КРИОГЕ́ННАЯ ПЛА́ЗМА

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

Рис. 1. Криогенный стратифицированный разряд в жидком азоте (температура 77 К) (а) и жидком гелии (4,2 К) (б). При температурах порядка температуры жидкого гелия вид разряда меняется: страты исчезают....

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

По­ме­щая ре­ком­би­ни­рую­щую (рас­па­даю­щую­ся) плаз­му во внеш­нее элек­трич. по­ле, мож­но под­дер­жи­вать Т_е в ней на за­дан­ном уров­не и т. о. про­длить вре­мя су­ще­ст­во­ва­ния К. п. Пре­дель­ный слу­чай со­от­вет­ст­ву­ет ста­цио­нар­но­му тлею­ще­му раз­ря­ду, ох­ла­ж­дён­но­му крио­ген­ной жид­ко­стью. К. п. мо­жет быть соз­да­на и др. спо­со­ба­ми, напр. с по­мо­щью им­пульс­но­го без­элек­трод­но­го раз­ря­да, пуч­ка бы­ст­рых элек­тро­нов.

Рис. 2. Зависимость концентрации ne и электронной температуры Тe от времени в послесвечении гелиевой криогенной плазмы при Т=4,2 К и концентрации атомов nа=1,26·1018 см–3.

В ки­не­ти­ке К. п. ге­лия зна­чит. роль иг­ра­ют ме­та­ста­биль­ные ато­мы Не, кон­цен­тра­ция ко­то­рых при умень­ше­нии темп-ры рез­ко воз­рас­та­ет из-за сни­же­ния ско­ро­сти диф­фу­зии и ско­ро­сти их пе­рехо­да в осн. 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 К. п. ге­лия при темп-ре жид­ко­го азо­та и ни­же ($⩽ 100$ К) осн. ио­ном ста­но­вит­ся . Элек­трон-ион­ная ре­ком­би­на­ция в этом слу­чае про­ис­хо­дит с об­ра­зо­ва­ни­ем воз­бу­ж­дён­ных мо­ле­кул , что под­твер­жда­ет­ся их све­че­ни­ем, на­блю­дае­мым при рас­па­де плаз­мы.

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

При крио­ген­ных темп-pax 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 элек­трич. по­ля. Об­ра­зо­ва­ние по­лос­ти рез­ко сни­жа­ет под­виж­ность элек­тро­на.

В кон. 20 – нач. 21 вв. осо­бый ин­терес пред­став­ля­ют ис­сле­до­ва­ния пы­ле­вой плаз­мы – плаз­мы с вве­дён­ной в неё кон­ден­си­ро­ван­ной ком­по­нен­той – при крио­ген­ных тем­пе­ра­ту­рах. По­ме­щён­ные в К. п. 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.