Symulacje komputerowe procesów rekombinacji elektronów i jonów w układach o wysokiej ruchliwości ładunku

Wójcik, M.

Powiadomienia systemowe

Sesja wygasła!

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Symulacje komputerowe procesów rekombinacji elektronów i jonów w układach o wysokiej ruchliwości ładunku

Autorzy

Wójcik M.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Computer simulations of electron-ion recombination processes in high-mobility systems

Języki publikacji

Abstrakty

Praca przedstawia badania teoretyczne procesów rekombinacji elektronów i jonów w układach, w których ruchliwość ładunku jest wyższa niż ∼ 100 cm2/Vs. Dla układów takich załamuje się klasyczna, dyfuzyjna teoria reakcji cząstek naładowanych, oparta na rozwiązaniach równania Smoluchowskiego. Głównym narzędziem przedstawianych badań jest szeroki zakres metod symulacji komputerowych. Pierwszym z rozwiązywanych zagadnień jest określenie wpływu zewnętrznego pola elektrycznego na stałą szybkości rekombinacji objętościowej elektronów i kationów w układach o wysokiej ruchliwości ładunku. Stwierdzono, że stała ta maleje wraz ze wzrostem natężenia pola, odwrotnie niż w przypadku układów opisywalnych klasyczną teorią dyfuzji. Kolejnym podjętym zadaniem jest wyznaczenie stałych szybkości rekombinacji objętościowej elektronów i kationów w gazach szlachetnych w różnych stanach skupienia. Przebieg opisywanych badań obejmuje: opracowanie realistycznych modeli transportu elektronów, opartych na przekrojach czynnych na rozpraszanie tych cząstek; weryfikacje opracowanych modeli poprzez obliczenia ruchliwości elektronów i porównanie ich wyników z danymi eksperymentalnymi; oraz właściwe obliczenia slałych szybkości rekombinacji przy użyciu zaproponowanej metody symulacyjnej. Dobra zgodność wyznaczonych stałych szybkości z eksperymentem zostaje osiągnięta dopiero po uwzględnieniu efektów związanych z obecnością w gazach szlachetnych tzw. klasterów kationowych, powstałych wskutek oddziaływań polaryzacyjnych nadmiarowego ładunku. Ostatnim z przedstawianych tematów badań są symulacje procesów termalizacji elektronów oraz rekombinacji bliźniaczej elektronów i kationów w ciekłym argonie, w oparciu o opracowany wcześniej model transportu elektronów w tym ośrodku.

This work presents a series of computer simulation studies on eleciron-ion recombination in systems where the charge mobility exceeds ∼ 100 cm2/Vs. As it was found experimentally, the recombinaiion processes in high-mobility systems cannot be described by the standard theory of diffusion-controlled reactions. The theoretical studies on this subject published so far did not succeed in quantitative explanation of the experimental results. The first pan of this work describes the simulation studies aimed at determining the effect of an external electric field on electron-ion recombination in high-mobility systems. It was found that the recombination rate constant decreases with increasing field strength, the effect becomes stronger as the electron mobility increases. Such a behavior is different from what was predicted by the diffusion theory of recombination. The main pan of this work describes the calculations of the electron-ion recombination rate constants in rare gas systems, both in the gaseous phase of high density and in the liquid phase. Realistic models of electron transport in argon and krypton were developed, based on the energy-dependent electron scattering cross sections. The models were verified by the calculations of the electron mobility, which gave a good agreement with experiment. A new simulation method of calculating the recombination rate constant was constructed that makes use of the proposed electron transport models. Unfortunately, the rate constants calculated by that method were much lower than the experimental results, and further studies were undertaken to explain this discrepancy. First, an analysis of the recombination processes in Kr/CH4 and Kr/N2 systems was conducted, in order to exclude a possibility that molecular impurities in the experimental samples could affect the measured rate constants. Then, the role of cation clusters, which are formed in rare gas systems due to the polarization effects, was investigated. When an efficient scattering of electrons on these clusters was taken into account, a good agreement between the simulation and experimental results of the recombinaiion rate constants was finally obtained. The proposed model of electron transport in liquid argon was also applied in the simulations of the electron thermalization and geminate electron-ion recombination in that system. The calculated mean thermalization time is in a good agreement with experiment. The geminate recombination probability in liquid argon was found to be very low.

Słowa kluczowe

proces rekombinacji elektronów proces rekombinacji jonów metoda symulacji komputerowej gazy szlachetne

process of recombination of electrons process of recombination ion computer simulation method noble gases

Wydawca

Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej

Czasopismo

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

Rocznik

2004

Tom

Z. 334

Strony

3--87

Opis fizyczny

Bibliogr. 92 poz.

Twórcy

autor

Wójcik M.

Międzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej, Wydział Chemiczny Politechniki Łódzkiej

Bibliografia

1. S. A. Rice, Diffusion Limited Reactions, w serii: Comprehensive Chemical Kinetics, Wol. 25, Elsevier, Amsterdam (1985), str. 47.
2. M. Smoluchowski, Phys. Z. 17, 557 (1916); 17, 585 (1916).
3. P. Debye, /. Electrochem. Soc. 82, 265 (1942).
4. Y. Nakamura, K. Shinsaka, and Y. Hatano, J. Chem. Phys. 78, 5820 (1983).
5. K. Shinsaka, M. Codama, T. Srithanratana, M. Yamamoto, Y. Hatano, J. Chem. Phys. 88, 7529 (1988).
6. K. Shinsaka, M. Codama, Y. Nakamura, K. Serizawa, Y. Hatano, Radiat. Phys. Chem. 34, 519 (1989).
7. K. Honda, K. Endou, H. Yamada, K. Shinsaka, M. Ukai, N. Kouchi, Y. Hatano, J. Chem. Phys. 97, 2386 (1992).
8. K. Shinsaka, Y. Nakamura, K. Endou, K. Honda, H. Yamada, K. Isoda, M. Ukai, N. Kouchi, Y. Hatano, Nuci. Instrum. Methods A 327, 15 (1993).
9. J. M. Warman, J. Phys. Chem. 87, 4353 (1983).
10. W. L. Morgan, J. Chem. Phys. 84, 2298 (1986).
11. M. Tachiya, J. Chem. Phys. 87, 4108 (1987).
12. M. A. López-Quintela, M. C. Buján-Núňez, J. C. Pérez-Moure, J. Chem. Phys. 88, 7478 (1988).
13. M. G. Sceats, J. Chem. Phys. 90, 2666 (1989).
14. K. Kaneko, J. Takimoto, Y. Usami, K. Kitahara, J. Phys. Soc. Jpn. 59, 56 (1990).
15. A. Mozumder, J. Chem. Phys. 92, 1015 (1990).
16. A. Mozumder, J. Chem. Phys. 101, 10388 (1994).
17. M. Smoluchowski, Z. Phys. Chem. 92, 129 (1917).
18. S. Chandrasekhar, M. Kac, R. Smoluchowski, Marian Smoluchowski, His Life and Scientific Work, PWN, Warszawa (1999).
19. A. Hummel, Adv. Radiat. Chem. 4, 1 (1974).
20. K. Isoda, N. Kouchi, Y. Hatano, M. Tachiya, J. Chem. Phys. 100, 5874 (1994).
21. K. Shinsaka, Y. Hatano, Nuci. Instrum. Methods A 327, 7 (1993).
22. A. O. Allen, R. A. Holroyd, J. Phys. Chem. 78, 796 (1974).
23. J. H. Baxendale, J. P. Keen, E. J. Rasburn, J. Chem. Soc. Faraday Trans. I 70,718(1974).
24. T. Wada, K. Shinsaka, H. Namba, Y. Hatano, Can. J. Chem. 55, 2144 (1977).
25. H. Namba, K. Shinsaka, Y. Hatano, J. Chem. Phys. 70, 5331 (1979).
26. Y. Nakamura, H. Namba, K. Shinsaka, Y. Hatano, Chem. Phys. Lett. 76, 311 (1980).
27. H. Scher, E. W. Montroll, Phys. Rev. В 12, 2455 (1975).
28. A. Blumen, J. Klafter, G. Zumofen, w: Optical Spectroscopy of Glasses, Reidel, Dordrecht (1986), str. 199.
29. R. Metzler, J. Klafter, Phys. Rep. 339, 1 (2000).
30. K. Sęki, M. Wójcik, M. Tachiya, J. Chem. Phys. 119, 2165 (2003).
31. K. Seki, M. Wójcik, M. Tachiya, J. Chem. Phys. 119, 7525 (2003).
32. W. P. Helman, K. Funabashi, J. Chem. Phys. 66, 5790 (1977).
33. Y. A. Berlin, N. I. Chekunaev, V. I. Goldanskii, Radiat. Phys. Chem. 37,407 (1991).
34. W pracy [1], str. 232
35. W pracy [1], str. 235
36. G. V. Buxton, w: Charged Particle and Photon Interactions with Matter, Marcel Dekker, New York (2004), str. 331.
37. M. Wójcik, M. Tachiya, J. Chem. Phys. 109, 3999 (1998).
38. P. L. Bhatnagar, E. P. Gross, M. Krook, Phys. Rev. 94, 511 (1954).
39. M. Tachiya, J. Chem. Phys. 89, 6929 (1988).
40. P. Schofield, Comput. Phys. Commun. 5, 17 (1973).
41. M. Wójcik, M. Tachiya, J. Chem. Phys. 110, 10016 (1999).
42. M. Wójcik, M. Tachiya, J. Chem. Phys. 112, 3845 (2000).
43. M. Wójcik, M. Tachiya, Res. Chem. Interned. 27, 867 (2001).
44. M. Wójcik, M. Tachiya, J. Phys. Chem. A 106, 4468 (2002).
45. M. Wójcik, M. Tachiya, Chem. Phys. Lett. 363, 381 (2002).
46. M. Wójcik, M. Tachiya, Chem. Phys. Lett. 390, 475 (2004).
47. K. Kowari, K. Leung, B. D. Shizgal, J. Chem. Phys. 108, 1587 (1998).
48. S. R. Hunter, J. G. Carter, L. G. Christophorou, Phys. Rev. A 38, 5539 (1988).
49. T. F. O’Malley, J. Phys. В 13, 1491 (1980).
50. G. L. Braglia, V. Dallacasa, Phys. Rev. A 26, 902 (1982).
51. N. Gee, G. R. Freeman, Can. J. Chem. 64, 1810 (1986).
52. H. R. Skullerud, J. Phys. D 1, 1567 (1968).
53. H. D. Rees, J. Phys. Chem. Solids 30, 643 (1969).
54. S. L. Lin, J. N. Bardsley, J. Chem. Phys. 66, 435 (1977).
55. L. G. H. Huxley, R. W. Crompton, The Diffusion and Drift of Electrons in Gases, Wiley, New York (1974).
56. S. S.-S. Huang, G. R. Freeman, Phys. Rev. A 24, 714 (1981).
57. F. M. Jacobsen, N. Gee, G. R. Freeman, J. Chem. Phys. 91, 6943 (1989).
58. S. H. Northrup, S. A. Allison, J. A. McCammon, J. Chem. Phys. 80, 1517 (1984).
59. H. Goldstein, Classical Mechanics, Addison-Wesley, London (1980).
60. W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, В. P. Flannery, Numerical Recipes in Fortran, wyd. 2, Cambridge University Press, Cambridge (1994).
61. T. Goulet, J.-P. Patau, J.-P. Jay-Gerin, J. Phys. Chem. 94, 7312 (1990).
62. В. L. Whitten, L. W. Downes, W. E. Wells, J. Appl. Phys. 52, 1255 (1981).
63. L. P. Pitaevskii, Sov. Phys. JETP 15, 919 (1962).
64. S. A. Landon, J. C. Keck, J. Chem. Phys. 48, 374 (1968).
65. M. Borkovec, B. J. Berne, J. Chem. Phys. 82, 794 (1985).
66. M. Tachiya, W. F. Schmidt, J. Chem. Phys. 90, 2471 (1989).
67. M. H. Cohen, J. Lekner, Phys. Rev. 158, 305 (1967).
68. S. Basak, M. H. Cohen, Phys. Rev. В 20, 3404 (1979).
69. V. M. Atrazhev, I. T. Iakubov, J. Phys. C 14, 5139 (1981).
70. V. M. Atrazhev, E. G. Dmitriev, J. Phys. C 18, 1205 (1985).
71. A. F. Borghesani, D. Iannuzzi, G. Carugno, J. Phys. Condens. Matter 9, 5057 (1997).
72. S. S.-S. Huang, G. R. Freeman, Phys. Rev. A 24, 714 (1981).
73. K. Takeda, R. Kato, M. Hayashida, T. Odaka, K. Shinsaka, K. Kameta, T. Odagiri, N. Kouchi, Y. Hatano, J. Chem. Phys. 114, 3554 (2001).
74. I. Krajcar-Bronic, M. Kimura, J. Chem. Phys. 103, 7104 (1995).
75. K. Kowari, L. Demeio, B. Shizgal, J. Chem. Phys. 97, 2061 (1992).
76. Y. Itikawa, M. Hayashi, A. Ichimura, K. Onda, K. Sakimoto, K. Takayanagi, M. Nakamura, H. Nishimura, T. Takayanagi, J. Phys. Chem. Ref. Data 15, 985 (1986).
77. A. V. Phelps, dane z: ftp://jila.colorado.edu/collision_data/electron.txt
78. K. Onda, J. Phys. Soc. Jpn. 54, 4544 (1985).
79. E. Gerjuoy, S. Stein, Phys. Rev. 97, 1671 (1955).
80. K. Itoh, R. A. Holroyd, M. Nishikawa, J. Phys. Chem. A 105, 703 (2001).
81. I. Last, T. F. George, J. Chem. Phys. 93, 8925 (1990).
82. T. Ikegami, T. Kondow, S. Iwata, J. Chem. Phys. 98, 3038 (1993).
83. G. A. Morales, J. Faulkner, R. W. Hall, J. Chem. Phys. 109, 3418 (1998); oraz prace tam cytowane.
84. M. P. Allen, D. J. Tildesley, Computer Simulation of Liquids, Clarendon Press, Oxford (1987).
85. D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation. From Algorithms to Applications, Academic Press, San Diego (2002).
86. H. A. Schwarz, J. Phys. Chem. 97, 12954 (1993).
87. M. Wójcik, M. Tachiya, Chem. Phys. Lett. 379, 20 (2003).
88. J. Thomas, D. A. Imel, Phys. Rev. A 36, 614 (1987).
89. E. Aprile, W. H.-M. Ku, J. Park, H. Schwartz, Nucl. Instrum. Methods A 261,519(1987).
90. A. Mozumder, Fundamentals of Radiation Chemistry, Academic Press, San Diego (1999), rozdz. 8.
91. U. Sowada, J. M. Warman, M. P. de Haas, Phys. Rev. В 25, 3434 (1982).
92. W pracy [90], rozdz. 9.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-LOD6-0022-0007