Инверсия населенностей в плазме газового разряда

В плазме газового разряда все частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, но и имеется дрейф заряженных частиц в направлениях расположения электродов. В процессе хаотического движения частиц возможны как упругие, так и неупругие соударения частиц газа.

Перевод атомов (ионов) в плазме газового разряда в возбужденные состояния происходит в результате неупругих соударений. Возможны следующие процессы передачи энергии при таких столкновениях:

а) Прямое электронное возбуждение.

Быстрый электрон сталкивается с атомом (с ионом), находящимся в основном состоянии, передает ему часть своей кинетической энергии, в результате чего атом переходит в возбужденное состояние. Схема этого процесса записывается в виде: е^* + А Þ е + А^* , где обозначены
е – электрон; е^* - быстрый электрон; А и А^* - атом в основном и возбужденном состоянии.

б) Ступенчатое электронное возбуждение или соударения 1-го рода.

При таком механизме возбуждения электрон при столкновении с возбужденным атомом (ионом) передает ему свою энергию и, тем самым, переводит его на более высокий энергетический уровень. Схема процесса передачи энергии в данном случае записывается как: е^* + А^* Þ е + А^** . Столкновение 1-го рода приводит к преобразованию кинетической энергии электрона в потенциальную энергию атома.

в) Резонансная передача энергии или соударения 2-го рода.

В газовой смеси при соударении возбужденного атома одного газа с атомом другого газа, находящегося в невозбужденном состоянии, возможна резонансная передача энергии от первого атома ко второму атому. Схема реализации этого процесса: А^*+ВÞ А+В^*, где А, В, В^* и А^* - атомы в основном и возбужденном состоянии.

Рис3.3. Схема реализации резонансной передачи энергии.

Необходимыми условиями для реализации данного процесса является:

- близкое расположение уровней сталкивающихся атомов ( Е=Е_А-Е_В принимает минимальное значение);

- концентрация атомов А много больше концентрации атомов В (n_А>>n_В);

- возбужденный уровень атома А должен быть метастабильным (большое время жизни).

Атом, находящийся в возбужденном состоянии, может перейти на более низкие энергетические уровни, включая основной, благодаря следующим четырем процессам:

1) столкновениям возбужденного атома с электроном, при котором атом отдает свою энергию электрону;

2) столкновениям между атомами в газовой смеси, состоящей более чем из одной компоненты;

3) столкновениям атома со стенками газоразрядной трубки;

4) спонтанному излучению.