THE MECHANISM OF THE OPTOGALVANIC EFFECT IN A HOLLOW-CATHODE DISCHARGE

Résumé
Il y a deux mécanismes, différents de manière significative, qui sont proposés pour rendre compte de l'effet optogalvanique dans une décharge de cathode creuse : (1) L'excitation laser des atomes sur un état électronique élevé conduit à l'ionisation des atomes excités et à une augmentation de la conductivité dans la décharge. (2) L'excitation laser des atomes sur un état électronique élevé pertube l'équilibre préétabli entre la température électronique et la température d'excitation atomique. Les collisions superélastiques entre les électrons et les atomes excités restituent cet équilibre avec pour résultat que l'excès d'énergie augmente la température électronique, et, par conséquent, augmente la conductivité de la décharge. Ces deux mécanismes, sans aucun doute, existent simultanément et nous devons déterminer leur importance relative pour différentes conditions de fonctionnement de la décharge et de l'excitation. Ceci est important en raison des schémas d'excitation qui ont été proposés pour l'enrichissement isotopique par laser dans une décharge de cathode creuse. Pour que ces projets aboutissent, le mécanisme (1) doit être prédominant. Nous avons mesuré le signal optogalvanique, la concentration d'uranium, l'impédance de la décharge et la température électronique en fonction du courant de décharge d'une cathode creuse à uranium emplie de néon. Les caractéristiques de fonctionnement de la cathode creuse sont utilisées comme paramètres d'entrée dans un modèle simplifié de décharge. Les prédictions de la densité électronique, des changements de la température électronique et de l'impédance de la décharge coïncident bien avec les observations expérimentales. Notre modèle et nos observations expérimentales conduisent à une compréhension qualitative de l'effet optogalvanique dans une décharge de cathode creuse et à l'estimation de l'importance relative des deux mécanismes de l'effet optogalvanique.

Abstract
There are two significantly different mechanisms proposed for the origin of the optogalvanic effect in a hollow-cathode discharge. (1) Laser excitation of atoms to higher electronic states leads to an increased cross section for electron impact ionization, with the result that the excited atom becomes ionized and the conductivity of the discharge increases. (2) Laser excitation of atoms to higher electronic states perturbs the equilibrium established between the electron temperature and the atomic excitation temperature. Superelastic collisions between the electrons and the laser-excited atoms restore the equilibrium, with the excess energy ending up in an increased electron temperature and therefore an increase conductivity of the discharge. Both mechanisms undoubtedly proceed simultaneously and what needs to be determined is their relative importance at different discharge conditions and different excitation conditions. This is important because laser isotope enri chment schemes have been proposed using selective excitation in a hollow-cathode discharge. In order for these schemes to work, (1) must be the predominant mechanism. We have measured the optogalvanic signal, concentration of uranium atoms, impedance of the discharge, and electron temperature as a function of the discharge current in a neon-filled uranium hollow-cathode discharge. The hollow cathode operating characteristics are used as input parameters in a simple discharge model. Predictions of electron density, changes in electron temperature, and discharge impedance compare well with experimental observations. Our model and experimental observations yield a qualitative understanding of the optogalvanic effect in a hollow-cathode discharge and estimate the relative importance of the two optogalvanic mechanisms.