Electron Temperature Relaxation in Afterglow Plasmas: Diffusion Cooling

Abstract

We have carried out a: thorough theoretical analysis of the cooling and heating processes of the electron gas in Ne, Ar and Kr afterglow plasmas. Thus the rate of relaxation of the electron temperature, T,, is seen to be in good agreement with the experimental measurements when spatial gradients of T, in the early afterglow and heating of the electron gas by superelastic collisions between the electrons and metastable atoms are accounted for. At low pressures of the rare gases, pgr the phenomenon of diffusion cooling occurs in which T, relaxes to an equilibrium temperature, T,,, which is less than the gas temperature, T,. This reduction in T,, below is mirrored in a reduction in the ambipolar diffusion coefficient, D,, for the rare gas atomic ions and electrons. Thus the D, can be calculated as a function of p g using the values of T,,, and when this is done, properly accounting for the heating by metastable atoms, the calculated and experimental values of D, in all three rare gas afterglows are seen to be in agreement.

PIC Model of the Ion Collection by a Langmuir Probe

“…a smaller sheath thickness. Furtheremore, we have reported the analytical potential derived by the continuum theory of Chen [13] φ(r) = r P r δ(r) δ(r P ) φ P (9) and adopted it in previous not self-consistent Monte Carlo simulations [14]- [15]. In these simulations such types of potential was responsible for yielding an ion current quite different from experimental values.…”

Temporal dusty plasma afterglow: A review

“…These two regimes (dust ball explosion and dust ball expansion) were further investigated by Piel and Goree [76] without simulating the time evolution of the background plasma afterglow. However, Saxena et al [75]'s model of plasma decay only took into account electron-neutral collision for electron cooling and ignored diffusion cooling, which is significant at low pressure [36][37][38][39][40][41].…”

“…In an afterglow plasma, the energy deposited in the discharge to ionize the gas and excite metastable species relaxes slowly. In particular, the cooling of electrons is due to collisional and diffusion processes [36][37][38][39][40][41]. The time evolution of the electron density and the electron temperature is very sensitive to the discharge chamber geometry and the discharge conditions [41].…”

Спектроскопия барьерного разряда низкого давления. Послесвечение с ионами Ne-=SUP=-2+-=/SUP=-, Ne-=SUP=-+-=/SUP=- и Ne-=SUP=-2+-=/SUP=-

“…Константы скоростей процессов (7), (8) представлены в таблице. Алгоритм учета влияния реакций (7), (8) на температуру электронов в послесвечении неоднократно обсуждался в литературе (например, [21][22][23][24]). В нашем случае применим подход, отвечающий нелокальной кинетике электронов, так как длина их энергетической релаксации λ e в условиях эксперимента намного превосходит радиус разрядной трубки: λ e ≫ R. В такой плазме быстрые электроны либо уходят из объема в режиме свободной диффузии и передают за счет e−eстолкновений основной группе электронов малую долю энергии ε e , либо, если их достаточно много для формирования высокого скачка пристеночного потенциала и они оказываются частично " запертыми" в плазме, доля δ передаваемой энергии определяется отношением частоты e−e-столкновений к суммарной частоте передачи энергии при столкновениях с частицами плазмы.…”

“…В послесвечении разрядов при низких давлениях наблюдается явление диффузионного " охлаждения" электронов [23][24][25][26][27][28][29]. Суть явления в том, что в процессе амбиполярной диффузии на стенки контейнера плазменного образования уходят наиболее быстрые электроны, способные преодолеть амбиполярное электрическое поле и пристеночный потенциальный барьер, тормозящие их движение, унося тем самым энергию, превышающую среднюю энергию электронов.…”