Исследование процессов образования и возбужденияатомарного и молекулярного углерода в плазме в смесях Не-СО тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

р Г Ь V* Л

г п нов да

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

КОСТШБВИЧ Игорь Никавдэвич

Исследование процессов образования и роэбувдения атомарного и молекулярного углерода в плазме в смесях Не-СО

Специальности: 01.04.08 - физика и химия плазкщ, 01. 04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фиаико-магематических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физики Санкт-Петербургского государственного университета

Научные руководители:

доктср физико-штемет'ических наук Ионих Ю. 3. , кандидат фиэико-математичаеких наук Чернышева Е и.

Официальные оппоненты:

член-корреспондент АЕН, доктор физико-математических наук

профессор Дюжев Г. А. , кандидат физико-математических наук Малешн М. К

Ведущая организация: Российский научный центр "Прикладная химия"

К 063.57.10 по присуждений ученой степени кандидата наук при Санкт-Штербургском государственном университете по адресу 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Защита диссертации состоится

в час. на заседании специализированного совета

Автореферат

1994г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук

Тимофеев Е А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Интерес к исследованию фиаико-химических процессов в плазме в смесях, содержащих окись углерода, обусловлен их широким распространением в естественных условиях, прежде всего в разного рода космических объектах, а также рядом перспективных технических приложений (газовые лазеры на СО и СОа, замкнутые системы жизнеобеспечения, пдаамохимические реакторы и энергетические установки). В плазме в смесях, содержащих молекулярные компоненты, происходят разнообразные химические реакции. Они могут оказывать существенное влияние не только на химический состав, но и на электрические, электро кинетические и оптические характеристики плазмы.

Естественными продуктами разложения молекул СО (а также других углеродсодержащих соединений) являются агош С и молекулы СЭти частицы образуются и в природных условиях. Так, атомарный углерод присутствует в верхних сдоях планетных атмосфер, излучение (или поглоярние) молекул С4 обнаружено в солнечной фзгосфере, в хвостах комет, диффувных туманностях и т. д. В спектрах поглощения холодных звезд класса N в видимой области доминируют молекулярные полосы С-,. Молекулы Сг, по-видимому, участвуют и в формировании более сложных, в том числе органических, соединений.

Излучение газофазного углерода зарегистрировано в пламенах и плазме разнообразных углеродсодеркавдх соединений, он образуется при фотолизе и радиолиэе молекул СО, а также при лазерном испарении графита Интенсивность излучения молекулярных полос С2, прежде всего системы Свана, молет быть настолько большой, что их часто используют для определения валового содержания углерода в газах. Скорее всег:>, атомарный углерод стоит в начале цепочки реакций, приводящих к образованию в плазме более сложных частиц - молекул С4, С^О, С3 и т.д. Молекула Сг, в свою очередь, является одним из продуктов деструкции фуллерена а тага®, возможно, участвует в процессах его образования.

Атомарный и молекулярный углерод в заметных количествах образуется в активной среде СО-лазера и может оказывать существенное влияние на его генерационные характеристики. Существует, кроме того, углеродный лазер, источником излучения в котором являются сами атомы С.

Основными продуктами химических реакций в СО-содержащей плазме является атомы углерода, кислорода и молекулы С02, С^. В настояпре время выяснены основные механизмы ¡„Зразова-ния и гибели атомов 0 и молекул СО^. в таких условиях. В то же время практически отсутствуют работы, в которых изучались бы механизмы образования и гибели С2 как в плазме, так и в других условиях. Это ме можно сказать и об атомарном углероде - возможном предшественнике молекулярного, хотя для него основные реакции образования известны. Почти полное отсутствие таких данных обусловлено трудностями диагностики газофазного углерода Стандартные методы (хроматография, масс-спектрометрия) неприменимы ввиду быстрого осаждения углерода на стенках. Применение оптического метода поглощения также затруднено, что связано с необходимостью измерений в области вакуумного ультрафиолетового излучения (для атомов С) и с распределением заселенности состояний молекулы Сг по большому числу вращательных подуровней.

Интерес ■ к молекуле С? обусловлен также наличием особен-

з

ностей в возбуждении уровня v'- 6 состояния (1 Пд. Полосы Свана (<ЗгПд -> а1 Лм) с этого уровня имеют аномально болъшук интенсивность. Этот эффект наблюдался в очень разнообразных условиях, что указывает на универсальность механизма селективного заселения этого уровня. Кроме того, распределение молекул по вращательным подуровням состояния с^П также"весьма специфично и имеет существенно нетепловой характер. Эти э#екты наблюдаются и в разряде в смеси Не-СО. Однако механизм их возникновения в настоящее время остается невыясненным. -

Все вышесказанное.определяет актуальность темы диссертационной работы, посещенной исследованию процессов образования и возбуждения атомов и молекул углерода в плазме е смесях гелия и окиси углерода ,. . '

Ц-'дыа настояний работы являлось:

1) разработка и апробирование методики определения концентраций атомов С и молекул С2 в стационарном разряде и в фазе послесвечения плазмы в смесях Не-СО;

2) исследование кинетики образования и разрушения атомарного углерода;

3) определение возможных механизмов образования и гибели молекул С2;

4) выяснение механизмов аномального заселения уровня v'-6 состояния с1*Пз. молекулы С^ в разряде и послесвечении.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Разработаны новые чувствительные, технически легко реализуемые методики определения абсолютной концентрации и эффективных времен атомарного и молекулярного углерода в плазме. Впервые измерены концентрации атомов С и молекул С2 в разряде и послесвечении.

2. Выяснены механизмы образования атомов С в плазме в смесях Не-СО, а также механизмы возбуждения уровня С(3э

3. Установлены основные характеристики процессов образования и гибели молекул С2( X , а5П) в плазме.

4. Выяснены механизмы возбуждения электронных состояний <1 П| и а'Пц молекулы С^, в том числе механизм селективного возбуждения уровня v' - 6 состояния <13П .

6. Найдены неизвестные ранее константа скорости реакции атомов С с молекулами С20, константы скорости интеркомбинационной конверсии молекул С2(Х, а) при столкновениях с атомами Не и молекулами СО, коэффициенты диффузии С и С^ в гелии; получена оценка сечения диссоциативного возбуздения уровня Зз л Р° атома С из молекулы СО.

Практическая ценность работы. Предложенные в работе экспериментальные методики могут быть применены для диагностики продуктов плазмохимических реакций в различных плазменных системах. Полученные данные о механизмах образования и гибели атомов и молекул углерода и о константах скоростей реакций могут б гь использованы при моделировании и оптимизации различных плазменных устройств, в том числе электроразрядного СО-лазера.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XI Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Санкт-Петербург, 1992).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы, приведенные в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит иг введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 42.2. наименований; содержит стр. машинописной текста, злючая 46 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы и формулируются цеди и залачи диссертационной работы. Кратко освешд етея степень изученности рассматриваемых в диссертации проб леи, характеризуется научная новизна и значимость получении результатов.

В первой главе дается подробный обзор работ по теме дис сертации. Рассматриваются существующие методы исследовани газофазных химических реакций, реагентами или продуктами ко торых являются нейтральные или невозбужденные частицы. Дале детально обсуждаются методики и результаты изучения процее сов образования и гибели атомов С и молекул С2. Анализируют ся различные модели селективного заселения уровнл V'- 6 сос тояния молекулы Основываясь на обзоре литерал урь

показано, что полученные к иастояшэму времени данные о хими атомарного углерода касаются лшаь реакций его гибели пр столкновениях с некоторыми атомами и простыми неорганически ми молекулами. Реакции образования атомов С не изучалис! Одна из глаьных причин этого - отсутствие приемлемы'- методе диагностики газофазного углерода.- В результате нет данных с абсолютной концентрации атомов С в каких бы то ни было уелс виях. Для условий плазмы, в том числе газоразрядной, нет ие ме рений дамэ относительной концентрации и эффективных врем* жизни атомарного углерода. Аналогичная ситуация и с молек' лой для которой изучались лишь реакции интеркомбинацио!

ой конверсии и реакции гибели. Абсолютная концентрация их е определялась, механизмы образования остаются невыяснен-ыми. Это же относится и к условиям газоразрядной плазм»: сть лишь одна работа, где были получены данные о концентрации Cz{ а3П). Что касается явления селективного заселения !*(d,6), то при изобилии моделей, предлагавшихся для объяснения этого Э1|фекта, вопрос до сих пор остается открытым, »то обусловлено тем, что авторы большинства работ изучали то качественно и лишь с энергетической точки зрения, не [роводя последовательных количественных измерений концентра-(ий С2 и возможных реагентов. В результате практически не-юзможно ни доказать, ни опровергнуть любую из предлагавших-:я моделей.

Во второй главе описывается применявшаяся в работе жснериментальная установка. Измерения проводились в положительном столбе тлеющего разряда и его послесвечении в смесях ie-CO, Не-С0-02. Содержание СО было от 0.1 до 9%, 02 - до

давление гааа от 1 до 12 Topp, разрядный ток от 5 до 100 <А. Измерительная система позволяла регистрировать излучение шазмы в диапазоне длин волн от 200 до 1200 нм с временным )азрешением ~ 1 мке. С помопц>ю зондов измерялась налряжен-юсть продольного электрического поля в положительном столбе пазряда и находилась концентрация электронов. При этом ис-юльзовались функции распределения электронов по энергиям, несчитанные И.ЕКочетовым с сотрудниками по методике [61. Тля уолопий эксперимента величина приведенной напряженности электрически о поля E/N менялась в диапазоне Б 27 Тд, кон-дентрация электронов - в диапазоне (0.1 - 6)-10 см .

Для решения поставленных в диссертации задач были разработаны методики измерения концентраций невозбужденных частиц з плазме ь стационарных и нестационарных условиях. Для этого измерялась абсолютная заселенность уровня, возбуждаемого в разряде электронным ударом из основного состояния, ч гибну-цего радиационно. Зная сечения возбуждения рассматриваемого /ровня и эл^ктрокинетические параметры плазмы, можно было из уравнения баланса его заселенности восстановить концентрацию «возбужденных частиц. Этот метод использовался ранее [6]

- б -

для определения концентрации атомарного кислорода. В данн работе он был модифицирован - распространен на случай нест ционарных условий. Такая модификация основана на том, ч характерные времена жизни частиц - продуктов плазмохимич^ ких реакций обычно существенно больше времени установлен электрокилегических параметров плазмы (Е/М, пе> Те), и возбуждение происходит фактичеаси в квазистационарных уел виях. Поэтому можно по измерениям временной зависимости и тенеивности перехода в начальной фазе разряда получать и формацию о кинетике образования и гибели исследуемых объе тов.

Для диагностики нормальных частиц в фазе послесвечен использовалось возбуждение плазмы вспомогательным зондиру щим разрядным импульсом (ЗИ). Электрические параметры ЗИ б "и аналогичны параметрам основного разряда Поэтому спад я кости линии (полосы) при перемещении ЗИ по послесвечению 6 ражает спад концентрации частиц в нормальном состоянии. Г1 стоянство условий возбуждения, в ЗИ может быть проконтролир вано по излучению исходных компонент см'. -^и. Чтобы избежа существенной наработки новых частиц за время ЗИ, длител ность последнего должна быть достаточно малой по сравнен с временем жизни исследуемых частиц. Методика обработки п лученных зависимостей понятна из рис.1.

Точность применявшейся методики определения абсолюта концентраций обусловлена главным образом сиси матически погрешностями расчета ФРЭЭ, ошибками в сечениях (зкепериме тальных или расчетных) возбуждения рассматриваемого уровне абсолютной калибровки регистрирующей системы, и в услови данной работы может быть оценена коэффициентом 2-3. Погре ноет: методик определения эффективных времен жизни исследу мых частиц существенно меньше 30%), поскольку аде про}; дятся относительные, а не абсолютные измерения.

Б третьей главе представлены результаты измерений абс потной концентрации и эффективных времен жизни атомов О 1с плазме и ее нослесвечении. Подробно описывается конкреть реализация описанн01'0 выше акешримьнтального метода. В я честве аналитической использовалась 'линии СТ 247.8 нм (2с

° - - 2рг<50), возбуждаемая электронным ударом. Иепользо-яись борновскне сечения возбуждения атома С t71. Усганов-но, что уровень л Еозбувдается электронным ударом - как посредственно из основного состояния'С (~20£), так и через шележащий уровень Зр " Р„ за счет каскадных переходов, прим вклад последних составляет - 76%. Скорость всех этих про-ссов пропорциональна пе, то есть току. Анализ возможных акций образования С показывает, что основными являются едующие:

СО + е -> С + О + е, (1)

СО + СО*(аЭП) -> СО, + С. (2)

е они линейны по пе. Результаты измерения величин tc покали, что они не зависят от тока Отсюда следует, что кон-нтрация нормальных атомов С пропорциональна пе, и тогда 'Кость линии 248 нм должна зависеть от тока квадратично, юперимент подтвердил это, хотя показывает наличие и линей-'й по току составляющей:

I - I4 + a-i + b-i2". (3)

мпонеиту I,, естестяенно было объяснить процессом диссоциа-вного возбуждения СО + е -> С* + 0 + s, (4)

1ичем абсолютная величина ее позволила получить оценку се-

-20 2

ния этой реакции: dcVdс ~ 10 см /эВ. Величина же I* мот быть использована для определения концентрации С описан-1м выше методом. Полученные значения пикт-чаны на рис. 2. Там представлены результаты расчета ГС] исходя из реакций (1, и экспериментальных значений tc. Удовлетворительное сог-лие данных расчета и эксперимента свидетельствует о ариме-1 мости использованных экспериментальных методик и адекват-'С; л модели (1, 2) образования атомов С в плазме. Это подт-рждакя и результаты измерения С 03 по яркости линии 777 нм ереход Зр ^Р -> 3s ^3). В самом деле, в реакциях (1, 2) 'Разумея и атомы О (молекулы ССЬ легко диссоциирует при йктронном ударе). Экспериментально намеренные эффективные >ешна жи; 1И атомов О tc оказались близкими к 1С. Следова-'Льно, их концентрации также должны быть близкими, что и монстрирует эксперимент (рис.2). Измерения t0 подтвердили

м

0.1

\ 3

Рис. 1. Зависимость яркости [(f линии О 248 нм и разрядного тс ка от времени в разряде (I) послесвечении при возбужден! зондирующими импульсами (III 1,2 - I(t); 3 - (1 - I (t)); 4 (. 1 ( L) - const.).

\

10 30 1,пА 100

Рис. 2. Концентрация атомов С и О в разряде. Точки - эксперимент, линии - расчет.

Ю2-*! ю** (£Не]ГС01, глА-с.ъ ''

Рис. 3. Зависимость величии! тМе^с от произведения ¡[Не][СО]. Точки 1-7 отвеч, ют.' различным условиям зкст римента (давление, содержание СО), прямая - расчет.

Q -

<o

Ol

I -1

I«

о H

10

¡I

Рис. 4. Сравнение экспериментальных (точки) кривых распада уровня (1,6 с расчетом (линии) для различных условий эксперимента.

2

Рис.5. Концентрация молекул Сг(Х) (1) и С ¿(а) (2,3) р разряде. 1% СО, 7 Topp. 3 - результаты измерений

О 50 i, «А 100 методом ЛИФ [93. {odo

«О

а

£ „ о Ю

1т. О. Спад концентрации молекул С2(Х) (1,2) и С-¿(а) (3,4) в послесвечении. 1% СО, Г Topp, м.А (2 - ÍOO мА; ре-

Ч ilмс. i аультаты измерений методом ЛИФ (91.

также диффузионный характер гибели атомов 0 при низких давлениях Г. 6, 81.

Иа расчетов следовало также, что вклад pt ищи и (2) в образование С зависит главным образом от полного давления смеси и с ростом р он изменялся от 0.2 до О. 7.

Времена жизни атомов С tc> измеренные в разряде и послесвечении, оказались близкими. Это свидетельствовало о том, что основные процессы гибели атомов углерода в этих двух фазах одинаковы. Для низких давлений tc близко к диффузионному t^, но при больших давлениях становятся существенными потери в объеме. Их оказалось возможным объяснить реакцией атомов С с' молекулами примеси Ot:

С + 0г-> СО + О, (б)

Ц021 - 0.3% [СО]).

Четвертая глава посвящена исследованию механизмов возбуждения состоянии с13П4 молекулы С2. Представлены результаты измерений заселенностей различных колебательных уровней этого состояния. Предварительные эксперименты показали, что основные закономерности поведения ЕС*(d,v*)J для воех v'< 6 сходны. Поэтому детально исследовался уровень v'« 0 как наиболее заселенный. Концентрация C?(d,0) определялась по яр-

S3

кости полосы 0-0 (А.Б16. Б нм) системы Свана d П а П, , была приблизительно пропорциональна давлению и квг.драту разрядного тока, слабо зависела от содержания СО в смес.< и изменялась в условиях эксперимента от 6-10^ до 10 см . Быстрый спад яркости этой полосы после окончания разрядного импульса (на 1-2 порядка за t - 10 мкс) служил доказательством того, что основным механизмом возбуждения d,0 является электронный УДар

С2 + е -> с£ + е. (6)

Этот вывод согласуется с результатами предыдущих работ. Из полученных данных следует, что концентрация молекул С г. в нижнем для процесса (6) состоянии пропорциональна току.

Наличие слабого послесвечения полос с V < 6 с ха- актер-ным временем ~1 мс и аналогичного по форме v'- 6 свидетельствует о том. что процесс, селективно заселяющий ci,6, заселяет и белее низкие олебательные уровни, но с существенно меньшей Вероятностью.

- и -

Для исследования уровня V'- 6-использовалась полоса 6-5 (М68 нм) системы Свана. В стационарном разряде токовая зависимость его заселенности при низком парциальном давлении СО (рс.о 1 30 мТор) была, как и для О, примерно квадратичной, но с ростом рсо замедлялась, приближаясь к линейной.

Это свидетельствовало о смене доминирующего механизма заее-

ц

ления с),Б. Заселенность его менялась от 4-10 до 3-10 см-1. В распаде уровня 4,6 вклад медленной компоненты был заметно больше, чем у V'» 0. При больших р и [СО] и малых токах он достигал почти 100%. Следовательно, в возбуладении с1,6 в разряде существенную роль играют процессы с участием частиц в долгоживущих состояниях. Их относительный вклад г (0.1 - 1) рос с увеличением полного давления, процентного содержания СО и уменьшался с ростом тока. Скорость же заср -ления V'- б за счет этих процессов гМ^Ае (А$ - вероятность радиационного распада с), 6) при всех экспериментальных условиях была пропорциональна току и произведению [Не]Г СО] (рис.3). Полученные значения гМсАе позволили сделать выводы о роли некоторых из процессов, предлагавшихся ранее для объяснения селективного возбуждения <1,6, а именно

Сг + Сг + е -> С2 + с£(с1, 6). (7)

и

С + С + М -> С^Пд) + М, (8а)

с'^Пд) + м -> с^а, 6) + м. (86)

Оценки с использованием измеренных в данной работе [С] и [С 3 показывают, что скорость заселения 6 в реакциях (7) и (8) на 2-7 порядков меньше наблюдаемой гМ6Ае. Требуемую скорость может обеспечить другой механизм:

С 1- СО + Не -■> СгО + Не, (9)

С + СгО С*(<1,6) + СО. (10)

Кривые распада с), б в послесвечении можно было приближенно представить как разность двух экспонент с характерными временами (0.3 - С. 5)-Ц, не зависящими от тока Такая

форма кривой свидетельствовала о том, что уровень заселяется в результате двух последовательно протекающих процессов. Величины 1/1 менялись от 1 до 6 мс и с точностью 10-30Х совпадали с эффективным временем жизни атомов С в тех же условиях

С исключение составляла лишь смесь с содержанием СО 0.17.).

Все эти экспериментальные факты говорили в пользу модели (9, 10). Необходимо только было для объяснения перехода от монотонного спада сс£(с1,б)] в послесвечении к немонотонному при росте тока (рис.4, кривые 2,3) ввести еще процесс разрушения молекул Сг.0 в активной фазе разряда:

Сг.0 + разряд -> продукты, (11)

например,

Сг.0 + е -> С + СО + е - 2. 3 эВ, (11а)

С^О + СО*(аЪП) -> СО т СО + С. (116)

Для количественной проверки рассматриваемой модели проводились расчеты абсолютной заселенности <1,6 в разряде и относительной - в послесвечении, исходя из реакций (9-11). При этом вероятности гибели молекул С%0 в реакциях (10) и (11) ¿40 и подбирались для достижении согласия расчета с экспериментом. В Оольшинетве случаев удавалось этого добиться (рис. 3 и 4). В результате полечено значение константы скорости реакции (10) - 3-10 Л ом^/о (с погрешностью — 50%). Величины 6м были пропорциональны току, поэтому расчетные значения [Сг03 от'тока не зависели и составляли 1ОЛ0 - 104< см~ь. Полученные результаты.позволили также сделать вывод о малой роли гетерогенных реакций разрушения С^О в разряде и послесвечении.

В пятой главе представлены результаты измерения концентрации молекул Св основном и энергетически близком к нему (ае-О. 075 эв) аъпц состояниях. Исследования проводились в стационарном разряде и его послесвечении с использованием разработанных в данной работе (гл. II) экспериментальных методик. В качестве аналитических использовались полосы 0-0 системы Свана и 1-0 (Д1016 нм) системы Филлиаса (а"п возбуждаемые в разряде электронным ударом.

Наличие у молекулы близких состояний X и а с ап-

риори сравнимыми гю величине ааееленноетнмк делает ьовможным возбуждение верхних исследуемых уровней одновременно ю обоих нижних. Поэтому, для получения информации о.СС^ГХ,а)] необходимо «знание- всех сечений процессов возбувдения X,а -> А,с|, экспериментальные данные о которых отсутствуют. Однако,

измерения показали, что возбуждение состояний А и происходит в основном из состояний той же мультиплетности: X -> А, а -> с). Поэтому, из исследований полосы Свала можно получить информацию о состоянии С2(а), а по полосам Филлипса - о Сг(Х). Сечения возбуедения оптически разрешенных переходов Х-> А, а->с1 рассчитывались по формуле Бете.

На рис. 5 показаны токовые зависимости, а на рис. 6 - спад СС2(Х,а)] в послесвечении (метод ЗИ). Для С2(а) эти результаты удовлетворительно согласуются с данными работы [93, где использовался метод лаверно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) на полосах системы Свана.

Полная концентрация Отменялась в условиях эксперимента от 4'104< до б-Ю*1* см"3, а ее отношение к СС01 составляло О. 04-2Х. При всех условиях ГС2(Х)1 £ [С2(а)3, а характерны* времена распада Отсюда следовало, что поток заселения

состояния превышает поток заселения а5 П. йожно заключить поэтому, что процессы образования С2 заселяют преимущественно -.остояние.

Кривые ^аспада С2(Х) в послесвечении в большинстве случаев представляли из себя сумму двух экспонент. Постоянная времени "быстрой" компоненты I г падала с ростом тока, а "медленной" - не зависела от тока и примерно равнялась эффективному времени ¡кизни атомов С. Отсюда можно было сделать вывод о том, что образование 02(Х) происходит в реакции первого порядка по [ С), например:

+ сте-ка -> 1/2 С2(Х) +■ стенка. ' (12)

При малых токах этот процесс имеет определяющее значение (распад С2(Х) в этих условиях был моноэкспоненциальнш). Наличии "быстрой" компоненты с вкладом, оастущим с током, свидетельствует -) существований второго механизма образования С^(Х), который "выключается" в послесвечен.ли и скорость которого б^лее сильно (квадратично) зависит от тока. Этим требованиям удовлетворяет, н?~ример, процесс

С + СО*(аьП) -> Сг(Х) + 0. (13)

"Быстрый" спад Г Сг( X) ] в начале послесвечения с харак. рным временем отражает процессы гибели молекул С2(Х) в

разряде при столкновениях с частицами, концентрация которых

пропорциональна току, например, атомами кислорода:

Са(Х) + О -> продукты. (14)

Тогда совокупность процессов (12-14) даст правильную токовук зависимость [С2(Х)] - А + В-1.

Концентрация молекул С2(а) приблизительно пропорциональна току. Спад ер в послесвечении в большинстве случаев бьи моноэкспоненциальным, постоянная времени его не зависела от тока, а при изменении давления и состава смеси менялась от 1 до 6 мс. При этом он существенно отличалась от ¿с. Следовательно, механизм образования ^¿(а) линеен по току и не связан напрямую с атомами С. ' Этим требованиям удовлетворяют.

например, процессы:

С2(Х) + е -> Сг(а) + е, (15)

С2(Х) +0 -> Сг(а) + С, (16)

или последовательность двух реакций

С2(Х) + е -> 04(Х, у>0) + е, (17а)

Сг(Х, у>0) + М -> Сг(а) + М. (176)

Оценки показали, что экспериментальные результаты при малых значениях пе удовлетворительно описываются реакцией (15),

.1 а

если КС ее ~10 см /с. Для процесса (16) требуемая КС примерно на 2 порядка меньше.

Что же касается механизмов гибели Сг(а) в разряде и послесвечении, то в первую очередь следует рассмотреть диффузию и интеркомбинационную конверсию

Са(а) + М -> С2(Х) + М, (М - Не, СО). (18)

В работе показано, что экспериментальные результаты измерений "¿(а5!!) в послесвечении удовлетворительно описываются этой моделью. Впервые получены значения КС реакций (18) (г+1)-Ю~<6 и (2. 8+0. 7)-1 о"^ см3/с для М = Не и СО соответ-ьетственно. Эти величины соглаеун/гся с известными КС реакции (18) для других етолкновительных партнеров.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Разработан и апробирован спектроскопический ме^ од измерения абсолютных концентраций и эффективных времен жизни частиц - продуктов плазмохимических реакций. С его использованием впервые определены концентрации атомов и молекул уг-

лерода в газоразрядной плазме в смесях, содержащих СО.

2. Установлюны основные механизмы образования атомов С в плавме в смесях Не-СО. Выяснены механизмы воэбувдения уровня Sp3s А Р° атома С.

3. Показано, что селективное возбуждение уровня v'=* 6 молекулы С2(с13П3) может быть объяснено реакцией с участием атомов С и молекул С^О. Впервые получена оценка константы скорости этой реакции. Дано объяснение обнаруженному в работе немонотонному характеру распада уровня С^й.б) в фазе послесвечения разряда.

4. Показано, что основным механизмом заселения нижних колебательных уровней состояний с!гПд и А^Пц молекулы С^ является возбуждение электронным ударом.

5. Установлено, что образование Сг в плазме происходит преимущественно в X^ZLj состоянии в результате действия двух процессов, один из которых имеет первый порядок относительно концентрации атомов С, а второй - квадратичен по току и действует тол! ко в активной фазе разряда. Предложены конкретные варианты реакций, удовлетворяющих этим требованиям.

5. Показано, что основным механизмом.дезактивации состояния аЭПи молекулы Сг в объеме явпяется интеркомбинационная конверсия с участием Не и СО. Впервые определены константы скоростей этих процессов. Образование Cg,(a3nu) происходит в результате реакции первого порядка по тону, интенсивность которой бьгтро убывает в послесвечении.

Осносjoe содержание диссертации опубликовано в следующих рчботах:

1 loniPi v 7.. , Kostyukevich I.N. , Ciiernysheva N. V. Atomic oarboii in He~CO disoharge plasiiw: и^а^иепки! of concen-tr-'tibn an<1 liFetime //Ргос. XI ESCAMP'G. St.-Petersburg.

1992. P. 433-434.

2. Яоних KX 3. , Коетюкеиич и. R , Чернышева Е В. Атомы углерода в газоразрядиий плазме в смесях Не-СО (концент ация, время жизни, механизмы образования) // Оптика и спектр.

1993. Т. 74. В. 3. С. 4К>463.

3. Вгашксв В. И. , йоних Ю. 3. , Костюкевич И. К , Чернышева Н. В.

Шнцентрация и время жизни молекул C^CX'jL , а5П ) в плазме в смеси He-СО //Вести. С. -Петербург, ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 1993. В. Я (N 11). С. 92-94.

4. Ионих Ю. 8., Костюкевич И. Е , Чернышева Н. В. Возбуждение . полос Свана молекулы в стационарной и распадающейся плазме в смеси Не-СО // Оптика и спектр. 1994. Т. 76. В. 3. С. 406-412.

Цит.рованная литература

Б. Конев Ю. Б. , Кочетов И. В. , Марченко В. С. , Певгов Е Г., Цкрков В. Ф. Основные характеристики электрического разряда в плаьме СО-лазеров U Препринт ИАЭ им. И. В. Курчатов« N 2810, 1977. 20 о.

6. Ионих Ю. S. Куранов А. Л. , Ермолов Ю. В. Концентрация атомарного кислорода в разряде в смесях, содержащих окись углерода // Тез. докл. YI Всееоюз. конф. но физике низко-темературной плазмы. Т. 1. JL , 1983. С. 86-38.

7. Вайнитейи Л. А., Собельман И. И., Юков Е. А. Сечения возбуждения атомов и ионов электронами. Сводка формул и таблиц для определения сечений электрон-атомных столкновений и вероятностей радиационных переходов. - М.: Наука, 1973. -143 с.

8. Словецкий Д. И., Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. - М.: Наука, 1980. - 310 с.

9. Blastikov V. 1. , Ivanov Е. Е. , Ionikh Y. Z., Penkin N. P. , Chiernysheva N. V. Formation of С0г and C2 molecules in C0-Ke, CO-He-Oj. discharge plasma // Ргос. XVII ICPIQ. Budapest. 1985. V.l. P. 299-301.