Пробойное напряжение:а- 68 кВ; б- 60 кВ; в- 45 кВ

С1=75 нФ; С0=3,6 нФ; U0=40 кВ; Rk=0,3 Ом; L1=11 нГн; L0=5 нГн; LS=1 нГн;

Рис.12

2. Процессы прилипания электронов в разряде

Процессы прилипания электрона к атомным системам - молекулам, кластерам, поверхностям - носят резонансный характер и протекают через образование автораспадных состояний полной системы. В связи с резонансной природой такие процессы характеризуются большими сечениями или константами скоростей и поэтому представляют интерес для различных плазменных систем. Они используются в системах электрической защиты, где небольшие примеси электроотрицательных молекул предотвращают электрический пробой. Процесс прилипания электрона используется в эксимерных лазерах для быстрой генерации атомов фтора и хлора из различных галогенсодержащих молекул.

Общая концепция процесса прилипания электрона связывает его с образованием автораспадного состояния отрицательного иона в результате захвата электрона молекулой. Последующая эволюция этого автораспадного состояния может привести к разным процессам, включающим как диссоциацию данной системы с образованием отрицательного иона, так и распад этого состояния, сопровождающийся освобождением электрона и возбуждением атомной системы. Тем самым прилипание электрона связано с другими резонансными процессами упругого и неупругого рассеяния электрона молекулой, причем эти процессы протекают через образование автораспадного состояния - связанного состояния электрона и молекулы, уровень которого расположен в непрерывном спектре.

Процессы прилипания электронов к атомным системам были рассмотрены в книгах [19-21] и обзорах [22-29]. В последних обзорах дан анализ экспериментальных методов исследования прилипания электронов к газовым молекулам [27, 28], а также к кластерам и пленкам [27]. Кроме того, представлены результаты этих измерений [27]. В последнем по времени обзоре [29] выполнен анализ процессов прилипания электрона к различным атомным системам на основе экспериментальных данных и рассмотрены свойства автораспадных состояний соответствующих атомных систем, которые следуют из экспериментальных исследований соответствующих процессов. Основу обзора [29] составляют теоретические концепции процесса, в рамках которых анализируются результаты экспериментов. Мы остановимся кратко на некоторых данных [29] по прилипанию электронов к галогеносодержащим молекулам.

2.1. Автораспадные состояния двухатомных молекул.

Процесс прилипания электрона к молекуле протекает через захват электрона на автораспадный терм отрицательного иона. В этом случае электронные термы молекулы и отрицательного иона пересекаются вблизи

равновесной конфигурации ядер в молекуле. Возможные варианты такого пересечения представлены на рис.13, где R - координата ядер, ответственная за процесс.

Атомы галогенов имеют наибольшее сродство к электрону среди атомов, так что процессы прилипания электронов к молекулам, содержащим атомы галогенов, наиболее эффективны. Наряду с этим такие процессы характеризуются низкими порогами и поэтому представляют интерес для приложений. Начнем анализ с процесса

e + HCl → (HCl-)** → H + Cl- (18)

lкоторый был исследован экспериментально. Статистическая обработка полученных данных дала [29] для порога процесса (18) 0,65 ± 0,04 эВ, и максимум сечения соответствующий энергии электрона 0,78 ± 0,08 эВ. Энергия сродства атома хлора к электрону составляет 3,62 эВ и энергия диссоциации молекулы НС1 равна 4,31 эВ, что соответствует порогу данного процесса для невозбужденной молекулы 0,69 эВ согласно приведенным выше данным. Энергия возбуждения 0,69 эВ отвечает расстоянию между ядрами 1,6 А для молекулы НС1. Эта величина может быть использована в качестве оценки для расстояния Rc пересечения термов, ответственных за процесс (18).

По рис.13,а можно проследить поведение электронных термов для процесса (18), причем при больших расстояниях между ядрами автораспадные термы соответствуют системам Н + С1- и Н- + С1. В первом случае терм характеризуется симметрией 2Σ+, во втором случае имеется два терма симметрии 2Σ- и 2П. Очевидно, только электронные термы 2Σ существенны для этого процесса, поскольку основное состояние молекулы Σ, и только эти автораспадные состояния образуются при захвате s-электрона. В результате взаимодействия автораспадных термов 2Σ в верхнем из них имеет место сильное отталкивание, тогда как в нижнем происходит слабое отталкивание или притяжение при расстояниях, отвечающих захвату электрона. Далее, колебательная энергия молекулы НС1 равна 0,37 эВ, поэтому только два возбужденных колебательных состояния могут эффективно участвовать в процессе прилипания электрона (18) и разные сечения захвата отвечают молекулам в разных колебательных состояниях. Это делает сложной зависимость сечения прилипания электрона от его энергии. Температурная зависимость сечения прилипания электрона к молекулам НС1 и DC1 при высоких температурах [29] подтверждает этот вывод.

Дополнительная информация о поведении электронных термов автораспадных состояний (НС1-)** следует из анализа колебательного возбуждения молекулы НС1 электронным ударом [29]. Сечение этого процесса имеет острый максимум вблизи порога процесса (18), который по порядку величины равен 10-15 см2, и второй широкий максимум наблюдается при энергии электрона около 2,5 эВ.

Положения нижних электронных термов молекул и ионов

а ) б)

Положение термов молекулы HCl и иона HCl- – а.

Положение термов молекулы Cl2 и иона Cl-2 – б.

Рис.13

Такой характер колебательного возбуждения молекулы подтверждает существование двух автораспадных термов (НС1-)** [29], которые имеют симметрию 2Σ. Константа скорости для детально противоположного процесса по отношению к (18)

Н- + С1 → е + НС1 (19)

равна 9,6∙10-10 см3/с при комнатной температуре [29]. По порядку величины это совпадает с константой скорости поляризационного захвата отрицательного иона водорода атомом хлора, которая равна 2∙10-9 см3 с-1. Согласно [29] этот процесс ведет главным образом к заселению колебательного состояния v = 2 образуемой молекулы НС1. Из сравнения интенсивностей излучательных переходов между колебательно возбужденными молекулами видно, что отношение парциальных констант скоростей процессов с образованием молекулы НС1 в колебательных состояниях v = 2 и v = 1 составляет 5:3. Таким образом, из разных данных следует, что пересечение электронных термов для основного электронного состояния молекулы НС1 и нижнего автораспадного состояния (НС1-)** происходит вблизи точки поворота для второго колебательного состояния молекулы НС1, что влияет на характер процесса (18).

Процесс прилипания электронов к двухатомным молекулам галогенов типа X2

е + Х2 → (Х-2)** → Х- + Х (20)

энергетически выгоден при нулевой температуре. Но возможность этого процесса зависит от положения автораспадных термов. На рис.13,б приведены нижние электронные термы автораспадных состояний для Сl-2 вместе с электронным термом основного состояния С12. Основное состояние отрицательного молекулярного иона Сl-2 при больших расстояниях между ядрами отвечает состоянию С1(2Р) + C1-(1S), так что имеется четыре нижних электронных терма отрицательного молекулярного иона Сl-2 с симметрией 2Σ+u, 2Пg, 2Пu, 2Σ+g, перечисленные в порядке возрастания их энергии. Электронный терм 2Σ+u отвечает стабильному состоянию отрицательного молекулярного иона. Можно связать положения этих термов с положениями резонансов в сечении прилипания электрона к молекуле галогена, как это сделано в табл. 1.