Modeling of molecular ions formation in cold rare-gas plasmas

Abstract

Molecular ions, in particular, dimeric rare-gas ions have a very important influence on the behavior of rare gas plasmas used in multiple fields. Therefore, the analysis and understanding of their formation are of great importance for the macroscopic modeling of these plasmas. The main objective of this work is to perform calculations of the rate constants of dimer ions formation in cold plasmas using rare gases as carriers over a wide range of reduced electric fields. To do so we have used mesoscopic data (cross sections) obtained from microscopic data (interaction potentials) for argon to provide reaction rate constants of the formation of Ar$_{2}^{+}$. Further, to perform our calculations we have considered all six lowest-lying electronic states of the Ar$_{2}^{+}$ ions. These six electronic states are classified in two fine structure states of the atomic ion, the ground state $^2P_{3/2}$ and the excited state $^2P_{1/2}$. A quasi-classical trajectory approach based on the nonadiabatic mean-field dynamics approach and \emph{Diatomics In Molecules} (DIM) model of the interactions in collisions complexes used in preceding studies to calculate the collision cross sections that we will use in the present work. These collision cross sections will feed a Monte Carlo code adapted and optimized for the calculation of auxiliary data such as collision energy distributions which are important to provide averaged, thermal ternary recombination rate constants of ground and excited states of the dimer ion. The ternary recombination rate constants calculated in this way are compared with the experimental measurements and theoretical data available in the literature. The results we have obtained, are close to these experimental and theoretical values for selected values of reduced electric fields, $E/N$= 1, 50, and 100 Td, with standard conditions of temperature $T$= 300 K and pressure $P=10^{5}$ Pa. Thus, these results are expected to be helpful in tuning cold plasma generators for specific applications.

Molekulární ionty, zejména dimerní ionty vzácných plynů, mají velmi důležitý vliv na chování plazmatu vzácných plynů používaných v mnoha oblastech. Proto je analýza a pochopení jejich vzniku velmi důležité pro makroskopické modelování těchto plazmat. Hlavním cílem této práce je provést výpočty rychlostních konstant tvorby dimerních iontů ve studeném plazmatu za použití vzácných plynů jako nosičů v širokém rozsahu redukovaných elektrických polí. K tomu jsme použili mezoskopická data (průřezy) získané z mikroskopických dat (interakční potenciály) pro argon k poskytnutí konstant reakční rychlosti tvorby Ar$_{2}^{+}$. Dále, abychom provedli naše výpočty, vzali jsme v úvahu všech šest nejníže položených elektronických stavů iontů Ar$_{2}^{+}$. Těchto šest elektronických stavů je klasifikováno ve dvou stavech jemné struktury atomového iontu, základním stavu $^2P_{3/2}$ a excitovaném stavu $^2P_{1/2}$. Kvaziklasický přístup k trajektorii založený na neadiabatickém přístupu dynamiky středního pole a \emph{Diatomics In Molecules} (DIM) modelu interakcí v komplexech srážek použitý v předchozích studiích k výpočtu příčných řezů srážek, které budeme používat v tomto práce. Tyto kolizní průřezy budou napájet kód Monte Carlo přizpůsobený a optimalizovaný pro výpočet pomocných dat, jako jsou distribuce kolizní energie, které jsou důležité pro poskytnutí průměrných konstant rychlosti ternární rekombinace zemního a excitačního stavu dimerního iontu. Takto vypočítané rychlostní konstanty ternární rekombinace jsou porovnány s experimentálními měřeními a teoretickými údaji dostupnými v literatuře. Výsledky, které jsme získali, se blíží těmto experimentálním a teoretickým hodnotám pro vybrané hodnoty redukovaných elektrických polí $E/N$= 1, 50 a 100 Td, při standardních podmínkách teploty $T$= 300 K a tlaku $ P=10^{5}$ Pa. Očekává se tedy, že tyto výsledky pomohou při ladění generátorů studené plazmy pro specifické aplikace.