Исследование неравновесных процессов методом зондирования излучением диодного лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

§1. Газодинамическое охлаждение молекул.

§2. Импульсный источник сверхзвуковой струи с предварительным нагревом газа.

§3. Применение вычислительной техники в эксперименте.

§2. Описание эксперимента.25

§2.1 Построение частотной калибровки излучения лазера и индентификация линий поглощения.29

§2.2 Аппроксимация нулевого уровня поглощения.29

§2.3 Идентификация спектральных линий.30

§2.4 Распределение в струе.34

§2.4.1. Вращательное распределение.34

§2.4.2. Колебательное распределение.36

§2.5 Выводы.37

Основные результаты диссертации можно кратко сформулировать следующим образом:

1. Создана аппаратура для исследования некоторых неравновесных молекулярных процессов методами диодной лазерной спектроскопии высокого разрешения, вклющающая в себя а) импульсный источник с регулируемой длительностью импульса плоской сверхзвуковой струи большой протяженности 30 см с возможностью предварительного нагрева исследуемого газа до высоких температур (« 1000°С), б) устройство для создания линейно - протяженного источника десор-бирующихся в вакуум молукул газа, в) инфракрасный диодный лазерный спектрометр с автоматической импульсной регистрацией адсорбционных спектров исследуемых молекул.

2. Впервые экспериментально зарегистрированы разрешенные по вращательной структуре ИК спектры т.н. горячих полос метана в условиях газодинамического охлаждения в сверхзвуковой струе. Проведена идентификация наблюдаемых линий с учетом всего известного в литературе массива спектральных данных о метане. Компьютерный расчет полученных данных позволил найти распределение молекул по колебательным уровням в группах уровней т.н. полиад. Показано, что в исследованных группах уровней (пентады - диады, октады - пентады) распределения по уровням характеризуются различной температурой.

3. Впервые экспериментально зарегистрированы разрешенные по вращательной структуре спектры десорбирующихся с поверхности титана молекул С02 в спектральном диапазоне 1§мкм) полосе поглощения, соответствующей деформационной моде. По наблюденным спектрам определены распределения десорбирующихся молекул по колебательным и вращательным уровням. Обнаружено колебательное сверхравновесное возбуждение и эффект вращательного охлаждения при десорбции молекул СО<2 с поверхности титана

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю проф. Г.С. Баронову, ст. науч. сотр. к.ф.-м.н. Д.К. Бронникову за плодотворное сотрудничество и всестороннюю помощь. Автор глубоко признателен академику В.Д. Русанову и доценту С.М. Коршунову за активную поддержку работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Лазерная спектроскопия атомов и молекул. Под ред. Г.Вальтера, Мир, Москва, 1979.

2. Демтредер В., Лазерная спектроскопия, Наука, Москва, 1985, ее. 313-323.

3. Guelashvlli G. Near infrared wide-band spectroscopy with 27 Mhz resolution. Appl. Opt. 1977, v. 16, pp. 2097-2100.

4. Moulton P.P., Larsen D.M., Walpole J.N., Mooradian A., High resolution double-resonance spectroscopy of — z/3 transitions in SF$. Opt,Lett., 1977, v. 1, No. 1, pp. 51-56.

5. Patterson C.W., McDowell R.S., Moulton P.P., Mooradian A. High resolution double-resonance spectroscopy of 2ь>з — //3 transitions in SFq. Opt. Lett., 1981, v. 6, No. 2, pp. 93-95.

6. Dubs M., Harracline D., Schweitzer E., Steinfeild J.I., Infrared double resonance of SFq with a tunable diode laser. JCP 1979, v. 71, No. 9, p. 3648.

7. Dubs M., Harradine D., Schweitzer E., Steinfeild J.I. Infrared double resonance of SFq with a tunable diode laser. III. Observations of '27У3 —1/3 transitions and relaxation in V3 = 1. J. Chem. Pliys. 1982, v. 77, No. 7, pp. 3824-3839.

8. Баронов Г.С., Бритов А.Д., Бронников Д.К,, Караваев С.М,, Курбатов Л.Н., Исследование методом двойного ИК- резонанса перехода//3 молекул SFq, переохлаждённых в сверхзвуковом потоке. Квантовая электроника, 1984, т, 11, № 2, сс. 371-374.

9. Ohchima Y., Matsumoto Y., Takami M., Yamamoto S., Kuchitsu K. IR-inicrowave double resonance and diode laser spectroscopy of the v^jv^ bands of Sn#4, J. Chem. Phys. 1987, v. 87, No. 9, pp. 5141-5148.

10. Апатии B.M., Кривцун B.M., Курицын Ю.А., Макаров Г,Н., Пак И., Диодная спектроскопия молекул SFq, охлаждённых в импульсной струе, при ИК многофотонном возбуждении. Письма в ЖЭТФ, 1983, т. 37, сс. 365-368.

11. Надеждинский А,И. Диодная лазерная спектроскопия многоатомных молекул. Дисс. докт. физ.-мат. наук, М, 1986, 343 с,

12. Scappini F. Kreiner W.A., Prye J.M", Takeshi 0. Radio frequency-infrared double resonance spectroscopy of OsO4. J. Mol. Spectrosc., 1984, v. 106, pp. 436-440.

13. Levy D.H. Laser spectroscopy in ultrasonic jets. v. 11, Bradly ed. Academic Press. New-York, 1977.

14. Travis D.N, McGurk J.G. Diode laser spectroscopy in supersonic jets. Chem. Phys. Lett. 1977, v. 45, p. 287-288.

15. Gough Т.Е., Miller R.E., Scoles G. Structure and vibrational dynamics of the С0-2 dimer from sub-Doppler infrared spectrum. J. Chem. Phys. 1988, v. 88, No. 4. pp. 2185-2191.

16. Smalley K.E., Rairiakrishna B.L., Levy D.H. Laser spectroscopy of supersonic molecular beam: application to the NO2 spectrum. J. Chem. Phys. 1974, v. 61, pp. 4363-4370.

17. Krohn В.J., Overend J., Force-field model for the stretching anharmonicities of SFq. J. Phys. Chem. 1984, v. 88, p. 564-574.

18. Амбарцумян P.В., Летохов B.C., Рябов E.A., Чекалин H,B. Изото-пически селективная химическая реакция молекул ВС1^ в сильном инфракрасном поле лазера. Письма в ЖЭТФ, 1974, т. 20. сс. 597599.

19. Багратишвили В.Н., Летохов B.C., Макаров А.А. Рябов Е.А., Многофотонные процессы в молекулах в инфракрасном лазерном поле. Итоги науки и техники, т.2 (1,2), ВИНИТИ, Москва, 1980.

20. Ликальтер А.А. О релаксации симметричной моды колебаний С (З2, Журнал приют, мех. и тех. физики, 1975, № 3, сс. 8-10

21. Баранов А.Н., Волков А.Ю., Демин А.И., Кудрявцев Е.М. Электрогазодинамический лазер на переходах между уровнями спаренных мод молекулы СКв. электроника, 1985, т. 12, № 11, сс. 22022204.242930 31 [323334 35

22. Веденеев А.А., Волков А.Ю., Демин А.И,, Логунов А.Н., Кудрявцев Е.М. Генерация газодинамического лазера на переходе 03*0 — 10°0 С02 в районе 18 микрон. Письма в ЖТФ, 1978, т.4, в. 11, сс. 681-683.

23. Алимпиев С.С., Баронов Г.С., Караваев С.М., Хохлов Э.М., Штар-ков А.П., Мерзляков А.В., Никифоров С.М., Сартаков Б.Г, Диссоциация молекул SFq в ИК лазерном поле в условиях газодинамического охлаждения. Квант, электроника, 1983. т.10, № 2, сс. 376-383.

24. Русанов В.Д., Фридман А.А., Физика химически активной плазмы. М., Наука. 1984. 416 с,

25. Patterson C.W., Krolm В.J., Pine A.S. Interacting band analysis of the high-resolution spectrum of the З/^з manifold of SFq. J. Mol. Spectrosc., 1981, v. 88. pp. 133-166.

26. McDowell R.S., Galbraith H.W., Cantrell C.D., Nereson N.G., Hindley E.D. The 7У3 Q-branch of SFq at high resolution. J. Mol. Spectrosc., 1977, v. 68, pp. 288-298.

27. Bobin В. Borde C'.J. Borde J., Breant C. Vibration-rotation molecular constants for the ground and = 1 states of ^2SFq J. Mol. Spectrosc., 1987. v. 121. pp. 91-127.

28. Patterson C.W. Doppler-free two-photon spectroscopy of the band of SFq. J. Mol. Spectrosc., 1984, v. 109, pp. 31-41.

29. Rothman L.S. Infrared energy levels and intensities of carbon dioxide. Applied Optics, 1986,

30. Азизов P.И., Потапкин Б.В., Русанов В.Д., Фридман А.А. Газодинамическое стимулирование процесса разложения углекислого газа, ДАН СССР, 1986, т. 286, № 5, сс. 1143-1146.

31. Dang С., Reid J., Garside В.К. Dynamics of the C02 upper laser level as measured with a tunable diode laser. IEEE of Quantum Electronics, 1983, v. QE-19, No. 4, pp. 755-763.

32. Dang C., Reid J., Garside B.K. Dynamics of the CO-j lower laser levels. Appl. Phys. B, 1983, B31, pp. 163-172.1.gay Г., Legay-Sommaire N., Taub G. Mechanism of a CO — N2 laser. Canadian J. of Pliys., 1970, v. 48, p. 1949-1955.

33. Nonequilibrium Vibrational Kinetics. In: Topics in Current Physics. Editor Capltelli M., Springer-Verlag, 1988.

34. Treanor C.E., Rich J.W., Rehm R.G. Vibrational relaxation of anliarmonic oscillators. J. Chem. Phys. 1968, v. 48, No. 4, p 1798.

35. Dang C., Reid J., Garside B.K. Detailed Vibrational populati distributions in a CO2 laser discharge as measured with a tunable diode laser. Appl. Phys. B, 1982, v. 27, pp. 145-151.

36. Zacharias Н., Loy М., Roland P., Sub do A. Rotational and electronic relaxation in pulsed supersonic beams of NO seeded in He and Ar. J. Chem. Phys. 1984, v. 81, pp. 3148-3157.

37. Беликов A.E. Зарвин A.E., Карелов H.B., Сухинин Г.И., Шара-футдинов Р.Г. Нарушение больцмановского распределения заселенностей вращательных уровней в свободных струях азота. ПМТФ 1984. № 1. сс. 12-18.

38. Davies Р.В., Morton-Jones A.J. IR diode laser spectroscopy in molecular beams. Infrared Phys., 1985, v. 25, No. 1. p. 215-218.

39. Бакастов С.С. Конюхов В.К., Тихонов В.И. Неравновесная вращательная функция распределения для молекул D2O в разрежённой сверхзвуковой струе. ПМТФ 1985. № 3, сс. 28-32.

40. Бакастов С.С'., Конюхов В.И., Тихонов В.И. Кинетически изолированные подсистемы вращательных уровней молекулы тяжёлой воды при атом-молекулярных столкновениях. Письма в ЖЭТФ, 1983, т.37. в. 9, сс. 427-429.

41. Venkateshan S., Ryali S.B., Perm J. Therminal distributions of rotational energy in free jets of CO2 by infrared emission spectroscopy. J. Chem. Phys. 1982, v. 77, No. 5, pp'. 2599-2606.

42. Карелов M.B., Шарафутдинов P.Г. Вращательная релаксация в потоке конденсирующегося газа. В кн.: Сб. научных трудов ИТФ СО АН СССР. Молекулярная газовая динамика. Новосибирск, 1980, сс. 28-33.

43. Карелов Н.В., Ребров А.К., Шарафутдинов Р.Г. Заселённость вращательных уровней молекул азота при неравновесной конденсации в свободно расширяющемся газе. ПМТФ, 1978, № 3, сс. 3-10.

44. Рич.Дж. У. Столкновительные процессы в химических лазерах. В кн.: Газовые лазеры. 1986, Москва, Мир, под ред, И.Мак-Даниэля и У.Нигена, сс. 125-166.

45. Гордиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин J1.A. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М., Наука, 1980, 512 с.

46. Карлов Н.В., Орлов А.Н., Петров Ю.Н., Прохоров A.M. Возможность получения инверсии на переходах 10°0 — 0110 и 02°0 — 01*0 молекулы С О2 в режиме газодинамического охлаждения. Письма в ЖТФ* 1977, т. 3. в. 3, сс. 123-125.

47. Silvera J.F., Tommasini P. Intracavity raman scattering from molecular beams: direct determination of local properties in an expanding jet beam. Pnys. Rev. Lett. 1976, v. 37, pp. 136-138.

48. Veeken K., Reuss J. Infrared line narrowing and cluster absorption in a planar jet. Appl. Phys. B, 1985, v. 38, pp. 117-124.

49. Конюхов В.К., Прохоров A.M., Тихонов В.И., Файзулаев В.Н. Вра-щательно селективная конденсация и разделение спин-модификаций воды и тяжёлой воды. Изв. АН СССР, 1986, т.53, в. 6, сс. 1059-1065.

50. Champion J.P., Loete М. and Pierre С., "Spherical top spectra", Remote sensing of the Earth's Atmosphere and Interstellar Medium, K.N. Roa and A. Weber eds., Academic Press, New-York, NY (1992) and references herrein.

51. Brown L.R., Margolis J.S., Champion J.P., Hilico J.C., Loete M., Chackerian C., Tarrago G. and Benner d. Chris, J.Q.S.R.S.T., v. 48, pp. 617-628. 1992 and references herrein.

52. De Martino A., Fry R. and Pradere, Chem. Phys. Lett., v. 100, pp. 329-333, 1983 and v. 95, 200-204, 1983.

53. Baronov G.S., Bronnikov D.K., Varfolomeev A.E., Zasavickii I.I., Potapkin B.V., Rusanov V.D., Fridman A.A. and Shotov A.P., J. Phys. (B), Atm. Mol. Opt. Phys., v. 22, pp. 2903-2909, 1989.

54. Champion J.P., Hilico J.C., Wenger C. and Brown L.R., J. Mol. Spectros., v. 133, pp. 256-272, 1989.

55. Poussigue G., Pascuad E, Champion J.P., and Pierre G., J. Mol. Spectros., v. 93, pp. 351-380, 1982.

56. Jouvard J.M., Lavorel В., Champion J.P., and Brown L.R., J. Mol. Spectros., v. 150, pp. 201-217, 1991.61 626364 6566