Способ получения отрицательной проводимости в газовой ячейке

 

Изобретение относится к газоразрядным приборам, в частности к приборам без основных электродов внутри баллона. Целью изобретения является увеличение длительности существования отрицательной проводимости в газонаполненной ячейке. Сущность изобретения: в тяжелый инертный газ добавляются молекулы, которые затем возбуждаются до такой степени, что число возбужденных молекул превышает число невозбужденных. При этом формируется неравновесная функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в области рамзауэровского минимума сечения упругого рассеяния электронов атомами инертного газа. Данная ФРЭЭ существует, пока имеется источник возбуждения колебаний молекул. Отрицательная проводимость при этом существует практически в стационарном режиме.

Изобретение относится к газоразрядным приборам, в частности, без основных электродов внутри лампы.

Известен способ получения отрицательной проводимости в тяжелых инертных газах, когда неравновесная функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в области рамзауэровского минимума сечения упругого столкновения атома инертного газа с электроном формируется за счет импульсного рентгеновского излучения [1] .

Недостатком такого способа является кратковременность эффекта, что подтверждается измерениями: отрицательная подвижность электронов возможна в течение 10^-7 с при давлении ксенона р = 10 атм.

Известен также способ создания отрицательной проводимости в фазе обрыва разряда в тяжелых инертных газах [2] . Неравновесная ФРЭЭ формируется за счет неравномерного остывания электронов с различными энергиями в области рамзауэровского минимума.

Недостатком такого способа также является малая длительность существования эффекта: при атмосферном давлении инертного газа отрицательная проводимость существует всего ≈10^-8 с.

Целью изобретения является повышение длительности существования отрицательной проводимости.

Цель достигается тем, что неравновесная (немаксвелловская) ФРЭЭ формируется за счет столкновений второго рода с возбужденными молекулами. Благодаря этому электроны "запираются" в области рамзауэровского минимума на время, задаваемое длительностью возбужденных молекул. За счет этого отрицательная проводимость может существовать на несколько порядков дольше.

Способ осуществляется следующим образом. В тяжелый инертный газ (Ar, Xe, Kr) добавляют молекулярный газ (например, СО, СО₂ H₂, N₂ или др. ), в котором тем или иным способом возбуждают колебания (например, за счет передачи возбуждения от других возбужденных частиц или за счет оптического возбуждения, или за счет дезактивации электронных степеней свободы, или т. п. ). Степень колебательного возбуждения должна быть такой, чтобы число возбужденных молекул было больше, чем число невозбужденных. Затем ионизуют данную смесь (например, рентгеновским излучением или ультрафиолетовым излучением, или переменным электрическим полем (непрерывно или в виде импульса), или т. п. ). При взаимодействии электронного газа с возбужденными молекулами должна сформироваться неравновесная ФРЭЭ, которая и будет причиной отрицательной проводимости газонаполненной ячейки.

Молекулы являются хорошим резервуаром энергии, запасенной в колебательных степенях свободы. Эта энергия может эффективно расходоваться на поддержание энергии электронов и формирование неравновености на функции распределения вследствие больших сечений столкновения электрона с молекулой с возбуждением колебаний. Низкие энергетические пороги возбуждения нижних колебательных уровней позволяют с меньшими затратами достичь высоких степеней возбуждения колебательных уровней, что является необходимым условием превышения числа ударов второго рода над числом ударов первого рода (с потерей энергии электронами и возбуждением молекул). Многие молекулы обладают низкими вероятностями радиационного распада колебательных уровней и столкновительной дезактивации, поэтому энергия, запасенная в колебаниях молекул может быть направлена в электронные степени свободы почти без потерь. Таким образом, с точки зрения поставленной задачи колебательные степени свободы обладают рядом преимуществ перед иными вариантами формирования неравновесной ФРЭЭ с использованием возбужденных частиц.

Давление молекулярного газа должно быть таким, чтобы частота упругих столкновений электронов с атомами инертного газа превышала частоту упругих столкновений электронов с молекулами. Соотношение давлений молекулярного газа и инертного газа определяется в каждом конкретном случае соответствующими сечениями упругих соударений.

Нижняя граница концентраций молекулярного газа количественно определяется из требования превышения частоты столкновения электронов с молекулами, которые в целом разогревают электронный газ, над частотой, связанной со скоростью энергетической релаксации электронов на атомах инертного газа. Оценки, однако, показывают, что нижняя граница концентраций молекул обычно близка к границе концентрации молекул, задаваемой степенью чистоты инертного газа (порядка 10^-3% ).

В предлагаемой схеме можно использовать практически любые молекулы, однако степень эффективности процессов с их участием в значительной степени зависит от конкретных молекулярных характеристик.

Как один из вариантов, в нашем эксперименте использовалась ксеноновая плазма и колебательно-возбуженные молекулы окиси углерода СО (при давлениях соответственно 10⁵ и 10² Па). Проводимость плазмы замерялась резонаторным способом, она была отрицательной в течение нескольких минут и более и составляла по модулю до 2˙10^-8 Ом^-1˙ см^-1. Время ее существования в нашем случае определялось временем поддержания колебательного возбуждения молекул СО. Измерена также концентрация молекул на колебательных уровнях. При отсутствии молекул проводимость плазмы была положительной. Эти результаты подтверждают предлагаемый механизм формирования отрицательной проводимости.

Явление отрицательной проводимости в газонаполненной ячейке может быть использовано для усиления и генерации электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот (см. [2] ).

Длительность существования отрицательной проводимости в эксперименте превысила 100 с, что значительно превосходит аналогичный параметр у прототипа. Такое увеличение длительности существования уже делает возможным практическое применение отрицательной проводимости для генерации и усиления электромагнитных колебаний. (56) 1. J. M. Warman, U. Sowada, M. P. de Haas. Transient negative mobility of hot electrons in gaseous xenon. Phys. Rev. A. , 1985, v. 31 (3). p. 1974-1976.

2. Рохленко А. В. Абсолютная отрицательная проводимость в релаксирующем слабоионизованном газе. ЖЭТФ, 1978, т. 75(4). с. 1315-1320.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТИ В ГАЗОВОЙ ЯЧЕЙКЕ путем фоpмиpования неpавновесной функции pаспpеделения электpонов по энеpгиям в тяжелом инеpтном газе в области минимума сечения упpугого pассеяния, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности существования отpицательной пpоводимости, пеpед фоpмиpованием функции pаспpеделения электpонов по энеpгиям в инеpтный газ добавляют молекуляpный газ в количестве не более кpитического значения, пpи котоpом частота упpугих столкновений атомов инеpтного газа с электpонами, обладающими энеpгией, соответствующей минимуму сечения упpугого pассеяния тяжелого инеpтного газа, пpевышает частоту упpугих столкновений электpонов этой же энеpгии с молекулами, затем пpоизводят колебательное возбуждение молекуляpного газа до уpовня, пpи котоpом число возбужденных молекул пpевышает число невозбужденных.