稀有气体放电中电子碰撞速率系数的实验确定

Rare gas discharges are widely used in the fundamental research and industrial applications of low temperature plasmas. In the discharges containing rare gases, the electron-impact process is one of the most important kinetic processes. Therefore, the rate coefficients for these electron-impact processes are essential for the investigation on these discharges. However, for some of the important electron-impact processes, their rate coefficients are not available. In this proposal, we plan to determine the rate coefficients for some of the important electron-impact processes in certain rare gas (Ne, Kr, Xe) discharges by a combination of plasma modeling and diagnostics of key discharge parameters. This will be achieved by highlighting relevant electron-impact processes with discharge condition manipulation and accurate measurement of the discharge parameters with diagnostics developed in the laboratory. With the measured data, the rate coefficients can be determined from the rate equation of a certain excited state.

稀有气体放电被广泛应用于低温等离子体的基础研究和工业应用中。在混有稀有气体的放电中，电子碰撞过程是最主要的动力学过程之一。因此，电子碰撞过程的速率系数是基础研究中必不可少的数据。然而，某些稀有气体放电中重要的电子碰撞过程，仍缺乏准确的速率系数数据。本项目将结合等离子体模型及实验诊断确定氖、氪、氙等稀有气体放电中某些重要电子碰撞过程的速率系数。实验上，将采用有自己特色的实验手段来调节放电状态，突出待测电子碰撞过程的重要性，并利用相应的实验诊断技术对该条件下的相关参数进行测量， 再结合模型从而获得相关的电子碰撞速率系数。获得的电子碰撞速率系数将对光谱诊断和等离子体基础研究产生一定影响。

本项目主要采用课题组提出的放电状态调节方法，使等离子体处于待测电子碰撞过程起主导作用的放电状态，并应用等离子体实验诊断技术，例如半导体激光器吸收光谱、朗缪尔探针诊断等，对该条件下的等离子体参数进行测量，再综合流体理论和动理学理论的分析方法建立包含该过程速率系数的平衡方程组，从而获得稀有气体放电中电子碰撞速率系数。项目主要测量并验证了稀有气体(He,Ar,Kr)在等离子体放电中的电子碰撞过程的速率系数。稀有气体放电中，电子是参与大部分物理过程的粒子，准确的稀有气体电子碰撞相关过程的速率系数，对于低温等离子体基础理论模型的研究至关重要。此外，等离子体的参数调控是等离子体工业应用中的重要难点，想要发展出可靠的等离子体参数调控方法，就必须对等离子体的基础物理理论有透彻的了解。目前，工业应用的等离子体源无法使用侵入式诊断方法，发射光谱诊断作为一种最有潜力的非侵入式诊断方法，其准确性很大程度地依赖于电子碰撞速率系数的准确性。综上，稀有气体中电子碰撞过程的速率系数的准确测量无论对于基础等离子体物理研究的发展还是对于等离子体的工业应用都有重要的意义。