Ne(1S0)与 4He(21S,21P) 和3He(21S,21P) 碰撞的淬火机制(中文).doc

定量光谱学期刊，辐射转移，87（2004）69-82
与、、、碰撞的淬火机制
摘要：
、、、和基态Ne原子碰撞淬火中的横截面积和速率常数可以对低压下激发He-Ne等离子体的电子束用时间分辨法测得。当时，，，，。由速率常数得对应的横截面积为，，，。与相比，的态的扩散系数估算值为。建立一个可以承受电子束的He-Ne等离子体的时变碰撞辐射模型，并用Ne中谱线线强度的预测值与实验值作比较。态中涉及总粒子数和粒子数降低的动力学系统的不同过程的影响将被评估。

1.简介：
众所周知，低激发态的氦：，，，在低温等离子体光源的工作介质起着重要作用。如激发转移和彭宁电离等众多过程都伴随着这些激发态原子的参与，这些激发态原子对不同的激光激发介质中的粒子数反转的形成很重要。一个典型的例子是He-Ne激光，它的粒子数反转就是由于He原子向高激发态的Ne原子的激发转移形成的。用代替可以使的激光的增益增加20-50%。作者推测，这是由于和比和能量相近，更有利于激发转移。轻氦同位素中的亚稳态氖的大扩散系数更进一步的减少了激光低能级的粒子数。通过在阳极区用代替，有数据记录Ne的3.39谱线的激光增益增加了20%。在空心阴极工作介质中测到输出功率增加了四倍。这样，如果用代替，He-Ne激光的激光增益和输出功率都能得到显著改善。从和到Ne的激发转移文献的缺乏刺激了我们的调查。

图1：HeI和NeI的局部能级图
目前的工作中，借用了［5,6］中提出的实验法。此法利用了和基态Ne原子的激发转移过程，也就是:
， （1）
衰变到：
， （2）
和的粒子动力学可以通过观察He-Ne混合气体的脉冲电子激励中的的粒子数的改变。当Ne原子的浓度改变，和衰减率就会变化，可导出相应的淬火速率常数，也就是和。这种方法成功的避免了等体离子源中的和粒子动力学研究的实验困难。众所周知，这个困难是由于IR和UV光谱区的引发的转移和对的研究的吸收方法得出了不可靠的粒子数结果，这是因为的电子碰撞而产生的的混合。这种间接法已经成功地用于测定［5］中反应（2）的转移概率和惰性气体的标准原子碰撞时的和的淬火过程，对彭宁离子过程中的IA组、ⅡB组的原子和氢分子也进行了研究。
早在二十世纪六十年代，和与淬火时的横截面积和速率常数就被广泛研究。的横截面积为，的横截面积在到之间。就我们现在所了解的的横截面积还没有被测出来。现在的工作目标是测定淬火的、、、和基态Ne原子碰撞时得横截面积。
2.实验装置：
He-Ne混合气体中激发态He与Ne的淬火过程的实验研究用时间分辨光谱方法。图2为实验装置示意图。

图2：延迟符合法的实验装置图
He和Ne的激励玻璃管长20cm，直径4cm。气体入口是漏气阀（MD6型真空激发器）。全封闭式漏气率低于。气压用标准精度为0.15%的气压传感器来检测。He的压力为0.4或0.2Torr，Ne压力范围为0.01-0.09Torr。原子用一束电子束来激发和电离，其矩形截面积为，承压等离子体体积为。电子束由间热式阴极和两个光束型网格的电子枪产生。阳极与第二栅格相连，等电位区长1cm。第一栅格的电压为10-15V。第二栅格的电压为-20V。双通道脉冲放大器的振幅为140V的正向脉冲电压传递给第二栅格。开启电子枪后会形成电子束。电子进入第二栅格和阳极之间的等电位区，即形成等离子体的地方。激励脉冲的上升时间为100ns，衰减时间为20ns，持续时间为350ns。脉冲频率为20kHz。阴极电流为2.3mA，相应的电流密度为，束电子的能量为120eV。
实验步骤：氦气注入到MD6漏气阀室中，然后加入氖气，总气压用高精度压力传感器控制。每过一个氖压力重复一次上述步骤。在不同的激励脉冲（100、350ns），电子能量（75、120eV），氦压力（0.2、0.4Torr）下已经进行过对照试验。这些实验在以下的实验条件下进行：激励脉冲持续时间为350ns，电子能量为120eV，氦压力为0.4Torr，氖压力为0.03-0.09Torr。束电子的能量（120eV）接近于的激励函数的最大值，脉冲持续时间允许达到粒子的饱和值。
Ne632.8nm光谱线的衰减用延迟符合法来记录。在垂直于电子束的方向上观察光发射。光谱线用分辨率为1.3nm/mm的光栅单色仪MDR-23U来区分，用电子倍增管PMP-79（进行光电元计数）来记录。恒分数鉴别器形成的光电倍增管的单电子脉冲被放大，进入时间幅值转换器（ORTEC-657）的“STOP”输入。同时“START”输入被电子枪激励脉冲触发。振幅分布用多通道分析仪记录并储存在一个PC中。在时间间隔为4、5、8、，每个通道为8.2、10.6、16.3、20.9ns时分别记录衰变曲线。
3.简化的衰变率模型:

图3：的典型的衰变曲线图
He-Ne混合气体的简化的衰变率模型就是通过对的衰变运用一种分析法来分析He-Ne混合气体的实验结果。图3中的的典型的衰变曲线可以通过这种方法来分析，这提供了对He-Ne等离子体中最重要的过程的物理洞察力。它由三部分组成。第一部分是由于从基态到激发态的电子碰撞激发。第二个最大值是和的衰减及向的能量转移（分别在第二、三部分）形成的。的衰变曲线在［5,6］中得出。
， （3）
其中，是跃迁到低能级Ne的总辐射转移概率，，，，是跃迁到基态的有效辐射转移概率，是（2）式的转移概率，和是从和到Ne原子的相应的激发转移概率常数，是的扩散损失率，表示Ne的密度。作者认为这个近似值精确到了几个百分点。振幅、、决定于粒子数的时间变化，依赖于He和Ne的摩尔分数及电流脉冲持续时间。
现在的时变模型包含了额外的过程。这样可以估计参与和的速率方程或不同的速率常数的中的不同过程的影响。
4.详细的碰撞辐射模型：
［5,6］中简化的衰减速率模型仅限于几个反应，与有关。把它推广到更普遍的时变模型是有意义的，其包含额外的反应。而且，这样一个模型能预测的粒子数和电子束脉冲及余辉的Ne632.8nm谱线的谱线强度。这个工作中发展的碰撞辐射模型描述了He的时间演变和维持等离子体的电子束的激发态Ne的密度。所有的主量子数为n≤4的He单重态都考虑在内，然而经过深思熟虑三重态被限制在和。在电子束脉冲和早期余辉期间，来自于的串联转移，n=2,3,4，其主要原因是包含了有四个主量子数的单重态。三重态和单重态之间的相互作用普遍受限于他们的电子转移。n=2的单重态足够，但n≥3的三重态的粒子数少，他们不能和单重态发生相互作用。唯一的感兴趣的是 Ne的，就是用于检测的衰变的态。并不考虑别的Ne的激发态。模型也伴随着电子密度的时间演变，但是在这些实验条件中电子密度和温度（假定是1eV）被证明是无关紧要的，
模型中采用的完整的反应列表如表1.基态的电子碰撞激发，和的辐射衰变和转移及He的亚稳态的扩散是最重要的反应。例如化学电离和结合性电离的反应是可忽略的，他们只对电子的产生比较重要。别的碰撞反应被忽略是由于低能级的He和Ne的密度或过程速率常数，也就是非弹性碰撞—、（指亚稳态He原子）、三体碰撞、受激碰撞辐射、激发转移。后面的过程的速率比（2）式的衰变速率小两个量级。
电子碰撞激发和He、Ne基态的电离主要是因为高能电子。与等离子体的尺寸相比电子束可以认为是单色的，因为高能电子的平均自由程为1cm。k能级的激发率由下式给出：
， （4）
指电子碰撞激发横截面积，e指电子电荷量，V指光束能量，N指基态密度。电子束电流密度有个上升时间和下降时间的梯度，即：
， ，
= ， ， （5）
， .
持续的光束脉冲一般是几百纳秒，比的衰变时间小的多。电离率通过替换电离原子的横截面积可得到相似的表达方式。光束电子激发和电离仅仅发生在光束脉冲期间（）；余辉时的和为0.
He或k激发态的Ne的粒子数可由下是估算：
， （6）
和是相应的k态粒子数增加和减少的概率。普通微分方程方法的初始条件为。由于是这种模型最感兴趣的态，对这个态的形成和破坏的
作用过程进行分析。来自于基态和、、的串联转移，它被Ne原子的碰撞和扩散所破坏。的平衡方程为：， （7）
其中，A、k、相应的指辐射衰减率、激发转移率常数、扩散率。下标为反应号码。
为了分析（7）式的平衡，他可以写成下面的表达式：
， （8）
其中，含有的串联转移的贡献，指的激发转移率，指扩散率。（8）式的表达方式便于分析大范围的实验条件下不同的过程的贡献。

表1：动力学模型中的原子数据（反应、比率、文献）

5.结果与讨论：
不同的氖压力的Ne谱线理论计算和实际测量强度在图4中标出。为了方便起见，谱线强度是标准化的。电流密度为的电子束脉冲持续时间，与标准衰变时间相比至少小10倍。氦压力保持不变，为0.4Torr，氖压力为0.03-0.09Torr。等离子体不断地通过热阴极加热，气体温度为。测量的和曲线计算的一样，以一个陡峭的增加为特征，达到的最大值，然后平缓的降低。值得注意的是最大值在电子束脉冲结束后的早期的余辉中重现。为了更好地理解衰变曲线的典型特征，我们以最高的氖压力采用本模型的案例。结果在接下来的两个数据中显示。图5显示了和He的态的粒子数的时间演变。主量子数为n=2的氦的态显示在上面。长寿命的亚稳态于辐射态之间有明显的不同。氖的态也变成了长寿命的态，因为它来自余辉中的态。主量子数为n=3、4的单重态显示在下面。他们是辐射态，其衰变小于。图4可以明显的看出P态的粒子数远大于S态和D态的粒子数。预测到P态的激发横截面是最大的。
基于（8）式对的离子数机制的详细分析在图（6）中给出。的粒子数的增加来源于对基态的直接的电子碰撞激发，仅仅占总激发态的10-15%。其主要的部分来自于、、的串联激发。这些态对有如下贡献。其中串联转移的电子束脉冲48%来源于，37%来源于，15%来源于。临近632.8nm发射曲线最大值处、串联转移对总的串联转移率的贡献变小，只占了几个百分点。的串联转移仍然是唯一有意义的粒子数机制。
公式（8）可化简为：
，. （9a）
当时，的粒子数有效地减少，平衡方程由末尾的两个关系得出，激发转移和扩散，也就是
，. ( 9b)
这种描述有很重要的实际运用的方面，可以知道这个将来的实验。当时的粒子脱离来自、的串联转移，平衡方程（7）化简成（9a），和的衰变可以同时研究。

图4：不同氖压力下的632.8nm谱线的强度图
图4中，在不同的氖压力下估算(虚线)和测量（实线）632.8nm谱线的强度：（a），，，，，；（b）， ，，，，；（c）， ，，，，。气体温度。

图5：和He的粒子数的时间演变图（其等离子体情况和图4c相同）

图6：由到公式（8）的平衡方程关系图（其等离子体情况和图4c相同）
从一组测量曲线可以推断出不同的氖的浓聚物余。辉时的和的衰变系数。为了导出和的衰减量，将进行以下步骤。第一步，去掉实验数据的背景。第二步，通过消除电子束激励脉冲期间的所有多通道分析仪所记录的通道，确保和的有效寿命不受激励脉冲的影响。结果曲线表示和的组合衰减，近似于二次指数曲线。而且，二次指数曲线符合测量曲线的初始部分，在这个过程中得到的衰减率是常数说明消除了激励脉冲的影响。图7和8中显示的依赖于和的因数接近于一条直线。斜率时被氖原子碰撞的相应的氦激发态的淬火的速率常数。分解相应的热速度（时与、相对应的速度为和）得到的速率常数可以得出横截面积。为波尔兹曼常数，为氦和氖的折合质量。直线与坐标轴相交点为（氖压力为0处），是除了激发转移外其他所有通道的总粒子数降低率。对亚稳态来说，这些通道是电子的扩散和完全弹性碰撞，后者可以忽略。、相对应的为、，可以看作是在He的扩散率。和中亚稳态的扩散系数之间的关系为。

图7：时的Ne不同密度所对应的（a）和（b）的衰变率的对比图
辐射态和比亚稳态的系数大两个量级。的的三个部分的总和，也就是（辐射俘获的估计值），和（假定和亚稳态相同）产生一个理论值，只比测量值小4.6%。
在此项工作中导出的淬火Ne原子和、的速率常数与文献中的数据作比较（表格2）。在600K时的测量值只比其他人的稍微大一点。至于的测量值比［6,19］中的数据小5-10倍，但是其横截面积与［20］中的数据一致。同位素的速率常数或横截面积还没有公布。我们的测量值显示在时与的速率常数一致。

图8：时的Ne不同密度所对应的（a）和（b）的衰变率的对比图
表2：淬火和、的横截面积和速率常数表

我们的模型与［5,6］中消除部分反应（简化模型中没有参与的反应）所得的的简化模型作比较。激发态的粒子数和衰变率在两个模型中的反应相同，但是简化模型中和的粒子数低估了30-50%，衰变率低估了20-30%。我们的模型中清晰的显示了和串联转移结果，这在简化模型被忽略了。
6总结：
低压下电子束维持的He-Ne等离子体中、、、的衰变用延迟符合法来测量。淬火被碰撞的、、、的横截面积和速率常数用作者的方法导出并作比较。在时和相应的速率常数的数量级是相同的。亚稳态的扩散系数比大约两倍。建立了电子束维持的He-Ne等离子体的时变碰撞辐射模型，预测的632.8nm谱线强度与实验数据作了比较。对与的粒子数变化相关的不同的过程的影响作了评估。
弹性碰撞：在理想情况下，物体碰撞后，形变能够恢复，不发热、发声，没有动能损失，这种碰撞称为弹性碰撞，又称完全弹性碰撞。真正的弹性碰撞只在分子、原子以及更小的微粒之间才会出现。生活中，硬质木球或钢球发生碰撞时，动能的损失很小，可以忽略不计，通常也将它们的碰撞看成弹性碰撞；动能守恒、动量守恒。当两物体质量相同时，互换速度。
非弹性碰撞：碰撞过程中物体往往会发生形变，还会发热、发声。因此在一般情况下，碰撞过程中会有动能损失，即动能、机械能都不守恒，这类碰撞称为非弹性碰撞(inelastic collision)。碰撞后物体结合在一起，或者速度相等，看做一个整体时动能损失最大，这种碰撞叫做完全非弹性碰撞；动能不守恒、动量守恒。