2
Содержание
Введение. 4
Глава 1. Экспериментальные установки и методики измерений.
1.1 Экспериментальные установки.
1.1.1. Установка для исследований в тлеющем разряде. 10
1.1.2. Установка для исследования оптогальванического эффекта в СО - лазере. 17
1.2 Методика измерения электрического поля и
концентрации электронов в разряде. 20
1.3 Методика измерения концентрации возбуждённых
атомов Не и Аг в разряде и послесвечении. 23
Глава 2. Обнаружение и исследование эффекта возникновения “темной фазы” развития положительного столба тлеющего разряда.
2.1 Введение. 31
2.1 Литературный обзор 33
2.3 Экспериментальные результаты 39
2.4 Обсуждение экспериментальных результатов и
результатов численного моделирования. 53
2.5 Заключение 75
Г лава 3. Процессы ионизации N2, возбуждения и дезактивации электронных состояний N2 и N2' в разряде и в послесвечении в смеси Аг- N2.
3.1 Введение. 77
3.2 Литературный обзор. 78
3.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение. 80
3.3.1 Распад состояния А3£и" молекулы N2 80
3.3.2 Процессы возбуждения состояния С3Пи молекулы N2 84
3
3.3.3 Процессы возбуждения состояния В2£ц иона N2
в разряде и послесвечении. 88
3.4 Выводы. 104
Глава 4. Оптогальванический эффект и процессы ионизации в активной среде проточного СО-лазера с криогенным охлаждением.
4.1 Введение. 114
4.2 Обзор литературы. 115
4.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение.
Построение численной модели. 120
4.4 Выводы. 145
Заключение.
Литература.
147
149
4
Введение
Разряд в инертных газах и их смесях с молекулярными добавками является объектом исследований в очень большом, количестве работ. Интерес к исследованию элементарных процессов в таком разряде обусловлен его широким распространением во многих областях научных исследований, а также в промышленности. Прежде всего сюда следует отнести газовые лазеры, активной средой которых является газовый разряд в смеси инертных газов (Не - Ne лазер) или в смеси инертного газа с молекулярными добавками (СО - лазер, ССЪ и NO2-лазер, азотный лазер и др.) Эти лазеры очень широко распространены, так как они совмещают в себе одновременно хорошие когерентные свойства лазерного луча и большую мощность генерации. Знание элементарных процессов и констант их скорости в таких объектах необходимо для их теоретического моделирования и оптимизации работы. .Молекулярные добавки к инертным газам могут при определенных условиях играть заметную роль в ионизации. В этой связи представляется важным выяснение основных механизмов ионизации и измерение констант их скорости, поскольку эти процессы определяют баланс заряженных частиц и величину Е/N, которая полностью определяет состояние электронной компоненты плазмы. Без знания Е/N невозможно описание любых процессов, связанных с электронным возбуждением в плазме.
Молекулярные добавки могут оказывать существенное влияние на устойчивость разряда, появление страт и шумов, на характер установления стационарных характеристик положительного столба при его зажигании.
Стационарная и распадающаяся плазма (послесвечение) в смесях инертных газов с молекулярными добавками широко используется для изучения элементарных процессов, происходящих с участием молекул, измерения вероятностей, сечений и констант скоростей реакций. Использование смесей инертных газов с малыми добавками молекулярных особенно удобно для этих целей, так как малое парциальное давление примеси в буферном газе делает
5
маловероятными столкновения молекул друг с другом, уменьшает скорость столкновительной дезактивации и как следствие существенно упрощает анализ экспериментальных данных и построение теоретических моделей.
Плазма в смесях инертных и молекулярных газов может быть использована также для моделирования верхних слоев атмосферы.
Большой интерес имеет место в настоящее время к изучению разряда в смеси Ат - N2 , который является основой многих технологических процессов. В частности реакция перезарядки в такой смеси (перезарядка ионов аргона на N2 и обратный процесс) является одним из самых изучаемых элементарных процессов. Константы скорости этих процессов достаточно надежно измерены, однако вопрос о возможности возбуждения высоколежащих электронных состояний иона азота (В‘£и*) при перезарядке до конца не выяснен.
При исследовании примесей инертных и молекулярных газов можно априори предположить, что большую роль в ионизации играют процессы, в которых участвуют либо метастабильные атомы, либо колебательно -возбужденные молекулы, концентрация которых может быть большой. Диссертация посвящена исследованию таких процессов ионизации и их влиянию на формирование и характеристики положительного столба тлеющего разряда. Исследования проводились в различных смесях инертных и молекулярных газов (Не - СО, Не - N2, Аг - N2), а также в чистом гелии. Сказанное выше определяет актуальность темы диссертации
Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения В первой главе описаны экспериментальные установки, которые были использованы при выполнении работы, а также использованные в работе оптические и зондовые методы. Использовались две установки Одна из них предназначалась для исследований в плазме тлеющего разряда. Вторая установка была создана в Боннском университеге на основе электроразрядного СО лазера с криогенным охлаждением и использовалась при выполнении исследований плазмы лазера.
6
Во второй главе исследуется обнаруженное нами явление ‘‘темной фазы” развития положительного столба тлеющего разряда в смесях гелия с СО, N2 и в чистом гелии, суть которого состоит в том, что в начале разрядного импульса наблюдается полное отсутствие свечения плазмы в течение некоторого промежутка времени. Выясняются причины и условия его появления, а также роль процессов ионизации с участием метастабильных атомов (реакция Пеннинга, парные столкновения) в возникновении данного эффекта. Дается качественное объяснение наблюдаемых результатов. Описывается созданная теоретическая модель, которая на основе как аналитических, так и численных расчетов позволяет удовлетворительно описать наблюдаемые закономерности.
Третья глава посвящена процессам возбуждения и дезактивации электронных состояний молекулы азота и иона азота (рис. В.1) в разряде и в послесвечении в смеси Аг - N2. Основное внимание уделено исследованию процессов заселения состояния Ы2+(В21и4). Показано, что основным как в разряде, так и в послесвечении является процесс с участием долгоживущих возбужденных частиц - колебательно-возбужденных молекул азота в основном состоянии и ионов Аг+. В результате проведенных измерений определена константа скорости этой реакции.
Исследуются также процессы возбуждения и дезактивации состояний А31„" и С3Пиг молекулы N2, приводятся данные измерений концентрации молекул Ы2(А3£и+) и атомов N.
В четвертой главе изучается оптогальванический эффект в проточном электроразряд ном СО - лазере с криогенным охлаждением в режиме генерации на одном колебательно - вращательном переходе. Изучаются временные зависимости тока и напряжения на разрядном промежутке при периодическом включении и выключении генерации. Создана теоретическая модель на основе расчетов функции распределения молекул СО по колебательным уровням и предположения, что основным механизмом ионизации является кумулятивный процесс с участием -колебательно-возбужденных молекул СО и молекул СО в метастабильном
7
С'^и
с3пи
- а\
О 2, ц
н(У)+н(гр°)
Н[гВ*М(гВ°) I
Ф')* Щ2Р°)
н(*з*)Ч2р°)
Рис. В. 1. Потенциальные кривые N2, N2' и N2'
8
состоянии. Имеет место хорошее качественное согласие модели с полученными экспериментальными данными.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Y. Z. Ionikh, Y. G. Utkin, N. V. Chernysheva Peculiarities of initial stage of glow discharge in helium with molecular gas admixtures // Proc International school -seminar “Nonequilibrium processes and their applications'’, Minsk, Belarus, 1994, p. 126-127
2. Ю. 3. Ионих, Ю Г. Уткин, H. В Чернышева, А. С. Евдокименко “Тёмная’’ фаза развития положительного столба тлеющего разряда // Физика плазмы, 1996, Т. 22, № 3, с. 289-297.
3. Y. Z. Ionikh, Y. G. Utkin, N. V. Chernysheva.New effect in positive column of glow discharge: a “dark” phase in initial stage of development // Proc. 28Ih EGAS, Graz, Austria, 1996, p. 510-511.
4 Y. Z. Ionikh, Y. G. Utkin, N. V. Chernysheva.New effect in initial stage of a glow discharge: a “dark” phase of the positive column // Proc. ESCAMPIG XIII, Poprad, Slovakia, 1996, p. 153-154.
5. Y. Z Ionikh, Y. G. Utkin, N. V. Chernysheva.New effect in the positive column of a glow discharge: a “dark” phase of initial stage of development // Proc. International school -seminar “Nonequilibrium processes and their applications”, Minsk, Belarus, 1996, p. 134-1036
6. А. С Евдокименко. Ю 3. Ионих, 10 Г. Уткин, Н. В. Чернышева. Обнаружение и
исследование эффекта возникновения “темной фазы“ развития положительного столба тлеющего разряда//Тезисы ФНТР-95, Петрозаводск, 1995, стр 279-281
7. A. Evdokimenko, Y. Ionikh, Y. Utkin, N. Chernesheva. Energy pooling reaction of ionization of N2 to state in Ar - N2 discharge plasma If Proc 29lh EGAS, Berlin, Germany, 1997, p 551-552.
9
8. Ю. Г. Уткин, А. С. Евдокименко, Ю. 3. Ионих, Н. В. Чернышева. Возбуждение 1 - й отрицательной системы полос азота в разряде и в послесвечении в смеси Аг-N2// Оптика и спектроскопия, 1999, том 86, N0 6, с. 938-945.
10
ГЛАВА 1.
Экспериментальные установки и методы исследований.
1.1 Экспериментальные установки.
1.1.1. Установка для исследований в тлеющем разряде.
В работе, результаты которой изложены во второй и трегьей главах данной диссертации использовалась экспериментальная установка, схема которой изображена на рис. 1.1 Ее основой являлась разрядная трубка из молибденового стекла длиной 170мм и внутренним диаметром 31мм. Трубка имела вынесенные окна. Переднее окно было кварцевым Во избежании изменения состава исходной смеси в результате электрофореза, применялась непрерывная протяжка газа через трубку. Прокачка осуществлялась с помощью форвакуумного насоса. Смесь подавалась через игольчатый натекатель, который позволял регулировать давление в потоке, и медный капилляр, охлаждаемый жидким азотом, где происходила дополнительная осушка и очистка газа. Давление в разрядной трубке измерялось V-образным манометром.
Для проведения исследований использовался чистый Не и смеси Не + (0.02-0.2%)^, Аг + 1% N2 при давлениях р=1-5Торр и токах і—4-80 мА. Время пребывания газа в трубке составляло ~1с. Температура газа в смесях для рассматриваемых условий, как показывают проделанные нами расчеты [20] не превышала 360К, а в разряде в гелии практически не отличалась от комнатной
Разрядная трубка питалась от высоковольтного выпрямителя (ВВ) через балластное сопротивление Ял. Для периодического обрыва разряда использовали схему шунтирования (СШ) (рис. 1.2), собранную на лампе ГМИ, и присоединённую параллельно трубке. Схема управлялась импульсами с генератора Г5-56 При поступлении импульсов лампа закрывалась и напряжение от ВВ прикладывалось к трубке. Длительность фазы разряда варьировалась от 1 до 4 мс, период повторения разрядных импульсов - от 5 до 16 мс
мед
ФЭУ-106
Рис. 1.1 Блок - схема экспериментальной установки.
ПК - разрядная трубка с полым катодом. СШ - схема шуктирвакия.
ВВ - высоковольтный выпрямитель. Г5-56 -задающий генератор.
МСД -монохроматор.
Ф-5041 - частотомер.
ЗС - схема для зондовых измерений
С1 -83 - блок питания ЗС
УФ - усилитель-формирователь импульсов.
Кем - балластное сопротивление.
Патыа ллто*
12
+ вв
п
Рис. 1.2 Схема шунтирования.
13
Для провеления измерений концентрации метастабильных атомов Не и Аг методом поглощения использовали просвечивающую трубку с цилиндрическим полым катодом (ПК) длиной 20 мм и диаметром 3 мм, установленную на оси основной трубки за ней. ПК питался от стабилизированного выпрямителя БЗ-З. Предварительно ПК откачивался и затем наполнялся чистым Не (при измерениях концентрации метастабильных атомов гелия) или рабочей смесью Аг-Кг (при измерениях концентрации метастабильных атомов Аг) Излучение ПК фокусировалось линзой (£ = 75 см) на входную щель монохроматора с дифракционной решёткой 1200 пггрихов/мм., куда попадало также излучение разрядной трубки. На пути световых потоков обоих источников перед линзой была установлена диафрагма, которая пропускала световой поток только из нриосевой части разрядной трубки.
Оптический сигнал регистрировался ФЭУ-106 в режиме счёта фотонов. Импульсы с ФЭУ после прохождения усилителя и формирователя подавались на многоканальный реверсивный счетчик импульсов (СИ) разработки Г. В. Жувикина и В. А. Иванова. Счётчик первоначально имел 64 канала. Ширина канала могла варьироваться от 0.25 до 512 мкс. Максимальная скорость счета составляла 200000 имп./сек. Запуск СИ осуществлялся с помощью импульсов от Г5-56 (второй канал), синхронизированных с разрядными импульсами.
При помощи СИ исследоватось поведение во времени концентрации метастабильных атомов и интенсивности излучения молекулярных полос и атомарных линий. Поведение во времени электрокинетических параметров плазмы (пс и Е/Ы) изучалось методом 2-х зондов.
Для исследований, результаты которых изложены в третьей главе использовалась газовая смесь, содержащая 99% Аг и 1% Ы? (концентрация посторонних примесей < 0,01%). К начату исследований была проведена модернизация системы регистрации. Счетчик импульсов был существенно модернизирован А. Евдокименко. Было увеличено число каналов (до 256), сконструирована плата ввода-вывода, что позволило управлять счетчиком и
- Киев+380960830922