Электронные транспортные свойства в ксеноне с примесью

УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
В.М. АТРАЖЕВ1, В.В. ДМИТРЕНКО, И.В. ЧЕРНЫШЕВА,
Г.В. КАПРАЛОВА
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
1 Институт теплофизики экстремальных состояний РАН, Москва
ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА
В КСЕНОНЕ С ПРИМЕСЬЮ МОЛЕКУЛЯРНОГО АЗОТА
Представлены результаты численного решения уравнения Больцмана в
двучленном приближении с учетом упругих и неупругих столкновений электронов
в смесях Xe+N2 и в чистом азоте. С использованием полученных функций
распределения электронов по энергиям, проведены расчеты транспортных
коэффициентов электронов – скорости дрейфа, подвижности, средней и
характеристической энергий, коэффициента диффузии.
Сравнивая скорости дрейфа электронов в атомарном и молекулярном
газах, можно увидеть, что в отличие от ксенона скорость дрейфа в
молекулярном азоте линейна вплоть до больших значений электрических
полей. Это является следствием различных скоростей нагрева электронов
в атомарных и молекулярных газах. Добавление малого количества
молекулярной примеси в атомарный газ кардинально изменяет условия
нагрева электронов – рост средней энергии сдвигается в область больших
значений E/N. При этом молекулярная примесь слабо сказывается на
сечении передачи импульса вследствие малости относительной
концентрации молекул. Частота передачи импульса определяется
сечением упругих столкновений с атомами. В атомарном газе рост W(E/N)
ослабевает при нагреве электронов. Можно предположить, что при
ослаблении нагрева электронов (например, добавлением молекулярной
примеси), в смеси будут достигнуты более высокие значения скорости
дрейфа. В данной работе приведены результаты расчетов скорости дрейфа
и характеристической энергии в широком диапазоне изменений
концентрации молекулярной примеси в газообразном ксеноне. Эти
расчеты позволяют предсказать электронные транспортные свойства в
условиях, где нет экспериментальных данных.
Расчеты проводились по известным выражениям для скорости дрейфа
и коэффициентов диффузии [1]. Функция распределения электронов
находилась из решения кинетического уравнения Больцмана с учетом
упругих соударений электронов с атомами ксенона и упругих и неупругих
соударений с молекулами азота. Последние включали в себя столкновения
с возбуждением вращательных и колебательных уровней молекул азота.
845-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 7
ISBN
УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
Сечения этих процессов были взяты из работ [2] и [3]. Решение уравнения
Больцмана проводилось методом [4] с учетом ударов второго рода. Это
позволило провести расчеты в широком диапазоне изменений параметра
E/N, от условий термализации электронов до условий их сильного нагрева
до энергий ~1 эВ.
Результаты расчетов представлены на рис.1 и 2, совместно с
экспериментальными данными по скорости дрейфа [5] и поперечной
характеристической энергии [6]. Результаты расчета находятся в
удовлетворительном согласии с экспериментальными данными. Как и
следовало ожидать, увеличение концентрации молекул N2 приводит к
уменьшению характеристической энергии электронов, то есть к
ослаблению их нагрева при тех же значениях параметра E/N.
W, см/сек
5
10
Расчет:
Xe+0.5% N2
Xe+1% N2
Xe+2% N2
Xe+5% N2
чистый Хе
чистый N2
Эксперимент:
Lowke et al 1963:
1% N2
Расчет:
Xe+0.5% N2
Xe+1% N2
Xe+2% N2
Xe+5% N2
чистый Хе
чистый N2
Эксперимент:
Crompton et al 1965:
чистый N2
1
10
0
10
DT/, эВ
6
10
Xe
-1
10
4
10
N2
-2
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
10
E/N, Тд
Рис.1 Расчетные скорости дрейфа в чистых
ксеноне и азоте и смесях Хе+N2 в сравнении
с экспериментальными данными для чистого
азота:  - Lowke [5]
-3
10
-2
-1
10
10
0
10
E/N, Тд
Рис.2 Расчетные значения поперечной
характеристической энергии в чистых
ксеноне и азоте и смесях Хе+N2 в сравнении
с экспериментальными данными для чистого
азота:  - Crompton [6]
Список литературы
1. Хаксли Л., Кромптон Р. // Диффузия и дрейф электронов в газах. Изд. «МИР», Москва,
1977.
2. Frost L.S., Phelps A.V. // Phys. Rev. 1962. V.127. P.1621.
3. Pitchford L.C., Phelps A.V. // Phys. Rev. 1982., V.25., №1, P.540.
4. Дятко Н.А., Кочетов И.В., Напартович А.П., Таран М.Д. // Препринт ИАЭ-3842/12,
Москва, 1983.
5. Lowke J.J. // Austral. Journ. Phys., 16, 115 (1963).
6. Crompton R.W., Elford M.T. // Australian National University, Quart. Rept. 19, 1965.
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 7
85