Исследование возбуждения моногалогенидов ртути в газоразрядной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

В В Е Д Е Н ИЕ

1. ВОЗБУЖДЕНИЕ МОНОГАЛОГЕНВДОВ РТУТИ В ИМПУЛЬСНОМ РАЗРЯДЕ

1.1. Краткий обзор работ по исследованию возбуждения моногалоген вдов ртути.

1.2. Газоразрядная экспериментальная установка

1.2.1. Газоразря|(^^ кювета

1.2.2. Генератор ¿.импульсных напряжений.

1.2.3. Система вакуумной откачки и газонаполнения

1.2.4. Система регистрации излучательных и электрических характеристик

1.3. Контрольные эксперименты

1.4. Результаты измерений и их обсуждение

1.4.1. Спектральные характеристики излучения.

1.4.2. Исследование зависимости интенсивности излучения моногалогевидов ртути от парциальных давлений смеси и условий накачки

1.4.3. Временные характеристики разряда

2. ДИССОЦИАТИВНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ СОСТОЯНИЯ МОНОГАЛОГЕНВДОВ РТУТИ ЭЛЕКТРОННЫМ УДАРОМ

2.1. Экспериментальная установка

2.1.1. Камера столкновений

2.1.2. Система регистрации излучения

2.2. Методика измерений оптических функций и эффективных сечений возбуждения. Контрольные эксперименты

2.2.1. Измерение оптических функций возбуждения

2.2.2. Определение абсолютных величин эффективных сечений

2.3. Результаты исследований диссоциативного возбуждения Б2"состояния моногалогенццов ртути и их обсуждение

2.3.1. Спектры излучения

2.3.2. Эффективные сечения диссоциативного возбуждения

3. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЫ ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА НА СМЕСЯХ ДИГАЛОГЕНВДОВ РТУТИ И ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ.

3.1. Элементарные процессы в плазме

3.2. Кинетическое уравнение Больцмана для электронов и методика его решения.

3.3. Результаты расчета и их обсуждение

3.3.1. Транспортные и энергетические характеристики плазмы.

3.3.2,. Константы скоростей процессов возбуждения атомов, молекул и ионов . ЮЗ

3.3.3. Расчет заселенности состояний мо-ногалогевидов ртути . ИЗ

ВЫВОДЫ . П

За последние годы в квантовой электронике успешное развитие получил новый тип лазеров на смещенных связанно-связанных электронно-колебательных переходах эксиплексноподобных молекулах моногалогенидов ртути, генерирующих в видимом диапазоне длин волн. Перспективность таких лазеров обусловлена их высокими удельными характеристиками и квантовыми КПД и кроме того возможностью создания импульсно-периодического отпаянного лазера [1,2] . Так, по последним данным в газоразрядном Ц^Ьг* -лазере с использованием предионизации электронным пучком была получена энергия в импульсе 9,8 Дж, КПД - 1,8 % и энергосьем I Дж/i [i] . В работе [з] показана возможность получения средней мощности 100-1000 Вт в импульсно-периодическом режиме.Такие характеристики лазеров для видимого диапазона длив волн являются рекордными, что, конечно, найдет многочисленные применения в науке и технике.

В создании таких лазеров основополагающими являются работы Паркса [4,б] , Бурнхама [l,5] , Шимичека [7] , Нигана [9] , Басова Н.Г., Зуева B.C., Клементова А.Д., Молчанова А.Г и др. [1012] . В качестве рабочих сред в лазерах на моногалогенидах ртути используются :

- смеси паров ртути, галогеноносителя / C£-s , ЦСХ и др./ и инертного газа /аргон, гелий, ксенон/;

- смеси паров дигалогенидов ртути / НдС^р »НдВг^ ,Нд/ с инертными газами /гелий или неон/;

- смеси паров дигалогенидов ртути с инертными газами и малой добавкой < 10 % молекулярного азота /ксенона/.

Возбуждение моногалогенидов ртути в этих смесях происходит вследствие плазмохимических реакций, эффективность которых для большинства галогеносодержащих молекул не определена [2] . Ввод энергии в рабочие смеси производится импульсными сильноточными электронными пучками [4,б] , оптической накачкой [ю] и поперечным разрядом с различными типами предионизации /через диэлектрик, рентгеновским и ультрафиолетовым излучением [1,3,5,7,8,11,12]/.

Основные тенденции дальнейших научно-исследовательских работ и технического применения лазеров на моногалогенидах ртути в настоящее время связаны с выяснением возможности реализации высоких энергосьемов и КПД, что в свою очередь зависит от поиска эффективных рабочих смесей, состояния изученности физических процессов в активной среде, исследования механизма формирования населенности рабочих состояний Кроме того в ряде технических применений требуется упрощение конструкции как самих лазеров, так и источников накачки.

Среди многих физических процессов, протекающих в активной среде лазеров на смесях дигалогенидов ртути с инертными газами важнейшую роль играет процесс возбуждения Ь состояния электронами

НдХа + е 3®- ЦдХ(Ь22+)+Х + е , где X = 01 , Вг , □ .

Без знания эффективности этого процесса, которая определяется константой скорости диссоциативного возбуждения невозможно рассчитать населенность верхних лазерных уровней, а именно состояния с колебательными числами $ =0,1 [13] и соответственно сложно вести исследования по целенаправленному улучшению выходных характеристик лазеров.

В известной литературе отсутствуют работы по определению или расчету констант скоростей возбуждения состояния в импульсном разряде в смесях галогенидов ртути с гелием или неоном, что связано как с трудностями методического характера [14] , так и недостаточным знанием эффективности плазмохимичес-ких процессов, протекающих в активной среде газоразрядного лазера.

Исследовать эффективность этого процесса можно с помощью расчетных методов. Если известно эффективное сечение диссоциативного возбуждения, его зависимость от энергии электронов и тэеделения функция растра—— электронов в конкретных условиях разряда, то константа скорости диссоциативного возбуждения определяется из выражения [15] оо о ип где: - константа скорости диссоциативного возбуждения, тгъ - масса электрона, Ц- энергия электронов,

- функция распределения электронов по энергиям,

О о (Ш- эффективное сечение диссоциативного возбуждения, з ип- пороговая энергия процесса диссоциативного возбуждения.

Экспериментальных данных и теоретических расчетов по значениям эффективных сечений диссоциативного возбуждения Ъ^И^ состояния моногалогенидов ртути и его зависимости от энергии электронов в известной нам литературе не имеется, за исключением наших данных в работах [16,17] .

Вместе с тем, необходимо отметить, что в работе [18] были измерены эффективные сечения возбуждения отдельных электронно-колебательных полос с А 557 нм

502 нм Hg.Br и Л444 нм НдЗ^ДЛя перехода В2 21 л/г. с 1Г#= О на ТГ = 22,17, их максимальные величины соответствуют значениям то р 10 см для энергий электронов 100 эВ. Из-за малых значений эффективных сечений авторы работы [18] высказали предположение, что электронный удар не является важным в возбуждении верхнего лазерного уровня. В работе [18] также получены значения порога излучения НдХ значительно выше, чем это следует из экспериментов по фот о диссоциации [19] , в частности, для молекулы И^Ь^^ порог должен быть 6,2 эВ, в то время как в работе [18] наблюдается при ~ 25 эВ. Как следует из наших работ [16,17], а также не прямых газоразрядных измерений в смеси порог излучения НдВг*^ находится при 6-7 эВ и максимум эффективного сечения при малых значениях энергий 9-10 эВ.

В условиях плазмы газоразрядного ОКГ при высоких давлениях буферных газов гелия или неона /800-1000 мм рт.ст./, вследствие большой роли процессов релаксации населенности верхних колебательных уровней £состояния происходит подзаселение нижних колебательных уровней 1Г' = 0,1, из которых непосредственно и наблюдается генерация лазерного излучения, возникает необходимость определения суммарного эффективного сечения возбуждения для всех полос перехода • Это следует также из работ [20,21] по измерению времени релаксации населенности верхних энергетических уровней V и , которое составляет несколько единиц наносекунд.

Для определения эффективности возбуждения состояния в плазме необходимо знание функции распределения электронов по энергии ^Съь) в конкретном разряде. В условиях плазмы при атмосферных давлениях газа измерение функции распределения представляет сложную методическую задачу и в настоящее время имеется возможность определить ее только теоретическим методом из кинетического уравнения Больцмана для электронов [22,23] .

На основании функции распределения электронов по энергии в плазме разряда могут быть определены также транспортные и энерготические характеристики плазмы - дрейфовая скорость электронов, средняя энергия, удельные мощности разряда в каналах возбуждения, ионизации и упругого рассеяния электронов на атомах и молекулах.

Совокупность данных по эффективности возбуждения атомов и молекул и транспортным характеристикам, а также удельным потерям мощности разряда по каналам позволяет с большей достоверностью выяснить механизм возбуждения частиц в плазме и выбирать наиболее оптимальные условия возбуждения плазмы для получения максимальных выходных параметров лазера.

В известной литературе нет систематических данных по исследованию зависимостей интенсивностей излучения в зависимости от парциальных давлений смеси, компонентного состава, энерговклада, измерениям импульсных характеристик разряда и излучения плазмы. Подобная ситуация затрудняет выбор оптимальных по интенмогут сивности излучения газовых смесей. Такого рода исследованЖюыть детально проведены по спонтанному излучению плазмы.

Целью настоящей работы было исследование эффективности возбуждения моногалогенидов ртути в импульсном разряде на смесях дигалогенидов ртути с гелием и неоном.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- создать газоразрядную экспериментальную установку и исследовать излучение моногалогенидов ртути в импульсном разряде при возбуждении смесей дигалогенидов ртути с инертными газами;

- произвести поиск наиболее эффективных по интенсивности излучения смесей;

- создать экспериментальную установку и измерить абсолютные величины эффективных сечений возбуждения состояний моногалогенидов ртути электронным ударом;

- провести расчет транспортных и энергетических характеристик плазмы импульсного разряда в смесях дигалогенидов ртути и инертных газов /гелия и неона/, а также констант скоростей возбуждения атомов, молекул и ионов.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью выяснения механизма возбуждения состояния моногалогенидов ртути в газоразрядной плазме и создании эффективных источников излучения.

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы.

Основные результаты работы состоят в следующем.

I. Разработана и создана экспериментальная установка для получения однородного импульсного разряда на смесях дигалогени-дов ртути и инертных газов и проведения исследований по возбуждению моногалогенидов ртути в интервале давлений 0,1-1000 мм рт.ст. при напряжениях 30-40 кВ и запасаемой энергии 5060 Дж/л.

Z. Впервые выполнены систематические исследования возбуждения смесей дигалогенидов ртути с инертными газами в поперечном разряде. Установлены следующие закономерности: а/ излучение разряда в основном сосредоточено в электронно-колебательных полосах перехода Ъ2"^!^ б/ максимальные интенсивности излучения моногалогенидов ртути наблюдаются в области давлений 8-10 мм рт.ст. для позволяет получать наибольшую интенсивность излучения моногалогенидов ртути.

3. Установлено, что форма и длительность импульса излучения моногалогенидов ртути совпадает с импульсом тока через разряд и импульс излучения задержан относительно импульса накачки на время ^Г 5 не. Это указывает на важную роль электронного удара при возбуждении моногалогенидов ртути в плазме импульсного разряда.

Впервые выполнены спектроскопические исследования одновременного возбуждения смесей трех дигалогевидов ртути НдС^ , ИдЬг^ и с гелием и неоном. Выявлены оптимальные условия, при которых излучение моногалогенидов НдО*. Нд&г* и Иср^ происходит с близкими по величине интенсивностями излучения.

Применение разряда через диэлектрик позволяет создать простые по конструкции источники света как на отдельных ди-галогенидах ртути с инертными газами, так и одновременно на трех смесях.

5. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для исследования процесса диссоциативного возбуждения£>&2^ состояния моногалогенидов ртути электронным пучком при энергиях 2-100 эВ и моноэнергетичности 1,5-2 эВ.

6. Впервые исследованы зависимости эффективных сечений диссоциативного возбуждения состояния У^Сб* ,'ЦдЪГ* и от энергии электронов в интервале от порога возбуждения до 50 эВ и измерены их абсолютные величины. Максимальные значения эффективных сечений диссоциативного возбуждения Ъ состояний моногалогенидов ртути составляют для ЦдСг* б+З-Ю"18 см2 при 11+1,5 эВ, ИС|ЬГ* - 75+35'Ю-18 см2 при 9+1,5 эВ и Н^и* - 12+10"18 см2 при 14+1,5 эВ.

7. Впервые выполнены расчеты транспортных и энергетических характеристик плазмы импульсного разряда, а также констант скоростей возбуждения и ионизации Н&. , N6 и дигалогенидов ртути для оптимального процентного состава смесиМ^'= = 0,5:99,5 в зависимости от параметра Е/р.

Дрейфовые скорости и средние энергии электронов возра

5 7 стают от 7,5*10 см/с до 1,4'Ю' см/с и от 4 эВ до 13 эВ соответственно при изменении параметра Е/р в пределах 1-30 В-см"мм рт.ст."* Данные использованы для определения концентрации электронов в газоразрядной плазме.

Удельные мощности разряда, вкладываемые в диссоциативное возбуждение и ионизацию дигалогенидов ртути, максимальны при малых значениях параметра Е/р = 1+3 В*см~^мм рт.ст"* и составляют 20-60

Константы скоростей возбуждения имеют значения см^/с и использованы для расчета заселенностей Ь^З^ состояний моногалогенидов ртути в плазме импульсного разряда.

8. Анализ экспериментальных данных по импульсным характеристикам излучения и тока разряда, эффективным сечениям диссоциативного возбуждения состояния моногалогенидов ртути и их зависимостям от энергии электронов, а также расчетных данных по энергетическим и транспортным характеристикам плазмы и значениям констант скоростей возбуждения моногалогенидов ртути позволяет утверждать, что основным механизмом возбуждения моногалогенидов ртути в плазме импульсного разряда является диссоциативное возбуждение электронным ударом.

1. Burnham R., Schimitschek E.J. High-power blue-green lasers.-Laser Focus, 1981, No 6, p.54-61.

2. Лакоба И.С., Яковленко С.И. Активные среды эксиплексных лазеров. Квантовая электроника, 1980, т.7, № 4, с.677-718.

3. Schimitschek E.J. High power blue-green molecular lasers.-Conf.Lasers and Electroopt., Washington, 1981,а?РТОЗ, p.96-93.

4. Parks J.H. Laser action on the band of HgCl at 5576 A. - Appl.Phys.Lett.,1977, v.31, No4, p.297-300.

5. Burnliam R. Discharge pumped mercuric halide dissociation lasers.- Appl.Phys.Lett.,1978, v.33, No2, p.152-156.

6. Parks J.H. Laser action on the B2Z,+ X2^* band of HgBr at 5018 A. Appl.Phys.Lett.,1977,v.31, No 3,p.192-194.

7. Schimitschek E.J. and Celto J.E. Mercuric bromide dissociation laser in an electronic discharde. Optics letters, 1978, v.2, No 3, p.64-66.

8. Schimitschek E.J. and Celto J.E. Oscillator and oscillator-amplifier experiments with HgB^/HgBr dissociation laser. -Appl.Phys.Lett.,1980, v.36, N03, p.176-178.

9. Nighan W.L. Kinetic processes in the electrically excited mercuric-bromide dissociation laser.-Appl.Phys.Lett.,1980,v.36, N03, p.I73-I75.

10. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е.,Кинетика и механизм газофазных реакций. М.: Наука, 1974-, 558 с.

11. Degani J., Rokni M. and Yatsivs S. Investigation of HgBrK excitation by X-ray sustained discharge in Xe/HgBr^ mixture.-J.Chem.Pgys.,1981, v.76, Ко 1, p.164-172.

12. Смит К., ТомсонР. Численное моделирование газовых лазеров. -М.: Мир, 1981. 516 с.

13. Шевера B.C., Малини А.Н., Шуаибов А.К. Диссоциативное возбуждение моногалогевидов ртути электронным ударом. Тезисы докладов УШ Всесоюзной конф. по физике электронных и атомных столкновений. Ленинград, сент.1981, с.224.10.