Моделирование процессов с участием атомов в низкотемпературной плазме

• Автор: Каштанов, Павел Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 159 с. : ил.

ГЛАВА 1. Резонансная перезарядка с участием высоковозбужденных атомов

1.1. Теоретический анализ перехода классического электрона между двумя кулоновскими центрами
1.2. Компьютерное моделирование перехода классического электрона между двумя кулоновскими центрами
1.3. Анализ поведения электрона в поле двух кулоновских центров в квазиклассическом приближении
ГЛАВА 2. Процессы неннинговской ионизации и ионизации электронным ударом с участием ридберговских атомов
2.1. Компьютерное моделирование процесса Пеннинга с участием двух высоковозбужденных атомов

2.2. Процесс ионизации ридберговских атомов электронным ударом

2.3. Кинетика распада ридберговской плазмы

ГЛАВА 3. Процессы с участием атомов в магнетронной плазме

3.1. Магнетронный разряд

3.2. Прикатодные процессы в магнетронном разряде

3.3. Перепое и зарядка кластеров, образованных распыленными атомами металла, в потоке буферного газа
3.4. Приложения кластерной магнетронной плазмы
Заключение

Развитие вычислительной техники в последние десятилетия (как аппаратных комплексов, так и методов компьютерного моделирования и численного решения различных задач) поставило компьютерный или численный эксперимент в один ряд с традиционными методами исследования: теоретическими и экспериментальными. Сейчас совершенно очевидно, что компьютерный эксперимент, проводящийся с использованием хорошо обоснованной, прежде всего теоретически, модели позволяет получать результаты, не только ничем не уступающие результатам натурного эксперимента, но и порой, превосходящие их по точности. При этом результаты компьютерного эксперимента значительно дешевле и разнообразнее по сравнению с обычным экспериментом. Кроме того схема компьютерного эксперимента, безусловно, более гибкая, что позволяет варьировать широкий круг параметров эксперимента, получать одни и те же результаты различными, как прямыми, так и косвенными способами, что помогает увеличивать точность, с которой полученные данные будут представлены. Однако необходимо понимать, что компьютерный эксперимент никогда целиком не заменит натурный эксперимент и теоретические исследования, и лишь сочетание всех этих подходов позволяет развивать современные направления физики.
Компьютерное моделирование открывает новые возможности при теоретическом анализе процессов в плазме и их кинетики, позволяя проводить детальные вычисления по параметрам процессов и свойствам плазменных систем. В данных исследованиях компьютерное моделирование используется для анализа процессов с участием высоковозбужденных атомов, а также для анализа кинетики процессов в магнетронной плазме, которые принципиально понятны, однако, в результате компьютерного моделирования можно получить более детальную информацию о процессах, которая иногда принципиально меняет отношение к предмету исследований.

В диссертации это иродемонстрироваино на двух примерах резонансных процессов столкновения медленных частиц, резонансная перезарядка и процесс Пепнинга с участием высоковозбужденпых атомов.
Целью работы является исследование различных процессов с участием атомных частиц в низкотемпературной плазме с использованием компьютерных методов моделирования. На этом пути рассматриваются элементарные процессы с участием ридберговских атомов, которые включают в себя резонансную перезарядку высоковозбужденного атома на ионе, а также процесс столкновения двух высоковозбужденных атомов, приводящий к образованию свободных электронов. Последний процесс может быть ответственен за время распада ридберговской плазмы. В этих моделях связанные электроны рассматриваются как классические, а их эволюция в кулоновском поле атомных остатков приводит к рассматриваемым переходам.
Следующая задача диссертации состоит в использовании компьютерных методов для анализа реальной магнетронной плазмы. Построенная схема процессов и анализ ее кинетики позволяет, в конечном счете, выяснить оптимальные конструкции и оптимальные режимы горения магнетронного разряда с точки зрения эффективности получения металлических кластеров.
Около 20 лет назад, когда достаточно простые и эффективные методы лазерного охлаждения и удержания атомов в основном состоянии стали широко доступны, атомная физика пережила революцию, однако вплоть до недавнего времени, эти методы почти не имели приложений в исследованиях высоковозбужденных или ридберговских атомов. Исследования ридберговских атомов являются больше, чем просто расширением исследований атомной физики основных состояний, поскольку изучение холодных ридберговских атомов имеет самостоятельную научную и прикладную ценность, а также находит применение во многих областях современной физики и смежных наук, например, в экспериментах по генерации и удержанию антиматерии [1], созданию газов, состоящих из холодных ридберговских атомов [2] и ультра-

в основном состоянии в конце эволюции ридберговского газа определяется формулой Саха
где Те -равновесная температура электронов, J - потенциал ионизации рид-берговского атома, /о - потенциал ионизации атома в основном состоянии, а К(Те) константа равновесия распределения Саха. Отметим, что при термодинамическом равновесии в идеальной плазме, которая здесь рассматривается, концентрация возбужденных атомов мала по сравнению с полной концентрацией электронов и атомов в основном состоянии [61, 167]. Поскольку <7о J, то Те <С То и, следовательно, К(Те) Лго- Отсюда следует, что Не ~ N0, это позволяет нам переписать уравнения (2.12) в виде
Это подтверждает сделанные выше предположения о том, что Ые « N0, Ма « Аг0 в конце эволюции распада ридберговского газа. Таким образом, когда газ ридберговских атомов достигает равновесия, почти все изначально возбужденные атомы ионизованы.
Теперь применим полученные выше соотношения для анализа результатов эксперимента [8]. При этих условиях константы скорости процессов пеннин-говской ионизации и ионизации электронным ударом в соответствии с (2.8) и (2.9) равны
Ниже рассмотрим два предельных режима эволюции ансамбля ридберговских атомов. В первом режиме, когда магнитное поле включено, электроны

ро+^ад=лг„р„-л.
(2.126)
(2.12а)
(2.136)
(2.13а)
кр = 2.9 ■ 10~4 см3/с, кіоп = 2.5 • 10 3 см3/с.