Тройная ион-ионная рекомбинация в слабоионизованном газе и плазме

• Автор: Новицкий, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 92 с.

Содержание
Введение
1. Обзор аналитических методов расчета скорости тройной ион-ионной рекомбинации
1.1. Основные механизмы ион-ионной рекомбинации
1.2. Ион-ионная рекомбинация при низком давлении газа
1.3. Ион-ионная рекомбинация при высоком давлении газа
1.4. Расчет константы тройной ион-ионной рекомбинации
1.5. Тройная ион-ионная рекомбинация во всем диапазоне давлений
2. Тройная ион-ионная рекомбинация в газовых смесях. Синергетический эффект
2.1. Введение
2.2. Расчет коэффициента рекомбинации в газовых смесях
2.3. Синергетический эффект для тепловых ионов
2.3.1. Высокие плотности газа
2.3.2. Промежуточные плотности газа
2.4. Синергетический эффект во внешнем электрическом поле
3. Тройная ион-ионная рекомбинация во внешнем электрическом поле
3.1. Кинетическая энергия относительного движения ионов во внешнем электрическом поле
3.2. Взаимодействие ионов во внешнем электрическом поле
3.3. Расчет константы скорости тройной ион-ионной рекомбинации во внешнем поле
4. Расчет скорости ион-ионной рекомбинации в газовых средах
4.1. Воздух с примесью фреонов; дымовые газы
4.2. Влажный воздух; влияние влажности на свойства длинных стримеров в воздухе
Заключение
Список использованной литературы

Введение.
Актуальность темы диссертации. Процесс тройной ион-ионной рекомбинации
А+ + В~ + М АВ + М имеет почти вековую историю исследований. Являясь одним из основных каналов гибели заряженных частиц в электроотрицательном газе, он оказывается важным при накачке эксимерных лазеров и решении ряда экологических задач; им определяется концентрация ионов в средней и нижней атмосфере Земли.
Экспериментальных данных по скорости этого процесса относительно мало, что объясняется изменением состава ионов и усложнением их идентификации с ростом давления газа. Поэтому основным источником информации по скорости процесса тройной ион-ионной рекомбинации является теория, причем наиболее надежные данные получаются в рамках метода Монте-Карло. Но расчеты этим методом трудоемки и выполнены для малого числа систем и узкой области параметров. Скорость же рассматриваемого процесса зависит от многих исходных данных: вида частиц А+ ,В~ ,М, давления, температуры газа, а в некоторых задачах - и от приложенного электрического ПОЛЯ.
Из-за этого в практических приложениях (например, при изучении кинетических процессов в эксимерных лазерах), где необходимо знание большого числа констант скорости протекающих реакций в большом диапазоне внешних условий, применение метода Монте-Карло представляется очень затруднительным. В таких задачах более удобно использование аналитических формул для констант скорости реакций.
В данной работе рассмотрены задачи, решение которых важно для эксимерных лазеров, плазменных методов очистки дымовых газов и электроизоляции высоковольтного оборудования.
Кроме того, наличие аналитического описания позволяет более глубоко понять основные закономерности протекания процесса рекомбинации, что дает возможность заранее делать оценки эффективности различных каналов гибели заряженных частиц в широком диапазоне условий.
Несмотря на то, что в большинстве практических задач рекомбинация ионов происходит в смеси газов, до настоящего времени этот вопрос остается практически не исследованным теоретически. Также явно недостаточным представляется объем данных по рекомбинации ионов во внешнем электрическом поле.

В данной работе сделана попытка восполнить этот пробел и рассмотреть возникающие при этом эффекты.
Отмеченные обстоятельства позволяют считать тему настоящей работы весьма актуальной как с точки зрения анализа основных процессов, происходящих при тройной рекомбинации ионов в газовых смесях и внешнем электрическом поле, так и с точки зрения применения аналитических методов расчета скорости процесса рекомбинации в различных практических приложениях.
Предметом настоящего диссертационного исследования является процесс тройной ион-ионной рекомбинации в газовых смесях и при наложении постоянного внешнего электрического поля.
Цель настоящего исследования: рассмотрение аналитических моделей процесса тройной ион-ионной рекомбинации, построенных к настоящему времени и возможностей их использования для различных задач и при разных внешних условиях; построение модели процесса ионной рекомбинации в газовых смесях и анализ синергетического эффекта, возникающего при рекомбинации ионов в смеси газов, сильно отличающихся по своим свойствам; анализ эффектов, приводящих к существенному снижению скорости ионной рекомбинации при наложении внешнего постоянного электрического поля; расчет скорости рекомбинации в плазме дымовых газов, в канале стримера при его распространении во влажном воздухе и в других практических приложениях, а также влияния влажности на свойства длинного стримера в воздухе.
Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые приводится аналитический расчет константы скорости процесса тройной ион-ионной рекомбинации в газовых смесях. На основании этого расчета, также впервые, предсказывается синергетический эффект в скорости тройной ион-ионной рекомбинации, состоящий в немонотонной зависимости константы от состава смеси буферных газов. Кроме того, впервые выполнено моделирование длинного стримера во влажном воздухе и дано новое объяснение наблюдаемому в эксперименте эффекту влияния влажности на свойства стримера.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Предложена методика определения и выполнен расчет константы скорости тройной ион-ионной рекомбинации в газовой смеси.

отличается от соответствующей формулы Томсона (1.2.3) тем, что а) в ней вводится зависящий от плотности радиус
(1.5.3)
б) при помощи фокусирующего фактора

учитывается то, что траектории ионов кулоновские, а не прямолинейные, и
выше, чем с бесконечным расстоянием.
Аналогичные изменения в формулу Ланжевена дают в результате скорость
которая лишь немногим меньше а ь при высоких давлениях газа.
Поскольку формула Натансона (1.5.1) дает качественно правильную зависимость а от N, Бэйтс и Фланнери [19], вместо того, чтобы обобщать свое квазиравновесное описание, домножили радиус захвата таким образом, чтобы результат в пределе низких давлений (1.5.2) совпал с полученным в квази-равновесном подходе (1.4.16). Учитывая этот множитель, коэффициент рекомбинации а во всем диапазоне давлений можно оценить следующим образом:
где ам - коэффициент скорости парной рекомбинации при малых давлениях, просто добавлен к скорости тройной рекомбинации Томсона (1.5.2), поскольку процессы тройной и парной рекомбинации независимы и проходят параллельно.
Вне зависимости от того, каким способом вычисляются коэффициенты ат, аь и ам , общая формула (1.5.5), определяющая зависимость полной скорости рекомбинации от этих коэффициентов остается справедливой, поскольку
в) учитывается то, что плотность ионных пар с взаимным расстоянием + л), то есть сразу перед попаданием в сферы столкновений, в С« ехр(12д,/5Я) раз
(1.5.4)
(1.5.5)