ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ .................................................... 5
ГЛАВА 1. Исследование плазмы газовых разрядов в смесях паров металлов с инертными газами.
Обзор литературы.__________________________________ 22
§1.1. Плазма разрядов в смесях паров металлов с
инертными газами................................24
§1.2. Основные задачи диссертации....................31
ГЛАВА 2. Законы подобия для положительного столба разряда в смеси легкоионизуемой добавки с буферными
газами. _____________________________________________ 38
§2.1. Вывод законов подобия для положительного столба разряда в смеси легкоионизуемой
добавки и буферного іаза........................40
§2.2. Физический смысл параметров подобия............56
§2.3. Пределы применимости законов подобия. Экспериментальная проверка подобия разрядов в смсси легкоионизуемой добавки
и буферного газа................................60
ГЛАВА 3. Развитие экспериментальных методик для
исследования плазмы.________________________________ 72
§3.1. Зондовые методы исследования плазмы............73
§3.2. Решение интегрального уравнения для нахождения функции распределения электронов при повышенном давлении
2
инертного газа................................81
§3.3. Экспериментальная методика измерения второй производной зондового тока. Экспериментальные установки для • измерения элсктрокинетичсских характеристик
плазмы. Погрешности измерений.................86
§3.4. Измерение интенсивностей спектральных линий и заселенностей возбужденных
состояний атомов.............................105
ГЛАВА 4. Приложение законов подобия к исследованию
характеристик разрядов в смесях легкоионизуемой
добавки и буферного газа. _______________________ 127
§4.1. Методика использования законов подобия для
диагностики плазмы...........................127
§4.2. Исследование положительного столба разряда постоянного тока в бинарной смеси паров
ртути с инертными газами.....................132
§4.3. Применение законов подобия для описания свойств плазмы разрядов в смесях паров
металлов с несколькими инертными газами 142
§4.4. Применение законов подобия для изучения
динамических разрядов........................154
§4.5. Исследование газового разряда в смеси неона
и аргона.....................................166
ГЛАВА 5. Плазма источников оптического излучения на основе разрядов в смсси паров металлов с инертными газами
при низких и повышенных давлениях. 170
§5.1. Экспериментальные условия, схемы
электропитания и термостагирования разряда. .171
3
§5.2. Экспериментальное исследование функции
распределения электронов но энергиям........175
§5.3. Расчет функции распределения электронов но
энергиям....................................185
§5.4. Электрокинетические характеристики положительного столба (Нй+Аг)-разряда
повышенного давления........................204
§5.5. Процессы заселения уровней атомов ріути в
плазме (I ^+Аг)-разряда.....................218
§5.6. Концентрации резонансных атомов ріуги в плазме ртутно-аргонового разряда
і гостов*того тока..........................234
§5.7. Заселенности резонансных уровней атомов ртути в положительном столбе импульсно-
периодического разряда......................238
§5.8. Плазма разрядов в смесях паров цинка и кадмия
с инертными газами..........................246
ГЛАВА 6. Плазма разрядов в смеси инертных газов с
экологически безвредными легкоионизусмыми
добавками. _________________________________ 25\
§6.1. Исследование плазмы газового разряда с
примесыо молекул фуллерсна С60..............253
§6.2. Разряд в смеси молекул гидроксила ОН с
инертными газами............................261
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 272
ЛИТЕРАТУРА. . _ . 276
4
ВВЕДЕНИЕ
Создание в 30-40 годах нашего сюлетия газоразрядных источников оптического излучения, в которых плазма являегся основной областью разряда, 1снсрирующсй излучение, стало без сомнения началом новой эры в светотехнике и техноло! иях, связанных с использованием излучения атомов и молекул, и таким образом, стало началом широкою практического использования плазмы.
Главным достоинством созданных в то время газоразрядных источников излучения - а это были ртугные люминесцентные лампы низкого давления,- являлось значительное увеличение световой отдачи по сравнению с лампами накаливания. 11с менее важным было также то, что использование плазмы газового разряда в силу многообразия аюмов, молекул, их комбинаций и условий, в которых осуществляется разряд, открыло перед учеными и практиками широкие возможности создания самых разнообразных источников излучения, способных найти применение в науке, технике, в повседневной жизни человека. К настоящему времени создано целое множество таких разрядных источников оптического излучения. Примерами из этого множества могут служить современные люминесцентные лампы низкого давления, являющиеся, пожалуй, наиболее широко используемыми разрядными источниками света в промышленном освещении и находящие все большее применение в быту, натриевые лампы низкого давления, обладающие чрезвычайно высокой световой отдачей, металлогалогенные лампы, позволяющие получить при варьировании добавок практически любое спектральное распределение интенсивности излучения в видимой области спектра, кссноповыс лампы высокого и сверхвысокого давления, дающие рекордные яркости излучения в видимой области (при этом спекф излучения бли-
5
зок к солнечному) и большие интенсивности в ближней инфракрасной области спектра, что позволяет использовать их в технике ночного видения и в технологических процессах, требующих сильного локального нагрева. Этот ряд примеров легко продолжить [1-3].
Подавляющее число источников оптического излучения (или источников света, если речь идет о видимой области спектра), использующих плазму газового разряда, можно разбить на две большие группы: источники излучения низкого давления, имеющие высокий коэффициент преобразования электрической энергии в излучение (для источников света и качестве этого коэффициента можно брать световую отдачу), и источники излучения высокого и сверхвысокого давления, дающие большие яркости и потоки излучения.
Источники излучения первой группы создаются, как правило, на основе тлеющег о разряда в смеси газов, одним из которых является ’’буферный” таз, влияющий только на диффузию атомов и .заряженных частиц и дрейф последних в электрическом поле (чаще всего это инертные газы), а вторым является малая лет коиоиизусмая примесь, определяющая излучательные характеристики плазмы. В качестве последней часто используют ся атомы металлов, для которых при относительно низкой температуре возможно получить необходимое давление пара, но в принципе могуг использоваться и другие вещества, в частности различные молекулярные добавки. Разряд в смеси газов осуществляют при ничком давлении (давление "буферного” газа - единицы или десятки г ор, малой добавки - единицы или десятки м Гор при характерных размерах разрядной камеры порядка сантиметра), чтобы резонансное излучение атомов малой добавки без потерь достигало стенок разрядной трубки. На стенки при необходимости может быть нанесен соответствующий люминофор, преобразующий ультрафиолетовое излучение в видимую область спек-
6
тра. Высокая эффективность таких источников свош объясняется тем, что в тлеющем разряде часто можно выбрать условия, при которых большая часть электрической энергии, рассеиваемой в плазме, идет на возбуждение и ионизацию атомов малой примеси. При этом баланс энергии внутри неупругих ударов сильно смещен в пользу возбуждения резонансного уровня (или уровней) атомов этой примеси.
Разрядные источники оптического излу чения второй 1руппы создаются на основе дугового разряда высокого или сверхвысокого давления. Большие яркости и потоки излучения получают за счет высоких концентраций атомов и сильных токов. Типичными примерами таких источников являются дуговые ртутные лампы, металлогалогенные лампы, кссноновыс лампы высокого и сверхвысокого давления. В силу больших концентраций атомов и сильного пленения резонансного излучения испускаемое ими излучение лежит в основном в нсрезопаисных линиях атомов (ртутные и металлогалогенные лампы), либо представляв'! собой электронный рекомбинационно-тормозной континуум (кссноновыс лампы). Световая отдача или эффективность, если под пей понимать коэффициент преобразования электрической энергии в видимое излучение, таких источников света заметно ниже, чем у представителей первой группы, из-за существенно больших потерь энергии на нагрев газа, стенок и электродов разрядной камеры, а также за счет ИК-излучения, которое к этом случае играет вредную роль.
Данная диссертация посвящена рассмотрению оптики и кинетики плазмы разрядных источников оптического излучения первой группы, а именно: разрядных источников оптического излучения низкого давления, содержащих легкоионизуемые добавки.
7
К настоящему времени исследовано достаточно большое число таких разрядов. Эго разряды в смеси инертных газов с парами ртут и, цинка, кадмия, натрия, калия, цезия, рубидия, галлия и др. Анализ многочисленных данных, полученных при исследовании вышеупомянутых разрядов, показывает, что несмотря на многообразие излучающих добавок все эти разряды в широком диапазоне условий обладают существенным сходством, позволяющим выделить данные разряды в особый класс - класс разрядов в смеси легкоионизуемой добавки и буферного газа. Сходство заключается в разделении ролей легкоионизуемой добавки и буферного газа: легкоионизуемая добавка определяет процессы ионизации в плазме, излучательные свойства разряда, энергетический баланс электронов, а буферный 1*аз влияет только на транспортные свойства частиц. Именно это разделение ролей, как уже отмечалось, обеспечивает высокую эффективность преобразования электрической энергии в излучение, и именно это разделение ролей, как показано в диссертации, приводит к существованию новых законов подобия для класса рассматриваемых разрядов. Единые законы подобия позволяют разработать общий подход к описанию таких разрядов.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
Во Введении определено направление в физике плазмы и физике 'разрядных источников оптического излучения, развитию которого посвящена диссертация, сформулированы цели рабо т ы, кратко описано ее содержат тис и приведены положения, выносимые на защиту.
Из обзора литературы, проведетптого в первой главе и посвященного анализу работ по изучению свойств плазмы газового разряда в смсси легкоионизуемой добавки с буферными газами, следует , что данная тематика постоянно привлекала внимание исследователей. Подавляющее число работ посвящено исследованию разряда в смеси
8
пароіз ріуги с инертными газами, который широке? используется в ртутных люминесцентных лампах, при типичных уеловиях работы последних (давление инергнот газа - единицы Тор, давление паров ртути - единицы и десят ки мТор, радиус разрядной трубки порядка 1 см, разрядные токи - сотни мА). Исследованию разрядов при других условиях и в других смесях посвящено существенно меньшее число работ. Тем не менее, анализируя полученные результаты можно заключить, что разряды в смесях легкоионизуемой добавки с буферными газами характеризуются существенным сходством - разделением ролей атомов легкоионизуемой добавки и буферного газа. Сходство рассматриваемых разрядов определяет главную цель диссертационной работы - разработ ку единою подхода к описанию разрядов класса «легкоионизусмая добавка + буферный газ» на основе новых законов подобия, полученных в диссерт ации для данного класса разрядов.
13 рамках решения главной задачи диссертации рассматриваются и решаются также следующие проблемы.
Существование законов подобия свидетельствует о наличии априорной информации о свойствах газового разряда, которую можно использовать для исследования плазмы. Эго открывает новые возможности в диагностике положительного столба разряда. До настоящего времени такая возможность была не реализована, и задачей диссертации является разработка методики использования законов подобия для диагностики плазмы и применение данной методики к исследованию плазмы. Особенно важным является то, что данная методика применима для любых законов подобия, существующих в каких-либо физических системах.
9
Разработка единою подхода к описанию разрядов класса «леї ко-ионизуемая добавки + буферный газ» будет неполной без исследования таких разрядов, в частности, разрядов в смеси паров металлов с инертными газами. Эго также является одной из основных задач диссертационной работы.
В качестве легкоионизуемых добавок, как уже отмечалось, могут использоваться молекулярные вещества. Такие разряды представляют особый интерес, носкольку могут дать новую информацию о молекулярных разрядах и поскольку могут быть основой новых источников оптического излучения. Исследование некоторых таких разрядов с молекулярными легкоионизуемыми добавками также входит в круг задач диссертации.
Решение поставленных задач потребовало дальнейшего развития зондовьгх и оптических методов исследования. Большой интерес представляє! продвижение в область повышенных давлений таза, когда стандартная зондовая методика неприменима. Данному вопросу также уделено внимание в диссертации
Вторая глава диссертации посвящена законам подобия для разрядов в смеси легкоионизусмой добавки с буферными газами.
Суть законов подобия заключасюя в уменьшении числа независимых параметров и переменных, которые необходимы для полного описания положительного сюдба разряда. Например, в случае известных законов подобия |4-7| для разряда постоянного тока в однородном газе вместо внешних параметров / (сила тока), Я (радиус трубки) и р (давление газа) достаточно задать две комбинации этих параметров рЯ и ИЯ, чтобы полностью определить внутренние характеристики плазмы на оси разряда.
Разделение ролей легкоионизусмой добавки и буферною газа приводит к существованию новых законов подобия. Во второй главе
ю
сформулированы основные предположения, на основе которых написана система уравнений для характеристик положительного столба разрядов рассматриваемого класса, и выведены новые законы подобия, отличающиеся от известных уменьшением на два числа независимых внешних переменных, достаточных для полного описания плазмы. Выяснены причины возникновения новых параметров подобия, в которых заложен глубокий физический смысл, и пределы применимости полученных законов подобия. Далее, законы подобия обобщены на случай разрядов с несколькими легкоионизуемыми добавками и несколькими инертными газами. Весьма убедительно, на наш взгляд, проведено экспериментальное под тверждение их существования на примере исследования характеристик импульсно-периодического разряда.
Третья глава диссертации посвящена развитию экспериментальных методов. использованных в данной работе для исследования плазмы.
Для измерения электрокинети ческих характерне! ик плазмы при повышенных давлениях газа, в том числе функции распределения электронов по энергиям, была разработана экспериментальная зои-довая методика, основанная на решении интегрального уравнения, связывающего ток на зонд с функцией распределения электронов по энергиям и учитывающего диффузионный характер движения электронов в при зондов ом слое. Поскольку зондовые измерения в положительном столбе разряда в смесях газов часто осложнены различного рода колебаниями (например, колебаниями потенциала пространства), функция распределения электронов по энергиям измерялась с применением слежения за потенциалом пространства, для че-!Х) использовалась оригинальная однозондовая методика.
Оптические характеристики плазмы исследовались стандартными методами, при этом метод реабсорбции для измерения заселенное! ей возбужденных урочной атомов был адаптирован к проведению измерений в условиях импульсно-периодического разряда.
Приложению законов подобия к изучению плазмы разрядов в смесях легкоионизуемой добавки с буферными газами посвящена четвертая глава.
Существование новых законов подобия для разрядов в смесях лег коионизуемой добавки и буферного газа позволило предложить оригинальную и эффективную методик)'диагностики плазмы, позволяющую на основе неполного набора данных о характеристиках положительного столба разряда получать недостающую информацию. Предложенная методика применима в случае любых законов подобия, сущест вующих в каких-либо физических системах.
Используя данную методику были проведены исследования положительного столба разряда постоянного тока в бинарной смеси «металл + инертный газ» и н смеси паров металлов о несколькими инертными газами. При этом использовались данные, полученные как в данной работе, так и другими ав торами Обобщение методики на случай нестационарных разрядов позволило провести исследование характеристик динамических разрядов, в частности, исследование процессов заселения высоковозбужденных уровней атомов ртути. Эти результаты использовались в пятой главе при определении сечений возбуждения ряда уровней атома ртути. На примере ртутных компактных люминесцентных ламп была показана также возможность оптимизации характеристик плазмы источников оптического излучения. Приложение методики использования законов подобия к расчету характеристик ВЧ-разряда в смеси аргона и неона (аргон играл роль малой но концентрации легкоионизуемой добавки)
12
подтвердило возможность существования новых законов подобия в смесях инертных газов.
Результаты исследования плазмы разряда в смеси паров металлов - ртути, кадмия, цинка,- с инертными газами при низких и повышенных давлениях представлены в пятой главе. Приведены результаты исследования электрокинетичсских и оптических характеристик плазмы в широком диапазоне разрядных условий. Построена модель положительного столба, применимая к условиям повышенных давлений инертного газа и паров металла. С помощью данной модели проведены расчеты характеристик плазмы, результаты которых хорошо согласуются с данными эксперимента. Впервые получены экспериментальные функции распределения электронов по энергиям и электрокинетичсскис характеристики разрядной плазмы в смеси паров рт>т и с аргоном при давлениях инертного газа до 30 Гор Совпадение результатов расчета функций распределения электронов по энерг иям с данными эксперимента позволяет сделать выводы об обоснованности использованного метода обработки зондо-вых характеристик, учитывающего диффузионный характер движения заряженных част иц в иризощговом слое, и о необходимости такой обработки для полу чения достоверной информации. В пятой главе приведены также результаты исследования процессов возбуждения ряда уровней атомов ртути, резонансных и более высоколе-жаших, в положительном столбе разряда пост оянного т ока и импульсно-периодического разряда в смеси ртути с инертными газами. На основе этих исследований получен ряд констант для процессов заселения высоковозбужденных уровней атомов ртути.
В шест ой главе диссертации представлены результ аты исследования разрядов в смеси инертных г азов с лсгкоионизусмыми молекулярными добавками, ранее не использовавшимися в источниках
13
оптического излучения: молекулами фуллсрека Сбо и молекулами гидроксила ОН. Эти добзвки являются экологически безопасными, поэтому в случае достижения приемлемых светотехнических характеристик разрядов на их основе такие источники оптического излучения будут иметь хорошие перспективы. Впервые в разряде в смеси молекул фуллерена С6о с инертными тазами получен и измерен спектр излучения в области 258 нм, происхождение которого можно отнести к .молекулам фуллерена Оо или комплексу с его участ ием, возникающему в условиях разрядной плазмы. Исследовано влияние добавки молекул гидроксила ОН па характеристики разряда в инерт ном газе и впервые получены условия разряда, в которых излучение резонансной полосы гидроксила 306.4 им превалирует подавляющим образом над излучением атомов инертного газа в видимой и УФ областях спектра.
В Заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Решение сформулированных в диссертации задач, основные из которых носят фундаментальный характер, определяет актуальность выполненных в данной работ е исследований для он гики, физики плазмы и светотехники.
Научная новизна работы состоит в том. что в ней получены новые законы подобия для класса разрядов в смеси легкоионизуемой добавки и буферного газа, на основе этих законов подобия впервые разработан единый подход к описанию разрядов данного класса и исследован ряд разрядов в смеси легкоионизуемой добавки и буферного газа, в том числе впервые с молекулярными добавками, ранее не использовавшимися в качестве излучающих примесей в источниках оптического излучения. Новизна работы заключается также в создании новой методики исследования плазмы, использующей по-
14
добие разрядов, и в дальнейшем развитии существующих методов исследования плазмы, в частности, зондовых методов.
Основные положения, которые выносятся на защиту:
1. Новые законы подобия для класса разрядов низкого давления в смесях легкоиоиизуемых добавок с буферными газами, отличающиеся от известных сокращением на два числа независимых внешних параметров, полностью определяющих свойст ва плазмы. Причины существования новых законов подобия, физический смысл параметров подобия и возникающих инвариантных характеристик положительною столба разряда, пределы применимости новых законов подобия.
Экспериментальная проверка существования новых .законов подобия на примере измерения харакгеристик плазмы импульснопериодического разряда и смеси т/аров ртути с инертными газами.
2. Оригинальная методика применения законов подобия для диагностики плазмы, позволяющая на основе неполного набора экспериментальных данных получить полную информацию о со характеристиках. Возможность применения данной методики к исследованию любых физических систем, в которых существуют какие-либо законы подобия.
Результат применения данной методики для исследования элек-'трокинетических и оптических характерист ик положительного столба разряда постоянного гока и импульсно-периодического разряда в бинарной смеси ларов металлов с инертными газами и в смеси паров металлов с несколькими инертными газами, а также для доказательства существования новых законов подобия в положительном столбе разряда в смесях инертных газов на примере ВЧ-разряда в смеси Аг-№.
15
Результаты применения данной мегодики для оптимизации разрядных источников оптического излучения.
3. Полученные впервые результаты измерений функции распределения электронов по энергиям в положительном столбе разряда в смеси паров ртути с аргоном при повышенном давлении инертного газа в условиях, когда необходимо учитывать диффузионный характер движения электронов в призондовом слое. Построение решения интегрального уравнения, связывающего функцию распределения электронов по энергиям с измеряемыми экспериментально зондовы-ми характеристиками.
Доказательство на основе экспериментальных данных существования новых законов подобия в плазме разряда в смеси паров ртути е инертными газами при повышенных давлениях последних.
Данные расчета функции распределения электронов по энерг иям, совпадающие с результатами эксперимента и под тверждающие правильность предложенной экспериментальной методики.
4. Результаты экспериментальных исследований плазмы ряда разрядов, принадлежащих классу «леїжоионизуемая добавка + буферный газ»: разряда в смеси паров металлов с инертными газами, разряда в смеси молекул фуллерена С60с инертными газами, разряда в смеси молекул гидроксила ОП с инертными газами,.
5. Результаты исследования с привлечением мегодики использования законов подобия процессов заселения ряда уровней атома рту-ги (б'Рь 631\ 7‘во, 8 ^о) в положительном столбе стационарного и импульсно-периодического разрядов. Данные о сечениях ступенчатого возбуждения уровня 6!Р, и относительных вероятностях ступенчатого возбуждения уровней 718о и 8180.
Временная динамика изменения усредненных по времени заселенностей резонансных уровней атома ртути б'Р, и 6’ Рі в импульс-
16
но-периодическом разряде, показывающая при определенных у с линиям разряда превышение усредненными концентрациями резонансных уровней своих значений в разряде постоянного тока при равенстве вводимых в плазму мощностей.
6. Впервые полученный и измеренный спектр излучения в области 258 нм, происхождение которого можно отнести к молекулам фуллсрена Сбо или комплексу с его участием, возникающему в условиях разрядной плазмы.
7 Результаты исследования влияния добавки молекул гидроксила ОН на характеристики разряда в инертном газе. Достижение условий разряда, в которых излучение резонансной полосы гидроксила 306.4 нм превалирует подавляющим образом над излучением атомов инертного газа в видимой и УФ областях спектра (200-ЙЮ0 нм). Оценка эффективности генерации резонансной полосы 306.4 нм и анализ перспектив использования дамкой смеси в разрядных источниках оптического излучения.
Апробация работы и публикации.
Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на международных и всесоюзных конференциях по физике плазмы, физике газового разряда и его приложениям, физике элементарных процессов, науке и 'технологии источников снеіа и. в частности, на 3-ей Всесоюзной конференции ло физике газового разряда (Киев - 1986). на Всесоюзных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Ташкент - 1986, Минск - 1991), па семинаре «Процессы ионизации с участием возбужденных атомов» (Ленинград- 1988), на 10-ой Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Ужгород - 1988), на международных конференциях но явлениям в ионизованных газах (ÏCPIG)
17
(Белград — 1989, Бохум - 1993. Тулуза - 1997), на Европейских конференциях по атомной и молекулярной физике в ионизованных газах (ESCAMPIG) (Орлеан - 1990, С-Петербург — 1992), на 10-ой конференции но газовому разряду и его применениям (Сванси - 1992), на международных симпозиумах по науке и технологии источников света (Киото - 1995, Грейфсвальд - 1998), на 3-ем конгрессе по физике плазмы Французского физического общества (Нанси — 1992).
Общий объем диссертации - 290 страниц, включая 77 рисунков и 11 таблиц. Список литературы содержит 217 наименований.
Основные результаты, включенные в диссертацию, отражены в следующих работах:
1. В.Г.Белов, В.М.Миленин, H.A.Тимофеев. Использование зондо-boj o метода в условиях шумящей плазмы // Жури. техн. физики. 1983. Т.53. С. 166-168.
2. В.М.Миленин, Г.Ю.Нанасюк, И.А.Тимофеев. Физические свойства плазмы слабо! очного стационарного и импульсно-периодического разрядов в смеси паров металлов с инертными газами // Физика плазмы. 1986. Т.12. С.447-453.
3. В.ГЕКаланов, В.М.Миленин, Г.Ю.Нанасюк, Н.А.Тимофеев. Исследование временных зависимостей оптических характеристик плазмы импульсно-периодического разряда в смеси паров ртути с аргоном // Оптика и спектр. 1986. Т.60. С.203-206.
4. В.П.Каланов, В.М.Миленищ Н.А.Тимофеев. Исследование заселенностей резонансных уровней 63Pt и 6lPt атома ртути в плазме разряда в смеси паров ртути с аргоном ff Оптика и спектр. 1986. Т.60. С.967-971.
5. В.М.Миленин, Г.Ю.Нанасюк, Ю.И.Ссргеев, Н.А.Тимофеев. Функция распределения электронов по энергиям в положительном столбе разряда в многокомпонент ной смеси паров металлов с инертными газами // Вестник Ленинтрадского ун-та. 1986. Вып.1. С.119-121.
6. В.ГЕКаланов, В .Л. Костенко, Н.А.Тимофеев. Исследование процессов заселения высоковозбужденных состояний атомов ртути в плазме импульсно-периодического разряда в смеси паров ртути с аргоном // Оптика и спектр. 1987. Т.63. С. 1202-1205.
18
7. V.Kalanov, V.Mileiiin, G.Panasjuk, N.Timofecv. Similarity rules for low-pressure gas discharges in a metal + rare gas mixture If Phys. Lett. A. 1988. V.126, N.5,6. P.336-340.
8. Н.Л.Башлов, ГЛО.Панасюк, 11.А.Тимофеев. Использование подобия разрядов для описания физических свойств плазмы // Оптика и спектр. 1989. Т.66. С.48-51.
9. Н.Л.Башлов, Н.Л.Тимофссв. Процессы возбуждения атомов ртути в импу льсно-периодическом разряде в смеси паров ртути с аргоном /V Оптика и спектр. 1989 Т.66. С.1252-1255.
10. Н.Л.Башлов, ГЛО.Панасюк, Н.А.Тимофсев. К вопросу о подобии газовых разрядов // Жури. техн. физики. 1990. Т.60. С.209-211.
11. В.М.Миленин, Н.А.Тимофсев. 1 1лазма газоразрядных источников света низкого давления. Л.: Изд-во ЛГУ. 1991. 240 с.
12. N.Bashlov, N.Timoffev. The new similarity laws and their application to plasma research//Acta Phys. Slovaca. 1991. V.4L N.5,6.
P.398-402.
13. N.Bashlov, V.Milcnin, G.Panasjuk, N.Timofeev. A new similarity law and its application to plasma research // J. Phys. D: App!. Phys. 1993. V.26. P.410-417.
14. Н.Л.Башлов, JbВан Хьеу, В.М.Миленин, Н.АТимофеев. Исследование <|>ункции распределения электронов по энергиям в положительном столбе Ilg-Ar разряда при повышенном давлении аргона //Жури. гехн. физики. 1994. '1.64,вып.10. С.66-75.
15. Н.Л.Башлов, В.М.Миленин, Н.А.Тимофсев, А.Я.Буль, С.В.Кидалов, С.Б.Козырев. Первое наблюдение излучения фуллере-нов в 1азовой фазе // Письма в ЖЭТФ. 1996. Г.63. вып.9. С.683-687.
16. В.М.Миленин, И. А.Ти.мофеев. А.Я.Буль, С.В.Кидалов. Новые экологически безопасные источники оптического излучения // Актуальные вопросы экологии и жокжеикологии. Труды СПб общества экологии и экотоксикологии. 1998. С.44-50.
Г/. N.Bashlov, Le Van [lieu. V.Milcnin, G.Panasjuk, N.Timofecv. Investigation of a (Hg+Ar)-discharge plasma under an increased pressure of Arand in narrow tubes //J. Phys. 1): Appl. Phys. 1998. V.31. P. 1449-1456.
18. V.M.Milenin, N. A. Timofeev, A.Ya.VuP, S.V.Kidalov,
M. A. Khodorkovskii. Investigation of a glow discharge in a mixture of Ar and OH // ’l ech. Phvs. Lett. 1999. V.25, N.4. P.321-323.
у/
19. A.Vul', S.Kidalov, V.Milenin, N.Timofecv, M.Khodorkovskii. New efficient low-pressure gas discharge source of optical radiation using hydroxyl OH H Tech. Phys. Lett. 1999. V.25, N.l. P.4-6.
20. Н.Л.Башлов, В.П.Каланов, В.М.Миленин, ГЛО.Панасюк,
Н.А. Гимофеев. Исследование временных характеристик плазмы импульсно-периодического разряда в смеси ртути с инертными газами
19
// Тезисы Ш-й Всес. конф. по физике 1X13. разряда. Киев, 1986. Т.2.
С.171-173.
21. НЛ.Башлов, В ГГ.Каланов. В.М.Миленин, Н А Тимофеев. Приложение правил подобия рафядов в смеси ртути е инертными газами к изучению плазмы газоразрядных источников света // Тезисы YII-й Всес. конф. по физике низкотемп. плазмы. Ташкент, 1987. 1.2. С.252-253.
22. В.II.Каланов, В.Л.Костенко, Н.А.Тимофесв. Исследование процессов заселения высоковозбужденных состояний атомов ртути в плазме импульсно-периодического разряда в смеси паров ргути с аргоном И Тезисы Vll-й Всес. конф. по физике низкотемп. плазмы. Ташкент, 1987. Т.1 С.39-40.
23. Н.Л.Башлов, Н.А.Тимофеев. Процессы возбуждения атомов ртути в разряде в смеси паров ртути с аргоном // Тезисы семинара “Процессы ионизации с участием возбужденных атомов”. Ленинград, 1988. С.92-93.
24. Н.Л.Башлов, Н.А.Тимофеев. Исследование процессов возбуждения атомов ртуги в импульсно-периодическом разряде в смеси паров ртути с аргоном //Тезисы Х-ой Всес. конф. по физике электронных и атомных столкновений. Ужг ород, 1988. Т.2. С. 197-198.
25. N.L.Bashlov, V.M.Mileniit, G.Ju.Panasjuk, N. A.Timofeev. The application of the gas discharge similarity for the plasma research // Proc. of the XlXlh ICPIG. Beograd? 1989. 11984-985.
26. N.L.Bashlov, V.M.Milenin, G.Ju.Panasjuk, N. A.Timofeev.
Similarity laws and their application to the plasma research // Proc. of the Xth ESCAMP1G. Orlean, 1990. P. 185-186.
27. N.L.Bashlov, V.M.Milenin, N.A.Timofeev. Peculiarities in the excitation of some mercury atom levels in Hg-Ar discharge plasma ft Proc. of the Xth FSCAMPIG. Oilcan, 1990. P. 187-188.
28. V.P.Kalanov, V.M.Milenin, N.A.Timofeev. The population of mercury atom resonance levels in a pulse-periodic 1 ig-Ar discharge // Proc. of the Xth ESC AM PIG. Orlean, 1990. P.231-232.
29. Н.Л.Башлов, В.М.Миленин, Г.Ю.Паиасюк, Н.А.Тимофеев. Применение законов подобия для оптимизации газоразрядных источников света низкого давления // Тезисы VII Всес. конф. по физике низкотемп. плазмы. Минск, 1991. С.102-103.
30. N.Bashlov, Le Van Hicu, V.Milenin. G.Panasjuk. N.Timofeev. The investigation ofllg-Ar discharge plasma in narrow lubes and under increased pressure // Proc. of the Xith ESC AM PIG. S-Petcrsburg, 1992. P.291-292
31. N.Bashlov, Le Van Hieu, V.Milenin, N.Timofeev, G.Zissis, V.PIagnol. Application of similarity laws to the investigation of the
20
plasma in narrow tubes fluorescent lamps // Proc. of the Xtli Int. Conf. on Gas Discharge and their Appl. Swansea, UK, 1992. P. 136-139.
32. N.Bashiov, V.Milemn. N Timofeev. G.Zissis. Modélisation des decharges Hg-gaz rare basse.pression basee sur le concept des déchargés similaries /; Proc. Ill Congres de la Division Plasma de la Société Fransaisedc Physique. Nancy, France, 1992. P.C6.
33. N.Bashiov, Le Van Hicu, V.Milcnin, N.Timofcev, G.Zissis, K.Sharmda. Investigation of the electron energy distribution function in the plasma of luminescent lamps in narrow tubes under increased pressure // Proc. XXIst ICP1G. Bochum, Germany, 1993. P.246-247.
34. N.Bashiov, V.Milcnin. G.Panasjuk, N Timofeev. Investigation of the electron energy spectrum of compact fluorescent lamps // Proc of the Vllth Int. Symposium on the Science and Technology of Light Sources. Kyoto, Japan, 1995. P.47-48.
35. N.Bashiov, V.Milcnin, N.Timofeev, G.Panasjuk. Investigation of the clcctrokinctic characteristics of compact fluorescent lamps /7 Proc. of the Vllth Int. Symposium on the Science and Technology of Light Sources. Kyoto, Japan, 1995. P .49-50.
36. V.Milcnin. N.Timofcev, S.Kidalov, S.Kozyrev, A.VuL. The effective low-pressure gas discharge source of optical radiation based on hydroxyl OH//Proc. of the XXIIId ICPIG. Toulouse, France. 1997. V.3. P.56-57.
37. V.Milcnin. N.Timolcev, S.Kidalov, S.Kozyrev, A.VuL. F'ullerene as a new emitting additive for a low pressure gas discharge light source // Proc. of the XXllid 1CP1G. Toulouse. France, 1997. V.3. P.54-55.
38. V.Milenin. N.Timoleev, S.Kidalov, S.Kozyrev, A.Vul. Fullerene C60 as a new emitting additive for a low pressure gas discharge light source//Proc. of the Vnilh Int. Symposium on the Science and Technology of Light Sources. Greifswald, Germany, 1998. P.268-269.
39. N.L.Bashlov, A Ya.VuF. S.V.Kidalov, S.V.Kozvrcv, V.M.Milenin. N.A.Timofeev. A metliod of producing optical radiation and a discharge lamp for this purpose // Russian Patent 2074454, priority date 01.08.95, Europian Application (DE, FR, GB) EP 0843337 A1 published 20.05.98, Bulletin 1998/21, Application number: 96927954.6; USA Application 09/011, 150; Japan Application 507, 513/97; China Application
96197345.5.
21
Глава 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ
В СМЕСЯХ ГІАРОВ МЕТАЛЛОВ С ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИ.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
I азовый разряд в смеси лсгкоиолизуемьгх элементов с буферными газами, наиболее хорошо изученным представителем которого является разряд в смеси паров ртути с инертными газами, занимает особое место среди газовых разрядов низкого давления. Причина этого заключается в том, что в широком диапазоне разрядных условий легкоионизуемая добавка определяет!' процессы ионизации, излучение и энергетические потери электронов в положительном столбе. а буферный газ отвечает только за процессы переноса частиц (за исключением фотонов) в объеме плазмы.
С одной стороны, отмеченное разделение ролей позволяет варьированием условий разряда изменять существенно одни характеристики положительного столба без заметного влияния на другие и тем самым относительно легко получать плазму с заданными свойствами. с другой стороны, превалирование неупругих потерь, связанных с атомами легкоионизуемой добавки, в балансе энергии электронов дает возможность эффективно преобразовывать электрическую энергию в излучение. В случае разряда в смеси паров ртути с инертными газами отмеченные свойства плазмы позволили выбрать условия, в которых основная доля энергии электронов расходуется на возбуждение резонансного излучения ртути, что было крайне важно для создания эффекгивных источников оптического излучения -ртутных люминесцентных ламп. Нее это определило постоянный ин-
22
терес исследователей к таким разрядам и, прежде всего, к разряду в смеси ртути е инертными газами. В связке последним замечанием отметим, что практически во всех работах, посвященных исследованию или моделированию разряда в смеси паров ртути с инертными газами, учитывалась в той или иной мере прикладная сторона проблемы и ставилась задача получения или описания таких характеристик плазмы, которые непосредственно связаны с характеристиками люминесцентных ламп.
В число рассматриваемых разрядов, наряду с разрядом в парах ртути с инертными газами, можно включить разряды низкого давления в смесях паров ряда металлов с инертными газами (потенциалы ионизации атомов металлов, как правило, заметно меньше потенциалов ионизации атомов инертных газов), и прежде всего с атомами металлов, имеющих сходную с ртутной электронную оболочку (цинк кадмий), а также с атомами других металлов (натрий, калий, цезий, рубидий, галлий и др.), в которых удается подобрать разрядные условия. обеспечивающие превалирование в балансе энергии электронов потерь энергии на возбуждение и ионизацию атомов данных металлов, и которые, в том числе и но этой причине, используются как источники оптического излучения 111. К числу рассматриваемых разрядов потенциально мот быт ь отнесены т акже любые другие разряды в смеси лсгкоионизусмой добавки с буферным газом, если процессы ионизации и возбуждения связаны практически только с легкоионизуемой добавкой, если сю определяется баланс энергии электронов и если отсутствуют какие-лиГх) плазмохимические реакции, влияющие кардинальным образом на свойства плазмы Легкоионизуемая добавка может быть в принципе и молекулярной.
23
§1.1. Плазма разрядов в смесях паров металлов с инертными газами.
Наиболее .хорошо изученным, как уже отмечалось, является разряд в смеси паров ртути с инертными газами.
К одним из первых работ, посвященных экспериментальному изучению свойств разряда в парах ргуги с инертными газами, относятся работы наших соотечественников Б.Н.Клярфелъда и В.Л.Фаб-риканта с сотрудниками [8-18]. Эти работы были стимулированы потребностью в создании новых источников света - люминесцентных ламп. Главное внимание в них уделялось вопросам выхода резонансного излучения из объема разряда и изучению процессов формирования заселенностей резонансных уровней атомов рту» и, при этом особое внимание уделялось уровню 63РЬ с которого происходит излучение резонансной линии 253.7 нм. В этих работах впервые была показана важность процессов перемешивания триплет иых состояний атомов ртути 63Р электронным ударом в заселении резонансного уровня 6Ч?1 и сильное влияние а юмов инертного г аза на вероятность выхода резонансного излучения ртути из объема плазмы за счет столкновигельного уширения контуров резонансных линий.
II работах [16-1было проведено также сравнение полученных в эксперименте концентраций 63Ратомов с расчетом. Учитывались переходы между возбужденными состояниями, а эффективная вероятность вылета резонансных фотонов из объема рассчитывалась но приближенному методу эффективного времени жизни [19]. Была установлена нечувствительность теоретической величины эффективной вероятности вылета фотонов к степени строгости учета радиационного переноса возбуждения из-за интегрального характера этой величины. 11реимущества строгой теории, разработанной в [20-23],
24
проявлялись лишь при расчете распределений излучающих атомов /то сечению разряда.
Анализ положительною столба 40-вагной р/ушой люминесцентной лампы был проведен в работе К.Кенти [24]. На основе данных по измерению электронной температуры и плотности электронов, полученных в [25], а т акже собственных измерений заселенностей 3Р-уровней атомов ртути К.Кенти получил картину излучения разряда для конкретных условий работы люминесцентной лампы. В частности, он рассчитал вероятности возбуждения и тушения возбужденных состояний а томов ртути и лучистый поток, испускаемый положительным столбом. Анализ процессов возбуждения и дсвозбуж-деиия уровней атомов ртуш подтвердил сделанный ранее вывод о том, что возбуждение резонансного уровня атома ртути 6‘1\ с которого испускается резонансная линия 253.7 нм, происходит в основном из метастабильных состояний 63Род. Предположение о максвелловском распределении электронов по скоростям ие позволило К.Кен ти достичь количественно правильных результатов, тем не менее, достоинством данной работ ы можно считать построение качественно правильной картины генерации излучения положительным столбом рассматриваемого разряда.
Первая попытка описания элскгрокинетических характерис тик плазмы разряда л смеси ргу ти с инертными газами в разрядных условиях, близких к условиям работы люминесцентных ламп, насколько нам известно, была предпринята Дж.Уэймаусом и Ф.Битгсром 126). Полагая, что в разряде ионизация и возбуждение определяются полностью ртутью (инертный газ играет рол/, буферного газа), йота ртути гибнут //а стенках разрядной трубки за счет амбиполярной диффузии, а распределение электронов по скоростям - максвелловское. авторам удалось рассчитать температуру и плотность электро-
25
нов, напряженность электрического ноля, заселенное!и возбужденных атомов ртути на уровнях 63Р и проанализировать баланс энергии электронов в положительном столбе. Хорошее согласие результатов расчета с данными экспериментальных исследований достигалось с помощью введения ряда подгоночных коэффициентов.
Исследование, аналогичное [26], было проведено также М. Кай-лесом [271. В отличие от работы Дж.Уэймауса и Ф.Биттера,
М.Кайлес не использовал усреднения переменных по сечению разряда, счи тая их функциями текущего радиуса. Это позволило избежать введения подгоночных параметров, что привело к худшему, чем в [26] согласию результатов расчета с данными экспериментальных исследований. Заметим, однако, что главной причиной возникших несоответствий, по нашему мнению, явилось использование предположения о максвелловском распределении электронов по скоростям.
11срвыс достаточно падежные экспериментальные исследования функции распределения электронов по энергиям, проведенные в 60-е годы [28-30], а также теоретические работы [31,32], посвященные нахождению функции распределения из кинетического уравнения, показали сильную нсравновссность энергетического распределения электронов за порогом возбуждения атомов газа в слаботочном раз-ряде низкого давления (исключая очень низкие давления (< 10" -И0" Тор), в которых наблюдается максвелловское распределение электронов по скоростям - так называемый “парадокс Ленгмюра” (см. наир. [33])). Однако вплоть до последнего времени этот факс часто игнорируется и делаются попытки построения моделей положительного столба разряда в смеси ртути с инертными газами с использованием предположения о равновесности распределения электронов по скоростям (см. напр. [34,351).
26
Следующим естественным шагом стал учет неравновесное ги распределения электронов но энергиям при моделировании газоразрядной плазмы, в том числе - плазмы разряда в смеси ртути с инертными газами. Одной из первых была попытка учест ь недостаток быстрых электронов в “хвосте” функции распределения по энергиям путем ее представления в виде так называемой “двухтемпературной” функции распределения, предпринятая Л.Вриенсом [36]. Энергетическое распределение электронов представлялось состоящим из двух групп элекгронов: 1) “медленных” электронов с энергиями до порога возбуждения атомов ртути, распределенных равновесно с температурой 7’еь И 2) “быстрых” электронов, имеющих энергию больше порога возбуждения атомов ртути, с температурой Тс2 < Тс[. Температура “быстрых” элект ронов выбиралась автором таким образом, чтобы получить согласие с экспериментом.
Аналогичное представление энергет ическою распределения электронов в виде “двухтемпературной” функции распределения было использовано также Дж.Дакином [37]. Он построил модель положительного столба (1ф>+Аг)-разряда с учетом радиальных неоднородностей параметров плазмы. Сравнение результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными для трубок стандартного радиуса Я = 1.8 см и с меньшим радиусом Я = 1.4 см дало удовлетворительное согласие.
Более ст рог ий подход к описанию положительного столба разряда в смеси паров ртути с инертными газами был предпринят в работах немецких физиков Дж.Вильхельма, Р. Б. Вин клера и Р. Винклера [38-431. На основе совместного численного решения кинетического уравнения и уравнений баланса для плазменных характеристик (при этом использовались экспериментальные данные о напряженности продольного элект рического поля в положительном столбе разряда)
27
- Київ+380960830922