж. Уровни на рис.2.4 имеют трех цифирные обозначения, которые соответствуют трем квантовым числам, относящимся к соответствующим модам: .

Например, 10^о0 означает, что это фундаментальный уровень симметричной валентной моды ( =1, = =0). Индекс квантового числа деформационной моды означает степень вырождения уровня этой моды. Так, запись 02^о0 означает, что уровень является обертоном деформационной моды, состояние которого не является вырожденным (индекс 0).

На приведенной схеме справа присутствует изображение первого возбужденного колебательного состояния двухатомной молекулы азота. Добавка азота к двууглекислому газу играет существенную роль в процессе эффективного заселения верхнего лазерного уровня молекулы СО₂ , но подробнее это обстоятельство мы обсудим несколько позже. Пока же добавим к уже сказанному, что излучение или поглощение электромагнитных волн на колебательных переходах молекулы описывается соотношением:

(2.38)

Вращательная структура колебательных полос поглощения. У линейных многоатомных молекул энергия вращения определяется соотношением:

Е_вращ = В j (j + 1)

где j – вращательное квантовое число. Совокупность вращательных линий (на рис.2.4 они не могут быть выделены, поскольку сливаются с колебательными уровнями) образует соответственно S-, R-, Q-, P-, O- ветви. Распределение вращательных полос внутри ветви имеет максимум. У молекулы СО₂ максимум для ветви Р имеет место при

j = 18 – 20.

Существование вращательных линий позволяет в принципе осуществлять некоторые изменения частоты лазерного перехода (в небольших пределах, но и это иногда существенно). Что же делает молекулу двуокиси углерода пригодной для получения лазерного эффекта? В колебательном спектре этой молекулы (рис.2.4) имеется метастабильный уровень 00^о1, время жизни возбужденных молекул на котором значительно превосходит время жизни на нижележащих уровнях 10^о0 и 02^о0. В принципе этим обеспечивается возможность заселения метастабильного уровня, который при этом становится верхним лазерным уровнем. А два указанные нижележащие уровни при их быстрой очистке обеспечивают поддержание инверсной населенности между верхним и нижним состояниями молекул. Следовательно, лазерная генерация в среде молекул двуокиси углерода требует обеспечить эффективное возбуждение молекул СО₂, при котором заселяется преимущественно верхний уровень, а нижележащие уровни остаются практически свободными. Источником энергии накачки среды становится электрический разряд в газе, состоящем в основном из молекул СО₂ . Но не каждый разряд и не в любом режиме может обеспечить выполнение необходимых требований. Перед Кумаром Пателем, создавшим первый молекулярный СО₂ лазер, стояла непростая задача, которую ему удалось успешно решить.

2.6. ВОЗБУЖДЕНИЕ МОЛЕКУЛ СО₂ В РАЗРЯДЕ

Процесс возбуждения молекулы СО₂ активно протекает в электрическом разряде, организуемом в среде таких молекул. В этом случае внутри каждой колебательной моды протекает интенсивный обмен энергией между молекулами и быстро достигается термализация – квазиравновесное состояние с распределением населенностей на разных уровнях моды по закону Больцмана. Это позволяет говорить о наличии внутримодовой температуры возбуждения :

(1.1b)

Следовательно, получить инверсную населенность между уровнями одной моды невозможно. Но между разными колебательными модами обмен энергией затруднен, поэтому температуры возбуждения у них различны. Это делает возможным при соответствующих условиях образовывать инверсную населенность между двумя уровнями, расположенными в разных модах.

Вернувшись к схеме нижних колебательных уровней (рис. 2.4), можно сделать заключение, что на роль верхнего лазерного уровня подходит расположенный в асимметричной моде метастабильный уровень 00^о1, а в качестве нижнего уровня возможен либо уровень 02^о0 из деформационной моды, либо уровень 10^o0 из симметричной валентной моды. Необходимые условия для получения инверсной населенности между указанными уровнями следующие:

- возбуждение уровней осуществляется в плазме электрического разряда в газе;

- неупругие электронные столкновения с молекулами СО₂ должны избирательно возбуждать их до состояния 00^о1, оставляя свободными уровни 02^о0, 10^о0 и все нижележащие уровни;

- уровни 02^о0 и 10^о0 должны достаточно быстро расселяться.

Возможно ли в принципе обеспечить выполнение этих условий? Ответ может быть положительным, если максимумы сечений возбуждения перечисленных уровней, зависящие от энергии электронов, разнесены между собой так, что появляется возможность подбором энергии электронов обеспечить преимущественное заселение верхнего уровня при относительно малой заселенности всех остальных. На рис.2.5 представлены эксперименталь-но полученные зависимости сечений возбуждения трех уровней молекулы СО₂.

Все они имеют максимумы, и у самого низкого энергетического уровня 010 он расположен при значении Е_е~0,08 эВ. У предполагаемого верхнего лазерного уровня 001 максимум расположен при 0,3 эВ. Для отсутствующих на этом графике нижних лазерных уровней 100 и 020 максимумы возбуждения лежат при энергиях электронов порядка 0,16 эВ. Таким образом, для избирательного возбуждения верхнего лазерного уровня необходимо, чтобы наивероятнейшая энергия электронов в разряде равнялась 0,3 эВ, то есть, чтобы электронная температура была порядка 3500 К. Для электрического разряда в газе это слишком низкая температура электронов, при которой очень неэффективно идут процессы ионизации. Разряд оказывается не в состоянии самоподдерживаться. Неблагоприятным для цели направленного возбуждения только верхнего лазерного уровня является и то, что все максимумы функций возбуждения нижних колебательных уровней довольно близко расположены друг к другу, и, учитывая особенности функции распределения электронов по энергиям в плазме, невозможно избежать одновременного относительно высокого заселения всех этих уровней. Поэтому эффективность накачки молекул СО₂ не может быть достаточно высокой, обеспечивающей создание и поддержание высокой инверсной населенности.

СО₂ лазеры никогда не вошли бы в семейство мощных лазеров, если бы не удивительная особенность молекулы азота N₂, которой воспользовался Пател. Первый колебательный уровень этой молекулы практически совпадает по энергии с верхним лазерным уровнем молекулы СО₂ . Как видно из схемы уровней на рис. 2.4, разница энергий этих двух уровней составляет всего лишь 18 см^–1, то есть ничтожно малую величину. Возбуждение же молекулы азота до первого колебательного уровня, как видно из рис.2.5, происходит при энергиях электронов от 2 до 2,5 эВ. При такой энергии электронов успешно протекает ионизация газовой среды. Если составить смесь двуокиси углерода с молекулярным азотом, то в самостоятельном разряде при энергии электронов порядка 2 эВ молекулы СО₂ возбуждаются очень слабо, но идет активное возбуждение молекул азота до первого колебательного уровня. Далее, оказывается, что время жизни возбужденного первого колебательного уровня молекулы N₂ очень велико (по масштабам времени микромира). Это связано с тем, что существует запрет на излучательное девозбуждение первого колебательного уровня молекулы азота, и энергия возбуждения будет сохраняться до тех пор, пока не произойдет неупругое соударение возбужденной молекулы с какой-либо частицей, способной забрать эту энергию. В смеси азота с СО₂ практически все возбужденные молекулы азота резонансно передают свою энергию возбуждения молекулам СО₂, избирательно заселяя верхний лазерный уровень. Поэтому использование в СО₂ лазерах не чистого двууглекислого газа, а его смеси с азотом, обеспечило возможность достижения почти идеального избирательного возбуждения верхнего лазерного уровня молекулы СО₂ .

Для образования инверсной населенности наряду с обеспечением избирательного заселения верхнего уровня следует обеспечить поддержание нижележащих колебательных уровней в незаселенном состоянии. Главный источник заселения нижних уровней – термическое их возбуждение в нагретом разрядом газе. Избежать такого процесса можно лишь одним путем – сохраняя температуру газа ниже температуры термического возбуждения. Конкретно, температура газа в разряде не должна превышать (а еще лучше не приближаться к) 400 К.

Итак, теперь можно сформулировать требования к разряду, в котором смесь азота и СО₂ способна будет обеспечить возникновение инверсной населенности у молекул СО₂, что приведет к появлению лазерного эффекта: при температуре тяжелых частиц, не превышающей 400К, электронная температура должна составлять 2 - 2,5 эВ. Это разряд, создающий сильно неравновесную плазму с очень большим отрывом электронной температуры от температуры газа. В таком разряде необходимо обеспечить очень эффективный отвод тепла из зоны, где оно выделяется, то есть из области протекания тока. Частично помогает решать эту проблему добавление к рабочей смеси еще и гелия в значительных количествах. Теплопроводность гелия в 6 раз выше теплопроводности основных газов, а высокий потенциал ионизации (24,5 В) препятствует ионизации, что исключает его заметное влияние на электрические характеристики разряда.

2.7. ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНАЯ НАКАЧКА СО₂ ЛАЗЕРА

Теперь мы можем перейти к центральному вопросу – существует ли разряд, в котором выполняются сформулированные выше требования: при практически холодном газе электронная температура должна быть порядка двух электрон-вольт. Такой разряд существует, он называется тлеющим разрядом, и если бы его не было, то не существовал бы и СО₂ лазер.

Тлеющий разряд. В технических устройствах и в научных исследованиях используются разряды различных типов, отличающиеся давлением газа, силой разрядного тока, условиями отвода тепла и другими характеристиками. Для создания в разряде инверсной населенности (для лазерной накачки) необходим разряд особого типа. В случае смеси двух газов – СО₂ и N₂ – пригодным для этих целей стал тлеющий разряд, самоподдерживающийся разряд с холодным катодом. Характерный признак тлеющего разряда – наличие в нем области катодного падения напряжения, в которой образуется большой по величине объемный положительный заряд.

Протяженность этой области порядка нескольких сантиметров, и на этом участке падение напряжения достигает значений от примерно 100 до 400 В и больше. Если расстояние между катодом и анодом меньше того, которое необходимо для образования катодной области, то разряд не возникает. При расстояниях между электродами от 10 см и выше за областью катодного падения образуется положительный столб, отделяемый от анода относительно узкой областью анодного падения напряжения. Для накачки СО₂ лазеров используется положительный столб тлеющего разряда. Он представляет собой слабо ионизованную плазму, поддерживаемую внешним электрическим полем. Тлеющий разряд может существовать при давлениях газа от 10^-2 до 10 тор и разрядных токах, не превышающих ~10^-1 А. При очень низких токах или давлениях вместо него образуется так называемый темный таунсендовский разряд. Превышение током или давлением указанных верхних пределов, как видно из графика на рис.2.6, переводит тлеющий разряд в дуговой разряд, протекающий уже не при холодном, а при горячем катоде. Дуговой разряд неприемлем для накачки СО₂ лазеров.

Тлеющий разряд изучается уже более 100 лет, его подробности описаны во всех учебниках и монографиях, посвященных электрическим разрядам в газах. Кроме областей катодного и анодного падений напряжения и положительного столба в разряде этого типа выделяют и другие структурные детали, которые для наших целей не представляют интереса. Для ознакомления с тлеющим разрядом во всех деталях можно рекомендовать, например [3].

Тлеющий разряд создается в разрядной трубке, представляющей собой обычно цилиндрическую стеклянную трубку радиуса R, в торцах которой по ее оси устанавливаются противостоящие электроды – анод и катод. Нижний предел радиуса трубки определяется условием: l_e>>R, где l_e - длина свободного пробега электрона. Под действием внешнего электрического поля напряженностью Е, поддерживающего горение разряда, в плазму положительного столба передается энергия. Непосредственными приемниками энергии поля являются заряженные частицы, прежде всего электроны, как наиболее легкие из этих частиц. Поскольку классический тлеющий разряд может существовать лишь при низких давлениях газа (не более 10 тор) и при слабых токах, то вероятность столкновения электронов с молекулами газа в столбе разряда невелика, и объемными процессами ионизации и рекомбинации в первом приближении можно пренебречь. Источником электронов служит область катодного падения напряжения, выполняющая по отношению к столбу роль своеобразного катода. Однако пусть не очень частые неупругие столкновения

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: