Криогенная плазма

КРИОГЕННАЯ ПЛАЗМА (от крио... и ...генез), плазма, охлаждённая до низких (криогенных) температур. Криогенная плазма используется, прежде всего, для изучения элементарных и коллективных процессов в ионизованных газах при ультранизких значениях тепловой энергии частиц. Наиболее подробно изучены свойства криогенной плазмы гелия.

Простейший способ получения криогенной плазмы состоит в следующем. В криогенную жидкость (жидкий азот или жидкий гелий) опускается трубка, внутри которой горит стратифицированный тлеющий разряд (рисунок 1). Давление газа в трубке и ток разряда (либо длительность горения разряда) выбираются такими, чтобы ионная температура Ti в трубке была практически равна температуре окружающей её жидкости. В то же время электронная температура Те в плазме разряда может достигать нескольких десятков тысяч градусов. При прерывании разрядного тока Те уменьшается из-за столкновений электронов с атомами, как правило, быстрее, чем успевают исчезнуть из объёма заряды вследствие рекомбинации или диффузии; в эти несколько миллисекунд и существует криогенная плазма с Те, близкой к Ti (рисунок 2).

Помещая рекомбинирующую (распадающуюся) плазму во внешнее электрическое поле, можно поддерживать Те в ней на заданном уровне и таким образом продлить время существования криогенной плазмы. Предельный случай соответствует стационарному тлеющему разряду, охлаждённому криогенной жидкостью. Криогенная плазма может быть создана и другими способами, например, с помощью импульсного безэлектродного разряда, пучка быстрых электронов.

В кинетике криогенной плазмы гелия значительную роль играют метастабильные атомы Не, концентрация которых при уменьшении температуры резко возрастает из-за снижения скорости диффузии и скорости их перехода в основное состояние. Парные столкновения метастабильных атомов представляют собой интенсивный источник электронов, что приводит к изменению функции распределения электронов в плазме разряда и снижению напряжённости поля при малых токах и давлениях.

В распадающейся криогенной плазме гелия при температуре жидкого азота и ниже (≤ 100 К) основным ионом становится Не⁺₃. Электрон-ионная рекомбинация в этом случае происходит с образованием возбуждённых молекул Не^*₂, что подтверждается их свечением, наблюдаемым при распаде плазмы.

Кроме молекулярных ионов, в криогенной плазме образуются кластерные ионы, в которых число атомов может достигать нескольких сотен. В тяжёлых инертных газах появляются также и электронные кластеры.

При криогенных температурах 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 электрического поля. Образование полости резко снижает подвижность электрона.

В конце 20 – начале 21 века особый интерес представляют исследования пылевой плазмы – плазмы с введённой в неё конденсированной компонентой – при криогенных температурах. Помещённые в криогенную плазму твёрдые частицы размером 4-6 мкм приобретают отрицательный заряд, и параметр взаимодействия для конденсированной дисперсной фазы возрастает, превосходя этот параметр даже для систем с сильным кулоновским взаимодействием на порядки величины. Системы с высоким параметром взаимодействия являются интереснейшим объектом для исследования фазовых равновесий при криогенных температурах.

Лит.: Самоваров В. Н. Особенности деионизации криогенной гелиевой плазмы // Химия плазмы. М., 1981. Вып. 8; Асиновский Э. И., Кириллин А. В., Раковец А. А. Криогенные разряды. М., 1988; Asinovskii Е. I., Kirillin А. V., Markovets V. V. Plazma coagulation of microparticles on cooling of glow discharge by liquid helium // Physics Letters. А. 2006. Vol. 350. №1/2.