Исследование возбуждения моногалогенидов ртути в газоразрядной плазме

2
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ............................*.................... 4
1. ВОЗБУЖДЕНИЕ МОНОГАЛОГЕНИДОВ РТУТИ В ИМПУЛЬСНОМ РАЗРЯДЕ ................................................... 14
1.1. Краткий обзор работ по исследованию возбуждения моногалогенидов ртути .................................. 14
1.2. Газоразрядная экспериментальная установка ........ 19
1.2.1. Газоразря^]|$й кювета ...................... 20
1.2.2. Генератор*:.шшульсных напряжений............ 23
1.2.3. Система вакуумной откачки и газонаполне-
ния ....................................... 24
1.2.4. Система регистрации излучателъных и электрических характеристик ...................... 27
1.3. Контрольные эксперименты ......................... 27
1.4. Результаты измерений и их обсуждение ............. 32
1.4.1. Спектральные характеристики излучения... 32
1.4.2. Исследование зависимости интенсивности излучения моногалогенидов ртути от парциальных давлений смеси и условий накачки ............................................ 39
1.4.3. Временные характеристики разряда ........... 50
2. ДИССОЦИАТИВНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ СОСТОЯНИЯ МОНОГАЛОГЕНВДОВ РТУТИ ЭЛЕКТРОННЫМ УДАРОМ 54
2.1. Экспериментальная установка ...................... 56
2.1.1. Камера столкновений ........................ 56
2.1.2. Система регистрации излучения .............. 61
з
Стр.
2.2. Методика измерений оптических функций и эффективных сечений возбуждения. Контрольные эксперименты ................................................ 61
2.2.1. Измерение оптических функций возбуждения ............................................ 61
2.2.2. Определение абсолютных величин эффективных сечений ....................................... 68
2.3. Результаты исследований диссоциативного возбуждения 22+1^ состояния ыоногалогенвдов ртути и
их обсуждение ..................................... 72
2.3.1. Спектры излучения .......................... 72
2.3.2. Эффективные сечения диссоциативного возбуждения .......................................... 75
3. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЫ ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА НА СМЕСЯХ ДИГАЛОГЕНВДОВ РТУТИ И ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ. 81
3.1. Элементарные процессы в плазме........................................... 82
3.2. Кинетическое уравнение Больцмана для электронов
и методика его решения ............................ 8^
3.3. Результаты расчета и их обсуждение .............. 90
3.3.1. Транспортные и энергетические характеристики плазмы....................................... 90
3.3.2. Константы скоростей процессов возбуждения атомов, молекул и ионов ....................... ЮЗ
3.3.3. Расчет заселенности состояний мо-
ногалогенидов ртути ....................... ЮЗ
ВЫВОДЫ ............................................... 119
ЛИТЕРАТУР А............................................ !22
ВВЕДЕНИЕ
За последние годы в квантовой электронике успешное развитие получил новый тип лазеров на смещенных связанно-связанных электронно-колебательных переходах эксиплексноподобных молекулах моногалогенидов ртути, генерирующих в видимом диапазоне длин волн. Перспективность таких лазеров обусловлена их высокими удельными характеристиками и квантовыми КПД и кроме того возможностью создания импульсно-периодического отпаянного лазера [l,2] . Так, по последним данным в газоразрядном Hcjbr* -лазере с использованием предионизации электронным пучком была получена энергия в импульсе 9,8 Дж, КПД - 1,8 % и энергосьеы I Дж/i [i] . В работе [з] показана возможность получения средней мощности 100-1000 Вт в импульсно-периодическом режиме.Такие характеристики лазеров для видимого диапазона длин волн являются рекордными, что, конечно, найдет многочисленные применения в науке и технике.
В создании таких лазеров основополагающими являются работы Паркса [4,б] , Бурнхама [1,5] , Шимичека [7] , Нигана [э] , Басова Н.Г., Зуева B.C., Клементова А.Д., Молчанова А.Г- и др. [10-
12] . В качестве рабочих сред в лазерах на моногалогенидах ртути используются :
- смеси паров ртути, галогеноносителя / ,ССЛ^ , ЦС£ и др./ и инертного газа /аргон, гелий, ксенон/;
- смеси паров дигалогенидов ртути / »Hg^g/ с инертными газами /гелий или неон/;
- смеси паров дигалогенидов ртути с инертными газами и малой добавкой < 10 % молекулярного азота /ксенона/.
5
Возбуждение ыоногалогевидов ртути в этих смесях происходит вследствие плазыохимических реакций, эффективность которых для большинства галогеносодержащих молекул не определена [2] . Ввод энергии в рабочие смеси производится импульсными сильноточными электронными пучками [4,б] , оптической накачкой [ю] и поперечным разрядом с различными типами предионизации /через диэлектрик, рентгеновским и ультрафиолетовым излучением [1,3,5,7,8,11,12]/.
Основные тенденции дальнейших научно-исследовательских работ и технического применения лазеров на моногалогенидах ртути в настоящее время связаны с выяснением возможности реализации высоких энергосьемов и КПД, что в свою очередь зависит от поиска эффективных рабочих смесей, состояния изученности физических процессов в активной среде, исследования механизма формирования населенности рабочих состояний . Кроме того
в ряде технических применений требуется упрощение конструкции как самих лазеров, так и источников накачки.
Среди многих физических процессов, протекающих в активной среде лазеров на смесях дигалогенидов ртути с инертными газами важнейшую роль играет процесс возбуждения £) состояния
электронами
НдХ2+ е -Ъ- НдХ(Ъ22*) + Х+ е ,
где X = СЛ , Вр ,3 .
Без знания эффективности этого процесса, которая определяется константой скорости диссоциативного возбуждения невоз-
можно рассчитать населенность верхних лазерных уровней, а именно состояния с колебательными числами = 0,1 [13]
и соответственно сложно вести исследования по целенаправленному улучшению выходных характеристик лазеров.
В известной литературе отсутствуют работы по определению или расчету констант скоростей возбуждения состояния
в импульсном разряде в смесях галогенидов ртути с гелием или неоном, что связано как с трудностями методического характера N , так и недостаточным знанием эффективности плазмохимических процессов, протекающих в активной среде газоразрядного лазера.
Исследовать эффективность этого процесса можно с помощью расчетных методов. Если известно эффективное сечение диссоциативного возбуждения, его зависимость от энергии электронов и тэедсления
функция pacnV" электронов в конкретных условиях разряда, то
константа скорости диссоциативного возбуждения определяется из выражения [l5]
fc*=(&)*• >
где: - константа скорости диссоциативного возбуждения,
ТП, - масса электрона,
U- энергия электронов,
- функция распределения электронов по энергиям, Qo(U)- эффективное сечение диссоциативного возбуждения,
о
(1Л- пороговая энергия процесса диссоциативного возбуждения.
Экспериментальных данных и теоретических расчетов по значениям эффективных сечений диссоциативного возбуждения В 21^(2, состояния ыоногалогенидов ртути и его зависимости от энергии электронов в известной нам литературе не имеется, за исключением наших данных в работах f16,17] .
Вместе с тем, необходимо отметить, что в работе [18] были измерены эффективные сечения возбуждения отдельных электронноколебательных полос с А 557 нм Hcj,CE.^ , А 502 нм НфВг’* и Aw* нм НдЗ^для перехода Ъ22^ X22,^/2. с 1?'= 0 на ЧГ = 22,17, их максимальные величины соответствуют значениям Ю-19 см2 для энергий электронов 100 эВ. Из-за малых значе-
ний эффективных сечений авторы работы [18] высказали предположение, что электронный удар не является ванным в возбуждении верхнего лазерного уровня. В работе [18] также получены значения порога излучения значительно выше, чем это следует из
экспериментов по фотодиссоциации [19] , в частности, для молекулы порог должен быть 6,2 эВ, в то время как в работе
[18] наблюдается при ~ 25 эВ. Как следует из наших работ [16,1?], а также не прямых газоразрядных измерений ^ в смеси ИдЬг£-Х& порог излучения НдВг* находится при 6-7 эВ и максимум эффективного сечения при малых значениях энергий 9-10 эВ.
В условиях плазмы газоразрядного ОКТ при высоких давлениях буферных газов гелия или неона /800-1000 мм рт.ст./, вследствие большой роли процессов релаксации населенности верхних колебательных уровней Е71^/2 состояния происходит подзаселение нижних колебательных уровней ЯГ* в 0,1, из которых непосредственно и наблюдается генерация лазерного излучения, возникает необходимость определения суммарного эффективного сечения возбуадения для всех полос перехода Б2,2^ X• 310 следует также
из работ [20,21] по измерению времени релаксации населенности верхних энергетических уровней ^ и V11 , которое составляет несколько единиц наносекунд.
Для определения Эффективности возбуждения СОСТОЯ-
НИЯ в плазме необходимо знание функции распределения электронов по энергии $(и) в конкретном разряде. В условиях плазмы при атмосферных давлениях газа измерение функции распределения представляет сложную методическую задачу и в настоящее время имеется возможность определить ее только теоретическим методом из кинетического уравнения Больцмана для электронов [22,23] .
На основании функции распределения электронов по энергии в плазме разряда могут быть определены также транспортные и энер-
готические характеристики плазмы - дрейфовая скорость электронов, средняя энергия, удельные мощности разряда в каналах возбуждения, ионизации и упругого рассеяния электронов на атомах и молекулах.
Совокупность данных по эффективности возбуждения атомов и молекул и транспортным характеристикам, а также удельным потерям мощности разряда по каналам позволяет с большей достоверностью выяснить механизм возбуждения частиц в плазме и выбирать наиболее оптимальные условия возбуждения плазмы для получения максимальных выходных параметров лазера.
В известной литературе нет систематических данных по исследованию зависимостей интенсивностей излучения в зависимости от парциальных давлений смеси, компонентного состава, энерговклада, измерениям импульсных характеристик разряда и излучения
плазмы. Подобная ситуация затрудняет выбор оптимальных по интен-
могут
сиввости излучения газовых смесей. Такого рода исследованТШ’быть детально проведены по спонтанному излучению плазмы.
Целью настоящей работы было исследование эффективности возбуждения моногалогенидов ртути в импульсном разряде на смесях дигалогенидов ртути с гелием и неоном.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- создать газоразрядную экспериментальную установку и исследовать излучение моногалогенидов ртути в импульсном разряде при возбуждении смесей дигалогенидов ртути с инертными газами;
- произвести поиск наиболее эффективных по интенсивности излучения смесей;
- создать экспериментальную установку и измерить абсолютные величины эффективных сечений возбуждения Есостояний моногалогенидов ртути электронным ударом;
- провести расчет транспортных и энергетических характери-
9
стик плазмы импульсного разряда в смесях дигалогенидов ртути и инертных газов /гелия и неона/, а также констант скоростей возбуждения атомов, молекул и ионов.
Актуальность данной работы обусловлена необходимостью выяснения механизма возбуждения состояния моногалогенидов
ртути в газоразрядной плазме и создании эффективных источников излучения.
Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы.
Первая глава посвящена экспериментальному исследованию возбуждения моногалогенидов ртути в импульсно-периодическом разряде. Описаны - методика исследований, экспериментальная установка и результаты по электрическим и спектральным характеристикам разряда и поиску наиболее эффективного компонентного состава.
Во второй главе исследовано диссоциативное возбуждение Ъ 21^2 состояния моногалогенидов ртути электронным ударом.Приводится описание методики измерений, экспериментальной установки и результаты определения функций возбуждения и абсолютных величин эффективных сечений, дано их обсуждение.
В третьей главе представлены результаты расчета основных характеристик газоразрядной плазмы. На основании расчета функций распределения электронов получены транспортные и энергетические характеристики и константы скоростей возбуждения атомов,молекул и ионов в плазме импульсного разряда.
_ 2_ 1 | |
Результаты ПО эффективности возбуждения Ь 2^ состояний использованы для определения населенности состояния мо-
ногалогенидов ртути в разряде.
Произведено сравнение населенности Е>^21 ^ состояния с зависимостью интенсивности излучения моногалогенидов ртути от давления гелия и неона при различных компонентных составах. Дано обсуждение результатов.
10
На защиту выносятся следующие основные положения и резуль-
таты:
- Результаты систематических экспериментальных исследований возбуждения ИаС£*, 14а&г/^^юпаречном импульсном разряде на смесях йе(Ме)-НдЙ-2. . йе(Ме)-НдЬгг ,
НеХМе)~)4с|32 в интервале давлений 0,1-1000 мм рт.ст. Найдены оптимальные условия возбуждения моногалогенидов ртути. Интенсивность излучения существенно зависит от парциальных давлений газовых смесей и максимальна в смесях с гелием.
- Результаты абсолютных измерений эффективных сечений возбуждения состояний и И ИХ
зависимости от энергии электронов. Функции возбуждения имеют максимум в области малых энергий 9-14 эВ и резко возрастают от порога. Максимальные значения эффективных сечений диссоциативного возбуждения моногалогенидов ртути электронным ударом порядка 10**6 см2.
- Результаты расчета основных характеристик газоразрядной плазмы на смесях дигалогенидов ртути и инертных газов в интервале параметра Е/р = 14*30 В.см“1-мм рт.ст”*: дрейфовых скоростей электронов^ средних энергий, концентраций электронов, удельных мощностей разряда на процессы возбуждения, ионизации и упругого рассеяния атомов гелия, неона и молекул дигалогенидов ртути.
Установлены основные закономерности для транспортных и энергетических характеристик в зависимости от параметра Е/р и компонентного состава. Удельные потери мощности разряда на возбуждение ИфС£.^ , и максимальны при Е/р =
= 1*3 В.см“1-мм рт.ст“1.
Определены константы скоростей возбуждения состоя-
ний н9о* ,н?Бг-*и н9а* в зависимости от Е/р; их значения максимальны 1СГ5-1(Г10 см3/с при Е/р = 14*3 В.см”*-мм рт.
-I ст.! _ •
II
- Механизм электронного возбуждения моногалогенидов ртути в газоразрядной плазме на смесях дигалогенидов ртути с гелием и неоном.
Основные результаты работы докладывались на П Всесоюзном семинаре по физическим процессам в газовых ОКГ /г.Ужгород,
1978/, П Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" /г.Ленинград, 1980/, У Республиканской конференции молодых ученых по спектроскопии и квантовой электронике /г.Паланга, 1981/, X Сибирском совещании по спектроскопии /г.Томск, 1981/, XI Ежегодной конференции молодых ученых ИЯИ АН УССР /г.Киев, 1981/, У семинаре "Газовые лазеры на парах химических элементов" /г.Ростов-на-Дону, 1981/, УШ Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений /г.Ленинград, 1981/, групповом семинаре лаборатории квантовой радиофизики ФИАН /г.Москва, 1981/, семинаре отдела квантовой электроники КО АН СССР /г.Томск, 1982/, П Всесоюзном совещании по хемилюминесценции и эксиыерным лазерам /г.Мука-чево, 1982/, УІ Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы /г.Ленинград, 1983/, научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Закарпатской области /г.Ужгород, 1980/ и на научных конференциях аспирантов, молодых ученых и профессорско-преподавательского состава Ужгородского госуни-верситета /г.Ужгород, 1977-1983/, а также опубликованы в следующих работах:
1. Малинин А.Н., Шуаибов А.К., Опаленик В.И., Шевера B.C. Установка для возбуждения и исследования эксимерных молекул на парах химических элементов. - В сб.: Тезисы докладов П Всесоюзного семинара по физическим процессам в газовых ОКГ.Ужгород, 1978, 118—119.
2. Малінін О.М. "Дослідження виходу ексимерів в розряді лазерної плазми". В сб.: Тези доповідей науково-практичної конфе-