Криогенная плазма. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Криогенная плазма (от греч. - холод и genes - рождающий, рождённый) - плазма, охлаждённая до низких (криогенных) температур, напр. в результате погружения контейнера с плазмой в ванну с жидким азотом или гелием. Представляет интерес прежде всего для изучения элементарных и коллективных процессов в ионизованных газах при ультранизких значениях тепловой энергии частиц. Ныне в осн. получают К. п. инертных газов, среди к-рых наиб. подробно изучены свойства К. п. гелия.

Простейший способ получения К. п. состоит в следующем. В криогенную жидкость опускается трубка, внутри к-рой горит тлеющий разряд .Давление газа в трубке и ток разряда (либо длительность горения разряда) выбраны такими, чтобы ионная темп-pa Т'_i в трубке была практически равна температуре окружающей её жидкости. В то же время электронная темп-pa Т_е в плазме разряда может достигать неск. десятков тысяч градусов. При прерывании разрядного тока Т_е уменьшается из-за столкновений электронов с атомами, как правило, быстрее (рис. 1), чем успевают исчезнуть из объёма заряды вследствие рекомбинации или диффузии,- в эти неск. мс и существует К. п. с Т_е, близкой к Т_i.

Рис. 1. Зависимость концентрации п_e и электронной температуры Т_e от времени в послесвечении гелиевой криогенной плазмы при Т=4,2К и n_а=1,26*10¹⁸ см^-3.

Помещая рекомбинирующую (распадающуюся) плазму во внеш. электрич. поле, можно поддерживать Т_е в ней на заданном уровне и т. о. продлить время существования К. п. Предельный случай соответствует стационарному тлеющему разряду, охлаждённому криогенной жидкостью. Влияние охлаждения на электрические характеристики тлеющего разряда показано на рис. 2.

Требуемое нач. состояние К. п. может быть создано др. способом, напр. при помощи импульсного безэлектродного разряда либо пучка быстрых электронов. К. п. может быть получена также при быстром и глубоком адиабатич. расширении плазмы в сверхзвуковых соплах.

В кинетике К. п. гелия значит. роль играют мета-стабильные атомы Не (2 ³S), концентрация к-рых при уменьшении температуры резко возрастает из-за снижения скорости их разрушения атомами в осн. состоянии и уменьшения скорости диффузии метастабильных атомов. Парные столкновения метастабильных атомов, напр. в процессе ассоциативной ионизации

приводят к инжекции в плазму электронов с энергиями от 15 до 17,6 эВ, заметно воздействуя на функцию распределения электронов по скоростям. Этим объясняется, в частности, резкое снижение приведённой напряжённости электрич. поля в области малых токов и давлений р

10 мм рт. ст. при криогенных температурах (рис. 2, кривые 2, 3).

В распадающейся К. п. гелия при температуре жидкого азота и ниже (

100 К) осн. ионом становится Не⁺₃. Электрон-ионная рекомбинация в этом случае происходит с образованием возбуждённой молекулы гелия:

что подтверждается наблюдаемым при распаде плазмы свечением молекул Не₂. Коэф. рекомбинации

находится в обратной зависимости от Т_е (при Т_е=10 К

=4 *10^-5 см³ с^-1) и не зависит от концентрации атомов и электронов в достаточно широком диапазоне их изменений.

Наряду с молекулярными ионами для К. п. характерно образование комплексных или кластерных ионов. Напр., в сверхкритич. области гелия в ионном кластере число атомов может достигать неск. сотен. В тяжёлых инертных газах, где существенны поляризац. взаимодействия атомов, образуются также и электронные кластеры.

Рис. 2. Зависимость приведённой напряжённости электрического поля (Е/р) в столбе разряда от тока I при разных значениях давления р и температуры Т: 1,2,3 - при Т= = 77 Ки р = 5,35;9,4 и 19,4 мм рт. ст.; 4, 5, 6 - при Т = = 4,2 Ки р = 5,12; 9,28 и 19,3 мм рт.

При криогенных темп-pax и больших плотностях в гелии в результате обменного взаимодействия электрона с атомными электронами возможно образование вокруг рассматриваемого электрона полости ("пузырька"), движущейся вместе с электроном под действием электрич. поля. Напр., при 4,2 К и плотности атомов n_а=1,5

10²¹ см^-3 размер полости составляет 38 а₀ (а₀ - боровский радиус), а энергия связи 0,1 эВ. Образование полости резко снижает подвижность электрона. На рис. 3 (кривая 1)показано такое снижение подвижности

при T=20,3 К и n_а = 3*10²¹ см^-3.

Рис. 3. Подвижность электронов в зависи мости от плотности гелия при различных температурах: 1 - 20,ЗК; 2 - 52,8 К; 3 - 77,3 К; 4 - 160 К; 5 -

[аппроксимация теоретической зависимости

без учёта образования полости вокруг электрона].

Исследования К. п. по существу только начинаются. Особый интерес должны, в частности, представлять эффекты неидеальности К. п. при больших степенях ионизации. Однако К. п. и с малой степенью ионизации выделяется среди известных видов плазмы, прежде всего по сложности её состава и весьма нетривиальной кинетике.

Литература по криогенной плазме

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.