Рекомбинационные процессы в плазме

Рекомбинация в плазме представляет собой процесс, при котором свободные заряженные частицы — электроны и ионы — соединяются, образуя нейтральные атомы или молекулы. Эти процессы играют ключевую роль в энергетическом балансе плазмы, определяют её оптические свойства и влияют на кинетику химических реакций в высокоэнергетических и низкотемпературных плазмах.

Рекомбинация подразделяется на несколько типов, каждый из которых имеет специфические механизмы и кинетику:

Радиационная рекомбинация

Механизм: В радиационной рекомбинации электрон захватывается ионом с последующим испусканием фотона. Энергия избыточного электрона переходит в энергию излучения, что делает процесс ключевым в формировании спектров плазмы.

Основные формулы:

X+ + e− → X + hν

где X+ — ион, e− — электрон, hν — испущенный фотон.

Особенности:

  • Часто преобладает в разреженной плазме с низкой температурой.
  • Скорость рекомбинации зависит от температуры и концентрации электронов:

α(Te) ∼ Te−0.7  (для большинства одноатомных ионов)

Трифоновая (трёхчастичная) рекомбинация

Механизм: Электрон захватывается ионом с участием третьей частицы (обычно нейтрального атома или второго электрона), которая уносит избыточную энергию.

X+ + e− + e− → X + e−

Особенности:

  • Преобладает при высокой плотности плазмы (ne > 1018 см−3) и относительно низкой температуре.
  • Кинетика выражается через коэффициент трёхчастичной рекомбинации α3, который возрастает с ростом плотности и уменьшается с повышением температуры:

$$ \alpha_3 \sim \frac{1}{T_e^{9/2}} $$

Диэлектронная рекомбинация

Механизм: Особый процесс для многоэлектронных ионов, при котором свободный электрон захватывается с возбуждением одного из внутренних электронов иона. После чего система стабилизируется через испускание фотона:

X+ + e− → (X*)** → X + hν

Особенности:

  • Часто наблюдается для тяжелых ионов (Fe, Ni, W) в горячих плазмах.
  • Имеет резонансный характер: коэффициент рекомбинации резко возрастает при определённой энергии захватываемого электрона.

Влияние рекомбинации на параметры плазмы

  1. Энергетический баланс: Рекомбинация приводит к уменьшению энергии плазмы, так как избыточная энергия уносится фотонами или третьими частицами. В интенсивных лазерных плазмах это критически влияет на динамику охлаждения.

  2. Эмиссионные свойства: Каждый тип рекомбинации порождает характерные спектральные линии, что позволяет диагностировать плазму спектроскопическими методами.

  3. Электронная плотность: Рекомбинация уменьшает концентрацию свободных электронов, что снижает проводимость плазмы и её взаимодействие с электромагнитным полем.

Моделирование рекомбинационных процессов

Для количественного описания рекомбинации используются кинетические уравнения, связывающие скорости рекомбинации с концентрациями частиц и температурой:

$$ \frac{dn_e}{dt} = - \alpha(T_e) n_e n_i - \alpha_3(T_e) n_e^2 n_i $$

где ne и ni — концентрации электронов и ионов соответственно, α(Te) — радиационный коэффициент рекомбинации, α3(Te) — трёхчастичный коэффициент.

Решение этих уравнений позволяет прогнозировать динамику изменения состава плазмы, её охлаждение и формирование спектрального излучения.

Рекомбинация в фемтосекундных и высокоинтенсивных лазерных полях

Современные эксперименты с ультракороткими лазерными импульсами показали, что рекомбинация в таких условиях проявляется в экстремальных формах:

  • Нелокальная рекомбинация: происходит быстрее, чем характерное время движения электронов в поле.
  • Когерентная радиационная рекомбинация: излучение становится направленным и фазово когерентным, что открывает возможности для генерации экстремального коротковолнового излучения (XUV и мягкое рентгеновское).
  • Динамическая рекомбинация: энергия захваченного электрона сильно зависит от мгновенной амплитуды лазерного поля, что ведет к резким всплескам эмиссионного излучения.
Оглавление