РОЗДІЛ 2
ТЕХНІКА І МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ
Для збудження газорозрядної плазми на робочих сумішах ексимерних джерел випромінювання нами застосовувався розряд через діелектрик - кварцове скло (газорозрядна кювета 1) і комбінований розряд - через діелектрик та по поверхні діелектрика (газорозрядна кювета 2). Експериментальні результати, які отримані з використанням газорозрядної кювети 1, описані в розділі 3, а отримані з використанням газорозрядної кювети 2 - в розділі 4.
Простота конструкції, що відіграє неабияку роль в експериментах з високотемпературними об'єктами, обумовила вибір типів розряду [4, 5, 7]. Крім того, розряд через діелектрик досить добре зберігає однорідність при масштабуванні [79]. У роботах [35, 80] по лазерній генерації на інертних і молекулярних газах високого тиску застосовувався також розряд через кварцове скло та сіконд. Коротко охарактеризуємо основні властивості розрядів, які застосовувалися в експериментах.
2.1. Характеристика розряду
2.1.1. Бар'єрний розряд. Бар'єрний розряд (БР) - розряд змінного струму між обкладками газового конденсатора, в якому один або обидва електроди покриті діелектриком [79, 81]. Прикладання рiзницi потенцiалiв вiд зовнiшнього джерела до обкладок спричиняє поляризацiю дiелектричних бар'єрiв. При цьому на повернутих всередину поверхнях бар'єрiв виникають заряди, якi спiвпадають по знаку з зарядом вiдповiдного електроду. Якщо прикладена напруга перевищує пробивну напругу газового проміжку, то виникає розряд між електродами, який складається з численних мікророзрядів, що статистично розподілені в часі і просторі. Тривалість імпульсів розрядного струму може становити від кількох наносекунд до кількох сотень наносекунд залежно від робочого середовища та конфігурації розряду. Майже вся вкладена в розряд енергія витрачається на збудження енергетичних рівнів атомів і молекул, причому відповідні реакції з електронами проходять лише в межах нитковидних каналів (мікророзрядів). Електрони розряду досягають середніх енергій порядку 1-20 еВ, незважаючи на високі загальні тиски сумішей і короткі тривалості імпульсів струму. У вказаному енергетичному діапазоні можуть відбуватися майже всі відомі плазмохімічні реакції [79].
На думку Еліассона і Геллерта [79], бар'єрний розряд є ідеальною системою, в якій вкладена енергія витрачається на ініціювання реакцій, тому що майже весь енерговклад іде на утворення збуджених компонентів у розрядному проміжку. До цього слід додати перевагу можливості роботи при високих тисках сумішей, і отже, при значних концентраціях компонентів із збереженням однорідності розряду. Вказані характеристики дозволяють застосовувати діелектричний бар'єрний розряд для збудження ексимерних молекул [5-7, 9, 79].
Протягом тривалого часу бар'єрний розряд застосовується для утворення озону у великих кількостях. Озонатори є дуже надійними розрядними пристроями з великим ресурсом роботи [79]. Крім того, БР використовується в лазерах для передіонізації активного середовища [16], в джерелах некогерентного випромінювання, плазмових дисплеях [82]. З допомогою бар'єрного розряду також здійснюють конверсію шкідливих хімічних сполук (заміну каталізаторів у системі вихлопу двигунів внутрішнього згоряння), вирощування алмазоподібних плівок, стерилізацію медичного устаткування в потоці озону, який утворюється в бар'єрному розряді, одержання NO у медичних цілях з метою прискорення процесів регенерації тканин.
Найбільш поширеними на практиці є коаксіальна [5, 6, 79] та планарна [9, 35] геометрії бар'єрного розряду. В планарній геометрії залежно від міжелектродної відстані d, амплітуди прикладеної напруги U0, частоти повторення імпульсів f, а також тиску p та сорту газу встановлено існування декількох мод (режимів) розряду [82].
Найбільш відомою є стримерна мода бар'єрного розряду в електронегативному газі (повітрі, кисні) при атмосферному тиску і вище [83]. В цій моді в кожному півперіоді прикладеної напруги на осцилограмі струму спостерігається досить регулярна серія різких сплесків приблизно однакової амплітуди. Кожен сплеск струму відповідає множині стримерів (мікророзрядів), які одночасно виникають у міжелектродному проміжку при досяганні пробивної напруги і швидко гинуть за рахунок процесів прилипання та іон-іонної рекомбінації, коли напруга стає меншою від пробивної. В цій моді візуально бар'єрний розряд є дифузним і поперечно однорідним внаслідок хаотичного просторового розподілу мікророзрядів.
В електропозитивних газах при великих pd (?500-1000 Тор·мм, тобто ?67-133 кПа·мм) і невисоких частотах (f<100 кГц) бар'єрний розряд представляє собою дійсно дифузну і поперечно-однорідну моду, яка є аналогом квазістаціонарного тліючого розряду [84]. На осцилограмі струму в цій моді спостерігається лише один сплеск, який відповідає поперечно-однорідному пробою проміжку при досягненні в ньому необхідної напруги. При вказаних умовах падіння напруги на однорідному плазмовому стовпі більше, ніж напруга на тліючому катодному шарі. Після пробою плазма не розпадається, а підтримується квазістаціонарно практично до зменшення повного струму до нуля. Слід відмітити, що умови наших експериментів (розділи 3, 4) якраз відповідають даному режиму бар'єрного розряду: f?2 кГц, pd ~ 6840 Тор·мм (912 кПа·мм).
При невеликих pd (?500 Тор·мм, тобто 67 кПа·мм) і високих частотах (f?100 кГц) бар'єрний розряд в електропозитивних газах, як правило, структурується в регулярно розташовані в проміжку струмові шнури. Діаметр цих шнурів перевищує поперечний розмір стримерів в електронегативних газах [82].
В [82] досліджено бар'єрний розряд в електропозитивному газі (гелій) при невеликих pd (16 кПа·мм) і невисоких частотах (f<100 кГц). В таких умовах напруга на плазмовому стовпі після пробою проміжку складає лише малу частину від падіння напруги на катодному шарі. Ця мода характеризується регулярними пульсаціями струму у кожному півперіоді прикладеної напруги. В роботі [82], крім експериментальних результатів, запропонована спрощена