Плазма – частично или полностью ионизированный газ, в котором плотность положительных и отрицательных заряженных частиц (ионов и электронов) одинакова.

Конечно, плазму получают путем «насилия» над газом, накладывая на него сильные электрические поля, нагревая его или облучая потоками быстрых частиц. При этом в среду вводится энергия, достаточная для ионизации вещества. Плазма, будто живое существо, пытается избавиться от этих «насильственных» действий, выискивая любые пути перехода в более устойчивое термодинамически равновесное состояние.

Это сопровождается возникновением в ней некоторых «несанкционированных» движений – неустойчивостей, через которые плазма пытается перейти в равновесное состояние.

Независимо от способа создания плазмы, для неё вообще характерны многочисленные неустойчивости, то есть самовольные (спонтанные) отклонения от некоторого равновесного состояния.

С энергетической точки зрения для возникновения в системе неустойчивостей нужен некоторый избыток свободной энергии (по сравнению с состоянием термодинамического равновесия в невозмущённом состоянии плазмы). Другими словами, когда плазма тем или иным способом содержится в замкнутом объёме, то даже при отсутствии сил, которые могли бы повлиять на её движение, в ней всё равно возможны отклонения (флуктуации) вокруг средних значений параметров системы.

«Спокойная» плазма

Между тем, иногда желательно иметь «спокойную» плазму, в которой не должно быть ни колебаний, ни неустойчивостей. Казалось бы, такую плазму легче всего можно получить при термической ионизации простым нагревом рабочего газа.

Однако концентрация электронов, которые при этом образуются при приемлемых температурах, оказывается слишком малой.

Так, например, для цезия – вещества с наименьшей энергией ионизации (eU = 3,89 еВ) – при температуре T = 1500 К° и давлении p = 1 мм рт. ст. получаем плазму с концентрацией электронов n ≈ 10⁸ см^–3.

Количество нейтральных атомов здесь намного превышает (около 8 порядков) количество заряженных частиц – электронов и ионов. Итак, кулоновское взаимодействие заряженных частиц, которое как раз и придаёт плазме её характерные свойства, будет гораздо меньше взаимодействия заряженных частиц с нейтральными атомами газа. Поэтому получаемая в приведенном выше примере концентрация 10⁸ см^–3 слишком мала, чтобы газ приобрёл свойства плазмы.

Получение «спокойной» плазмы путём облучения рабочего вещества фотонами с энергией hν > eU_i также малоэффективно. Для большинства веществ длины волн, кванты которых имеют энергию, превышающую энергию ионизации, лежат в далёкой ультрафиолетовой части спектра и работать с ними неудобно.

Исключением является тот же цезий, для которого длина волны фотоионизации λ_i = 320 нм (eU_i = hc/λ = 3,89 eB). Волны этой длины уже лежат на границе видимого света. Но вероятность поглощения такого фотона атомом цезия невелика и поэтому при реальных плотностях теплового потока концентрация образованных электронов также оказывается малой.

Следовательно, ни термическая, ни фотоионизация непригодны для получения «спокойной» плазмы.

Однако, по крайней мере, по отношению к парам атомов цезия, существует ещё один метод, позволяющий обойти указанные трудности. Речь идёт о двухступенчатом процессе.

Первым этапом является фотовозбуждение паров цезия монохроматическим излучением, частота которого в точности соответствует энергии резонансного перехода в атоме цезия.

Согласно закону Кирхгофа, атом жадно поглощает излучение той же частоты, которую сам способен излучать. Следовательно, для реализации первого этапа ионизации следует облучить пары цезия излучением, созданным цезиевой плазмой. Атомы цезия, которые поглотят это излучение, перейдут в возбуждённое состояние, и тогда наступит второй этап – встречаясь, два возбуждённых атома цезия «слипаются», образуя молекулу Cs^*₂, внутренняя энергия возбуждения которой превышает энергию, необходимую для её ионизации. Поэтому эта молекула самовольно распадается на положительный ион Cs^*₂ и электрон, то есть испытывает ионизацию.

Этот процесс называется ассоциативной ионизацией, когда суммарная энергия двух возбуждённых атомов больше энергии ионизации образующейся молекулы. Это, так сказать, ионизация в «складчину».

В целом этот процесс можно записать так:

Cs + hν → Cs^*; Cs^* + Cs^* → Cs^*₂ → Cs⁺₂ + e.

Последний этап не требует затрат. Таким образом, полученная плазма в основном состоит из молекулярных ионов цезия.

Фоторезонансная плазма

Поскольку энергия ионизации молекулы цезия (3,89 еВ) более чем вдвое превышает энергию резонансного фотона (1,39 или 1,45 еВ), то этот результат указывает на сложный двухступенчатый характер кинетики ионизации цезия в рассматриваемых условиях.

Полученную таким путём плазму называют фоторезонансной (ФРП). Она образуется в результате поглощения монохроматического излучения, частота которого соответствует энергии резонансного перехода в атоме газа.

Итак, наиболее удобный способ получения ФРП состоит в облучении газообразного вещества газоразрядной лампой, заполненной тем же веществом. При этом параметры фоторезонансной плазмы определяются интенсивностью излучения, испускаемого лампой.

Детальные исследования фоторезонансной плазмы начались с выполненной в 1967–68 гг. работы киевских учёных, сотрудников Киевского государственного университета Наума Давидовича Моргулиса, Юрия Петровича Корчевого и Анатолия Михайловича Пржонского. Позже к этим исследованиям подключились ленинградские учёные Андрей Николаевич Ключарев и Никита Сергеевич Рязанов.

Ниже описана экспериментальная установка, используемая киевской группой исследователей. Это был комбинированный стеклянный прибор, схематически изображённый на рис. 1.

Прибор состоял из двух отдельных автономных элементов – разрядной лампы РЛ и детекторной капсулы ДК. Каждый из этих элементов имел отросток для таблеток цезия, и поэтому давление в каждом из них могло быть установлено независимо друг от друга.

Разрядная лампа содержала накаливаемый катод К, кольцевой анод А и электрический зонд С, с помощью которого определялись параметры получаемой в ней плазмы. Лампа завершалась свободной полостью, в которую вводилась детекторная капсула ДК – трубка диаметром 9 мм.

В неё был введён двойной зонд ПО, которым измерялись параметры плазмы, возникающей в детекторе. В разрядной лампе зажигался низковольтный дуговой разряд в парах цезия.

Фотоны, излучаемые разрядной плазмой, свободно проходили сквозь стеклянные стенки лампы и детекторной капсулы и активно поглощались парами цезия, заполняющими детекторную капсулу. Зондовые измерения показали, что в капсуле создавалась плазма довольно значительной концентрации n_e ≈ 4×10¹¹ см^–3.

Анализируя результаты экспериментов, исследователи пришли к выводу, что полученная в детекторе цезиевая плазма действительно является результатом действия резонансной радиации на плазму цезия, то есть полученная ими плазма должна быть «спокойной», свободной от токов и неустойчивостей.

Позже другими исследователями было доказано, что в качестве источника оптического излучения для создания фоторезонансной цезиевой плазмы можно использовать не только цезиевые, но и гелиевые газоразрядные лампы. Такая возможность возникает благодаря совпадению длины волны одного из эффективных переходов в спектре гелия (λ = 388,8 нм) с длиной волны резонансного перехода в атоме цезия.

По своим параметрам фоторезонансная плазма существенно отличается от той, что образуется в газовых разрядах. В газоразрядную плазму энергия вносится под действием внешних полей и сначала передаётся электронам, которые, приобретя энергию, ионизируют атомы газа и образуют плазму. В фоторезонансную же плазму энергия вносится непосредственно путём возбуждения атомов. Так что здесь плазма образуется без применения внешних электрических полей, без внешних «силовых» методов.

Неожиданной особенностью фоторезонансной плазмы, обнаруженной с помощью зондовых измерений, было то, что температура электронов в ней составляет несколько тысяч градусов (3500–6000°К), что существенно меньше температуры электронов в газовой среде (где она достигает нескольких десятков тысяч градусов), но гораздо выше температуру нейтрального газа.

Этот факт требовал объяснения. Оказалось, что образующиеся при распаде молекулы Cs^*₂ электроны, блуждая по газу и сталкиваясь с возбуждёнными атомами Cs^*, «снимают» с них энергию возбуждения и при этом нагреваются.

Благодаря тому, что температура электронов в фоторезонансний плазме достаточно большая, в ней легко нарушаются условия идеальности плазмы, согласно которым средняя кинетическая энергия кулоновского взаимодействия заряженных частиц (3/2 kT) должна быть намного выше средней энергии их взаимодействия с окружающими частицами, то есть 3/2 kT>>e²/r_D, где e – заряд электрона, T – температура, r_D – дебаевский радиус экранирования.

Это делает ФРП удобным объектом исследования электрических и термодинамических свойств неидеальной плазмы.

Возможности исследования ФРП, а также круг её применений существенно расширились в результате создания лазеров, частоту излучения которых можно менять. Тем самым можно значительно увеличить поток резонансного излучения, пропускаемого сквозь газ, а также подробнее исследовать процессы, возникающие при оптическом возбуждении различных состояний атомов.

Конечно, для создания ФРП используются пары металлов первой и второй группы (Li, Na, Rb, Cs, Ba, Mg, Sr), поскольку излучение, соответствующее резонансным переходам этих металлов, легко получить с помощью жидкостных лазеров, частоты которых можно перестраивать.

Интенсивность лазерного излучения, которое фокусируется в пятно размером ~ 0,1 см, составляет 10³–10⁷ Вт/см², что существенно превышает параметры насыщения для резонансного перехода. При воздействии излучения указанной интенсивности на пары металла уже в течение 10^–8–10^–7 с образуется ФРП со степенью ионизации, близкой к единице.

Исследования ФРП имеют не только научное, но и важное прикладное значение. В первую очередь это связано с использованием так называемого оптогальванического эффекта – изменения электрических параметров плазмы, подверженной действию резонансного излучения.

Этот эффект позволяет легко с высокой чувствительностью регистрировать малые примеси элементов и изотопов в газе, использовать для стабилизации частоты лазеров на растворах органических красителей, для изучения кинетики неравновесной плазмы, для исследования элементарных процессов в плазме и газе, для детектирования излучения определённой длины волны и тому подобное.

ФРП применяется при изучении элементарных процессов в низкотемпературной плазме. Эти исследования дают богатую информацию о параметрах и механизмах процессов ионизации с участием возбуждённых атомов.

Первые исследования по физике фоторезонансной плазмы были выполнены в 1967–68 годах. Приоритет в части экспериментального обнаружения явления установлен 17 января 1967 г., а в части экспериментального обоснования сути явления – 2 июня 1971 года. Наконец, 4 августа 1998 г. Международная ассоциация научных открытий признала «Явление образования фоторезонансной плазмы» научным открытием и выдала соответствующий диплом.

К сожалению, двое из авторов – Н.Д. Моргулис и А.М. Пржонский – не дожили до признания их авторами открытия.

Член-корреспондент НАН Украины, профессор, основатель отечественной школы физической электроники Наум Давидович Моргулис умер 1 сентября 1976 г.

Старший научный сотрудник Анатолий Михайлович Пржонский умер в 1991 году (18.04.1943 – 23.02.1991). Его научные интересы были связаны с масс-спектрометрическими исследованиями физико-химических процессов в низкотемпературной плазме.

Третий соавтор открытия – академик НАН Украины Юрий Петрович Корчевой умер в 2012 году.

С.М. Левитский, заслуженный профессор,
Д.Ю. Сигаловский, Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, радиофизический факультет