RU2010379C1

RU2010379C1 - Process of isolation of negative conductance in gas cell

Info

Publication number: RU2010379C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Блашков; О.А. Золотарев; В.Н. Скребов
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный горный институт им.Г.В.Плеханова
Priority date: 1991-05-23
Filing date: 1991-05-23
Publication date: 1994-03-30

Abstract

FIELD: gaseous-discharge devices. SUBSTANCE: molecules are added into heavy inert gas which later are excited to such degree that number of excited molecules exceeds that of unexcited. In this case non-equilibrium function of distribution of electrons by their energies in region of Ramsauer minimum of section of shape-elastic scattering by atoms of inert gas is formed. Given function of distribution of electrons by their energies exists till source of excitation of oscillations of molecules exists. With this negative conductance exists practically under stationary condition. EFFECT: prolonged existence of negative conductance in gas-filled cell.

Description

Изобретение относится к газоразрядным приборам, в частности, без основных электродов внутри лампы. The invention relates to gas discharge devices, in particular, without main electrodes inside the lamp.

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] . There is a method of obtaining negative conductivity in heavy inert gases, when the nonequilibrium energy distribution function of electrons (EEDF) in the region of the Ramsauer minimum of the cross section of the elastic collision of an inert gas atom with an electron is formed due to pulsed x-ray radiation [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.The disadvantage of this method is the short duration of the effect, which is confirmed by measurements: negative electron mobility is possible for 10 ^-7 s at a xenon pressure of p = 10 atm.

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. There is also a method of creating negative conductivity in the phase of the discharge termination in heavy inert gases [2]. A nonequilibrium EEDF is formed due to uneven cooling of electrons with different energies in the region of the Ramsauer minimum.

Недостатком такого способа также является малая длительность существования эффекта: при атмосферном давлении инертного газа отрицательная проводимость существует всего ≈10^-8 с.The disadvantage of this method is also the short duration of the effect: at atmospheric pressure of an inert gas, negative conductivity exists only ≈10 ^-8 s.

Целью изобретения является повышение длительности существования отрицательной проводимости. The aim of the invention is to increase the duration of the existence of negative conductivity.

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. The goal is achieved by the fact that the nonequilibrium (non-Maxwellian) EEDF is formed due to collisions of the second kind with excited molecules. Due to this, the electrons are “locked” in the region of the Ramsauer minimum for a time specified by the duration of the excited molecules. Due to this, negative conductivity can exist several orders of magnitude longer.

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.The method is as follows. In a heavy inert gas (Ar, Xe, Kr), a molecular gas (for example, СО, СО ₂ H ₂ , N ₂ or others) is added, in which oscillations are excited in one way or another (for example, by transferring excitation from other excited particles or due to optical excitation, or due to the deactivation of electronic degrees of freedom, or the like). The degree of vibrational excitation should be such that the number of excited molecules is greater than the number of unexcited ones. Then this mixture is ionized (for example, by X-ray or ultraviolet radiation, or by an alternating electric field (continuously or in the form of a pulse), or the like). When an electron gas interacts with excited molecules, a nonequilibrium EEDF should form, which will cause the negative conductivity of the gas-filled cell.

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. Molecules are a good reservoir of energy stored in vibrational degrees of freedom. This energy can be effectively spent on maintaining the energy of electrons and the formation of inequalities on the distribution function due to large cross sections for the collision of an electron with a molecule with excitation of vibrations. The low energy thresholds for the excitation of lower vibrational levels make it possible to achieve high degrees of excitation of vibrational levels with lower costs, which is a necessary condition for the number of second-kind impacts to exceed the number of first-kind impacts (with the loss of energy by electrons and the excitation of molecules). Many molecules have low probabilities of radiation decay of vibrational levels and collisional deactivation, so the energy stored in the molecular vibrations can be sent to the electronic degrees of freedom with almost no loss. Thus, from the point of view of the problem posed, vibrational degrees of freedom have several advantages over other options for the formation of a nonequilibrium EEDF using excited particles.

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. The pressure of the molecular gas must be such that the frequency of elastic collisions of electrons with atoms of an inert gas exceeds the frequency of elastic collisions of electrons with molecules. The ratio of the pressures of the molecular gas and inert gas is determined in each case by the corresponding sections of elastic collisions.

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% ).The lower limit of molecular gas concentrations is quantitatively determined from the requirement that the collision frequency of electrons with molecules that generally heat the electron gas exceed the frequency associated with the rate of energy relaxation of electrons on inert gas atoms. Estimates, however, show that the lower limit of the concentration of molecules is usually close to the boundary of the concentration of molecules, given the degree of purity of the inert gas (about 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. Almost any molecule can be used in the proposed scheme, however, the degree of efficiency of processes with their participation largely depends on specific molecular characteristics.

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.As one of the options, xenon plasma and vibrationally excited molecules of carbon monoxide CO were used in our experiment (at pressures of 10 ⁵ and 10 ² Pa, respectively). The plasma conductivity was measured by the resonator method, it was negative for several minutes or more and amounted modulo up to 2˙10 ^-8 Ohm ^-1 ˙ cm ^-1 . The time of its existence in our case was determined by the time of maintaining the vibrational excitation of CO molecules. The concentration of molecules at vibrational levels was also measured. In the absence of molecules, the plasma conductivity was positive. These results confirm the proposed mechanism for the formation of negative conductivity.

Явление отрицательной проводимости в газонаполненной ячейке может быть использовано для усиления и генерации электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот (см. [2] ). The phenomenon of negative conductivity in a gas-filled cell can be used to amplify and generate electromagnetic waves in a wide frequency range (see [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. The duration of the existence of negative conductivity in the experiment exceeded 100 s, which significantly exceeds the similar parameter in the prototype. Such an increase in the duration of existence already makes possible the practical use of negative conductivity for the generation and amplification of electromagnetic waves. (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. 2. Rokhlenko A. V. Absolute negative conductivity in a relaxing weakly ionized gas. JETP, 1978, v. 75 (4). with. 1315-1320.

Claims

METHOD FOR PRODUCING NEGATIVE CONDUCTIVITY IN A GAS CELL by forming an nonequilibrium distribution function of electrons by energies in a heavy inert gas in the region of a minimum of the cross section of elastic scattering, characterized by the fact that, in order to increase the separation time molecular gas in an amount of no more than a critical value, for which the frequency of elastic collisions of inert gas atoms with electrons having the energy corresponding to the minimum cross section of the elastic scattering of a heavy inert gas exceeds the frequency of elastic collisions of electrons of the same energy with the molecules, then they vibrate the molecular gas to a level at which the number of excited molecules exceeds the number of unexcited ones.