Механизмы и константы физико-химических процессов в плазме низкого давления в смесях инертных и молекулярных газов. Спектроскопическое исследование тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГ6 00

Саа:|?г-ПотерСургскиП гозударетвенний университет

правах р.)";описи

ИОНИХ Юрий Зиновьевич

МЕХАНИЗМЫ И КОНСТАНТЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В СМЕСЯХ ИНЕРТНЫХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВ. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

Специальности 01.04.05 - оптика, 01.04.08 - фк&и.ка и химия плазмы

Автореферат

г,иссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-ПэтерОург 1993

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

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор а и. Калитеевский, доктор физико-математических наук профессор В.Н.Очкин, доктор физико-математических наук профессор Д. И. Словецкий

Ведущая организация:

Всероссийский научный центр "Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова"

Защита состоится " & " 1393 г. в /3 час.

на заседании специализированного совета Д 063. 57. 28 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034 Санкт-Петербург Университетская наб. , 7/9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПОГУ.

Автореферат

1993 г.

Учений секретарь специализированного совета, доктор физ. -мат. наук

Егоров В. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы._ Плазма в смесях инертных и молекулярных газов предсталяет большой интерес с точки зрения как чисто научной, так и прикладной. Этот интерес связан превде всего с созданием, моделированием и оптимизацией активных сред газовых лазеров, работающих на таких смесях. В качестве примесей молекулярные компоненты всегда присутсвуют в инертных газах. Ео многих случаях они могут играть заметную роль в ионизационных процессах и тем самим оказывать существенное влияние на характеристики плазмы. Молекулярные добавки в шшр'.иые газы и в их смеси могут влиять на устойчивость горения разряда, шумы и страты, как способствуя т. так и псд-вл-л их» что используется, например, при оптимизации гелий-неоновых лазеров. Стационарная и распадающаяся плазма в инертных газах с добавками молекулярных широко используется для изучения элементарных процесов, происходящих с участием молекул, измерения вероятностей и констант скорости процессов. Таким исследованиям способствует то обстоятельство, что плазма в инертных газах (Не, Ые, Аг) характеризуется большой средней энергией электронов и, как следствие, высокой эффективностью возбуждения электронных состояний молекул. В то же время малое парциальное давление молекулярной компоненты делает маловероятными столкновения молекул друг с другом, уменьшает роль столкнсзительной дезактивации молекул и упрошдет анализ экспериментальных данных. По этим же причинам при спектральном анализе молекулярных газов их иногда специально разбавляют инертным газом (гелием). Наконец, плазма в смесях инертных и молекулярных газов может использоваться для моделирования верхних слоев земной и планетных атмосфер.

Для построения теоретической модели любого плазменного объекта и предсказания его характеристик необходимо знание механизмов ионизации в плазме. Для расчета концентрации возбужденных частиц и интенсивности излучения плазмы необходимо, кро-мо того, знание механизмов их возбуждения и дезактивации, а для расчета концентрации продуктов химических реакций и скорости их наработки - механизмов химических превращений в плазме. Многообразие путей, которыми могут осуществляться все эти процессы,

делает выяснение их механизмов весьма нетривиальным. Сложность задачи усугубляется, во-первых, тем, что процессы различного типа нельзя рассматривать изолированно; так, в ионизации могут участвовать возбужденные частицы и продукты химических реакций, в химических реакциях - электроны и возбужденные частицы и т.д. Во-вторых, для многих процессов отсутствуют надежные данные по сечениям или константам скорости. Все это приводит к тому, что решить эту задачу невозможно без предварительных экспериментальных исследований, в которых находятся основные характеристики плазмы, такие как напряженность поля, концентрации возбужденных частиц и продуктов химических реакций и т. д. Наличие экспериментальных данных позволяет "расцепить" уравнения баланса для частиц различного типа, исключить неизвестные константы и сечения, проверить правильность функции распределения электронов по энергиям (ФРЗЭ) и т. д. В результате задача нахождения механизмов процессов становится разрешимой. Однако для выполнения такой программы необходимо проведение широкого комплекса измерений во всем интервале экспериментальных условий.

К моменту начала нашей работы исследования, имевшие целью установить механизмы основная физико-химических процессов в плазме в смесях инертных и молекулярных газов, прагаически отсутствовали (исключение составляли лишь процессы колебательной кинетики). Е данной работе такие исследования проведены систематически, комплексно, с применением различных экспериментальных методов и в широком интервале экспериментальных условий. Это дозволило•надежно установить механизмы всех основных процессов: ионизации, возбуждения и дезактивации молекул и атомов, химических реакций, протекающих в смесях исследованного состава в рассмотренных диапазонах экспериментальных условий. Как правило, эти результаты могут быть экстраполированы на более широкую область условий и смеси другого состава

Обгектом исследования была плазма в двух-трехкомлонентных смесях, составленных на основе гелия. Выбор гелия как основной компоненты связан с тем, что он в этом качестве чаще других инертных газов используется при составлении лазерных смесей и при решении других практических задач. Основными молекулярными добавками были азот и окись углерода Такой выбор был обуслов-

лен, во-перЕых, их широкой распространенностью в различных при----------- лоиениах, а во-вторых, тем, что плазма в чистых N2 и СО достаточно хорошо исследована. Это делает анализ процессов в смесях более достоверным, а также позволяет проводить весьма полезное для экстраполяции и обобщений сравнение свойств и характера процессов, протекающих в чисти газах и в смесях. В качестве третьих компонент присутствовали кислород и ксенон - добавки, используемые в лазерных смесях. Кроме того, в плазме содер.та-лись продукты химически/, превращений - атомы N, О, С, молекулы N0, С02, С2 и т. д. Концентрация молекулярных примесей в исходных смесях была от ~0. IX до ^ÍOZ. Это - интеоаал, характерный для широкого круга реальных систем. Вместе с Тем, он интересен тем, что в этих условиях и атомы инертного газа, и молекулы могут играть в процессах возбуждения и ионизации активную роль, в результате чего плазма по своим свойствам существенно отличается от плазмы как в чистых инертных, так и в молекулярных газах.

Диапазон давления смеси выбирался от нескольких десятых тора до ~-10 Тор, плотности тока от «0.1 до ~10 мА/см2 . Эти условия отвечают слабому разогреву газа и сильной неравновес-

поотк плазмы и являются типичными для большого числа плазменных слотом. Хроме того, такие условия благоприятствовали измерению констант элементарных процессов С см. нихе).

3 работе такле представлена результаты исследований механизмов ионизации и химических реакций в моящом электроразрядпом СО-лагере азпгерывкого деЯстх/.-я с продольным возбуждением и жидко-азотным охлаждением стенки трубки. Параметры разряда -ток, давление газа, состав смрсй - соответствовали указанному вьте диапазону условий.

Небольшая часть работы посвящена изучению разряда в чистых инертных газах (Иэ, Но, Лг) и в смеси Не - N°. Это обусловлено стремлением апробировать используемые в работе подходы и методы на более простых объектах. Лолучоин-З ;.ри саом результаты представляют и самостоятельный интерес.

Экспериментальные исследования плазмы традиционно являлись "дним ия важнейших источников информации об элементарных про-нессах, их кинетике и константах. И в настоящее время такие

исследования позволяют изучать процессы, не доступные для других, более "чистых" методов (например, метода пучков). Экспериментальные условия, в которых проводились измерения э данной работе, особенно область низких парциальных давлений молекулярной компоненты, весьма благоприятствовали решению этой задачи. Благодаря этому удалось получить большое число новых данных о закономерностях протекания и константах процессов с участием атомов, молекул и электронов. Для получения более надежной информации большая часть измерений выполнена в условиях нестационарной плазма послесвечения разряда.

Экспериментальными методами исследований были преимущественно методы оптической спектроскопии:

метод излучения, позволявший измерять концентрации возбужденных частиц, газовую и колебательную температуры, функцию распределения молекул по колебательным уровням и концентрацию частиц - продуктов химических реакций. Измерения велись в диа- • пазоне длин волн от 200 нм до 5 мкм;

метод поглощения в различных вариантах, в том числе предложенных в данной работе;

методы кинетической спектроскопии в разных модификациях. Характерные времена исследованных процессов были от мкс до /«/10 мс;

метод оптического возбуждения (оптической накачки) плазмы, получивший в работе существенное развитие. Использовались различные варианты метода: накачка разряда или послесвечения другим разрядом, накачка перестраиваемым лазером, накачка разрядом самого себя и воздействие на активную среду лазера собственного индуцированного излучения.

Воздействие внешнего излучения на плазму самостоятельного разряда может привести к изменению ее электрических и электро-ккнетических характеристик. В этом случае говорят об оптогаль-ваническом эффекте (ОГЭ), имеющем в настоящее время многочисленные приложения. В данной работе исследования ОГЗ позволили уточнить механизмы ионизации в разряде в инертных газах и в мощном электроразрядном СО-лазере. Одновременно были выяснены механизмы и самого ОГЭ. При этом, в отличие от всех предыдущих работ, при изучении ОГЭ проводились не только электрические и

эондовые, но и оптические измерения. В результате впервые удалось дать количественное, подтвержденное экспериментально, описание процессов, приводящих к ОГЭ.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- обнаружено существование нового эффекта - изменения механизма ионизации в самостоятельном разряде под действием собственного индуцированного излучения; обнаружен новый процесс ионизации в самостоятельном разряде в смесях, содержащих СО -ассоциативная ионизация СО(у) + С0( 11Х) (С0)£ + е ; выяснен механизм влияния кислорода на эдектрокинетическле параметры плазмы СО-лазера;

- выяснены .механизмы оптогальвапического эффекта в разряде в инертных газах под действием излучения разряда в том же газе и оптогальванического эффекта в СО-лазере под действием собственного излучения лазера; обнаружена область резкого уменьшения величины ОГЭ, а затем его исчезновения в разряде в инертных гагах при уменьшении давления;

- выяснены основные механизмы ионизации в разряде в смесях Не-СО, Из-СО-О2 и в плазме мощного электроразрядного СО-лазера; выяснены основные механизмы возбуждения и дезактивации элегст-рснлих состояний молекул СО и Нг в разряда в смесях, содержащих Не, СО, М-,, Хе, ; выяснены основные механизмы образования и гибели атомов О, С и N в разряде в смесях Не-СО, Не-С0-02, Не-¡.'2, механизмы образования и гибели молекул С02 в разряде в смесях Не-СО, Не-СО-Од и в плазме электроразрядного СО-лазера;

- обнаружены процессы передачи возбуждения в СО с уровней

а П на другие триплетные состояния при столкновениях с молекулами СО; доказано существование процессов передачи возбуждения в Ы2 между состояниями А3£" и В5П, В^П и при столкновениях с атомами гелия; показано, что основным процессом тушения состояния а3П СО молекулами собственного газа является элект-рс>:ио-колебательная релаксация с преимущественным заселением уровней V ■ 5 - 13 основного состояния СО; в стационарной и распадающейся плазме в смесях Не-СО обнаружено существование у возбужденных молекул С2 вращательного распределения с температурой, значительно ниже газовой;

- измерены константы скорости дезактивации метастабильных

уровней неона электронами, ступенчатого возбуждения состояний СО, столкновительной передачи возбуждения между уровнями Не и Ие, электронными состояниями СО, N2 ; константы тушения СО(а^П) колебательно-возбуждененными молекулами СО, пеннинговской ионизации СО и N2 атомами гелия в излучающих состояниях и пеннин-гововской ионизации колебательно-возбужденных молекул СО; конс-такту образования СО^ при столкновениях СО и О^ ;

- предложены новые, технически легко реализуемые методы измерения концентрации атомов N. С и молекул ^(А^Х) в разряде и времени жизни атомов С в разряде и в послесвечении; метод измерения начального времени спада электронной температуры в распадающейся плазме в гелии;

- получены формулы для диффузионного времени жизни метаста-бильных атомов и молекул в плазме при произвольном радиальном распределении источников возбуждения, наличии отражении частиц от стенки и тушения в объеме; получены универсальные соотношения для эффективной радиационной вероятности молекулярной полосы при наличии пленения резонансного излучения.

Научная и практическая значимость работы. Полученные в работе данные о механизмах ионизации в плазме необходимы для расчета величины приведенного электрического поля - основного параметра, определяющего состояние электронной компоненты в плазме в смеси данного состава. Данные о механизмах ионизации и константах скорости (КС) возбуждения и дезактивации молекул необходимы для расчета концентрации молекул в возбужденных состояниях и интенсивности излучения плазмы. Данные о механизмах и КС образования и гибели частиц - продуктов химических превращений в плазме необходимы для расчета концентрации этих частиц, химического состава плазмы, скорости "выгорания" исходньи компонент и наработки продуктов. Данные о механизмах оптогальвани-ческого эффекта необходимы при планировании и анализе результатов исследований, основанных на использовании ОГЭ.

Результаты данной работы, полученные при изучении механизмов ионизации, оптогальванического эффекта, химических реакций и констант процессов бшш использованы при создании теоретической модели мощного электрораарядного СО-лазера.

Результаты исследований элементарных процессов, их кинети-

га и константы могут быть использованы при построении квззимо-_лекулярных_термов и физических моделей неупругих столкновений атомных частиц.

Полученные формулы для расчета диффузионного времени жизни метастабильных 'атомов и молекул и эффективной вероятности частично плененного перехода в молекуле могут быть использованы для любых плазменных систем, не имеющих больших градиентов газовой температуры. В частности, они использовались в работах, посвященных исследованию диффузии оптически-ориентированных атомов.

Шедложенные методы измерения концентрации атомов N и С, времени юани атомов С, концентрации молекул ) я времени

релаксации электронной температуры могут быть использованы для диагностики различных плазменных систем. Обнаруженное в работе при исследовании ОГЭ существование критического давления может быть использовано при выяснении механизмов ионизации в плазме самостоятельного разряда. Развитые и усовершенствованные оптические методы исследования - оптической накачки, поглощения и кинетической спектроскопии - могут быть использованы при изучении плазмы любых газов.

Апробация работы и публикации. Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены на X и XVI Международных конференциях по физике электронных и атомных столкновений (Париж, 1977, Нью-Йорк, 1889), на XV, XVII, XVIII и XX Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Минск,1981, Будапешт,1985, Суон-си,1987, Пиза.1991), на X и XI Европейских конференциях по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Орлеан,1990, Санкт-Петербург,1992); на XVII, XIX и XX Всесоюзных съездах по спектроскопии (Минск,1971, Томск,1983, Киев,1988), на Всесоюзных конференциях по физике электронных и атомных столкновений (Ужгород,1972, Петрозаводск,1978, Ленинград,1981, Ужгород,1988), по Физике низкотемпературной плазмы (Киев,1375, Киев,1979, Ленинград,1383, Ташкент,1Р37) и по генераторам низкотемпературной плазмы (Фрунзе,1983), на заседании Научного совета АН СССР по проблеме "Физика электронных и атомных столкновений" (Ленинград, 1985) и на всесоюзных и региональных совещаниях и семинарах. Теме диссертации посвяаено 70 публикаций, основное ее со-

держание изложено в работах [1 - 34].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объем ее 4Й2 стр., в том числе 365 стр. текста, 138 рис. и 15 таблиц; библиография -443 наименования.

- СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, степень новизны и значимости результатов.

Первая глава посвящена исследованию механизмов ионизации и возбуждения в газоразрядной плазме низкого давления.

В £1 изучаются механизмы ионизации в разряде в инертных газах - гелии, неоне и аргоне. Оценки показывает, что при 10<2см~3, р^<10 Тор наиболее эффективными ионизационными процессами являются следующие

А + е -* А+ + 2е, (1)

А* + е -» А*" + 2е, (2)

А* + А* -* А+ + А + е (или А^ + е), (3)

где А* - атом в метастабильном состоянии. Проблема состоит в том, чтобы выяснить вклад каждого из этих процессов.

Ко времени начала наших исследований (начало 70-х годов) имелось несколько работ, в которых для разряда низкого давления в гелии и неоне рассчитывались скорости процессов (1 - 3) и определялся вклад каждого из них. Эти работы, однако, использовали расчетные или даже оценочные значения сечения процесса (2) и (в большинстве случаев) расчетные концентрации возбужденных атомов А*. Точность и тех, и других расчетов была весьма низкой.

В нашей работе эти недостатки были устранены. Концентрация атомов а" измерялась методом поглошэния, а для сечений процесса (2) были взяты результаты незадолго до этого опубликованной экспериментальной работы. Кроме того, для выяснения характера ионизационных механизмов проводились исследования оптогальвани-ческого эффекта под действием излучения другого разряда в том же газе. ОГЭ представлял и самостоятельный интерес [355.

*

Расчеты, использующие данные оптических и зондовых измерений и теоретические ФРЭЭ, показали, что для каждого из трех газов (Не, Ме, Аг) при заданном давлений "существует "два значения тока ц и ¡2 таких, что при доминирующим является процесс (1), для 1>12 - процесс (2) и для ^<¡<¡2 ~ процесс (3). Значения , 12 падают при увеличении давления и при переходе от Не к Ке и затем к Аг. В трубке радиусом см и при р/^1 Тор для Ке, Ме и Аг 1, ~ 1, 1 и 0.1 мЛ, )2~100, 10 и 1 мА.

Выяснение ионизационных механизмов позволяет объяснить падающий характер завис::мостм ЕШ. Он обеспечивает ионизационное равновесие во всей области токов путем регулирования: при мини-мальгил? тстах - скорссти пря?«« ионизации, в остальных случаях - скорости возбуждения метастабильных состояний.

Исследование ОГЭ также выявило ряд общих для всех рассмотренных газов закономерностей. Из них наиболее характерной является существование области резкого уменьшения величины ОГЭ вплоть до исчезновения при достижении некоторого критического давления рк. Так проявляется переход к прямой ионизации как основному ионизационному механизму при низких давлениях. Величина Рк уменьшается с ростом тока и падает в ряду Не, Ие, Аг.

Установлены конкретные механизмы, с помощью которых ОГЭ восстанавливает ионизационный баланс, нарушенный при освещении разряда. В зависимости от рода газа и условий эксперимента, это может быть увеличение константы скорости прямой или ступенчатой ионизации, либо увеличение скорости возбуждения атомов, с тем чтобы сохранить суммарную концентрацию атомов в нижних возбужденных состояниях.

§2 поевясзн исследованию процессов ионизации в разряде низкого давления е смесях Ке-СО и возбуждения молекул в смесях Не-Ы2, Не-СО» Не-СО-О^, Не-Х&-СО.

Основным механизмом ионизации в разряде низкого давления в СО является, согласно [36], процесс

СО + е •* С0+ + 2е. С 4)

Данные о роли различных ионизационных процессов в смесях Не-СО

литературе отсутствовали.

В нашей работе исследовался разряд в смеси Не-СО, прокачиваемой через разрядную трубку диаметром 3.5 см. Методом зондов измерялась напряженность электрического поля в полож .тельном столбе разряда Температура газа находилась спектроскопически, по колебательным или электронно-колебательным полосам СО, а также рассчитывалась. Колебательная температура СО определялась из колебательного или электронно-колебательного спектров СО или С0+. ОРЭЗ была рассчитана для наших условий И. 3. Кочетовым и КГ.Певговым методом, изложенным в [373. На основании этих расчетов и измеренных значений Е/М была найдена усредненная по сечению концентрация электронов.

Смесь содержала от 0.1 до 102 СО при полном давлении газа от 0.5 до 12 Тор. Средняя по сечению температура газа менялась от 300 до 470 К, Ту от 1000 до 6000 К, Е/М от 5 до 52 Тд, пв от 2-103 до 5.7-10<0 см'3.

На основании полученных данных рассчитывались скорости различных ионизационных процессов. Основной вклад в ионизацию давали процессы (4) и

СО + Не* -» СО* + Не + е. ~ (5)

где Не - атом гелия в метастабильном состоянии. Основной механизм гибели заряженных частиц - амбиполярная диффузия. Рассчитанная суммарная скорость их образования и скорость гибели удовлетворительно согласуются между собой во всем диапазоне экспериментальных условий.

Далее были рассмотрены основные механизмы возбуждения электронных состояний молекул СО и в плазме. В СО исследовались состояния В^Х , С*X.. <33Л и а'3Х. Оказалось, что основной процесс их заселения - возбуждение электронным ударом

СО + е •» СО + е, (6)

а дезактивации - радиационный распад, тушение молекулами СО и атомами Не. Получены значения КС тушения и величина наклона сечения возбуждения в припороговой области энергий. Часть этих величин ранее была неизвестна

Особое внимание в работе было уделено изучению метаста-Сильных состояний СО и - а3П_и Аъ£. Состояние СО;а3Ш детектировалось по излучению на запрещенном переходе а3П -> (система Камерона). Из результатов этих измерений следовало, что основным процессом его заселения является электронный удар

(6), а в смесях с Хе - еще и передача возбуждения от метаста-бильных уровней Хе.

Измерить концентрацию метастабильних молекул К2(Д3Х) по яркости запрещенного перехода Еегарда - Каплана Аг¿Г-> ХУХ обычно не удается из-за мешающего действия других, более интенсивных систем N2. В данной работе для этого предлагается измерять яркость полос ВК в послесвечении, где излучение маскирую:?« систем значительно слабее. Затем экстраполяцией можно определить заселенность в разряде. Измерения показали, что основными процессами заселения А3Х являются возбуждение электронным ударом

и радиационные переходы из вышележащих состояний. Механизмы ^ з

дезактивации уд г) и СО (а Л) рассматриваются в гл.Ш.

Далее описываются измерения КС ступенчатого возбуждения СО и N9 •

" ЦП *

А + е * А + е, (7)

где Ат- метастабилыше молекулы СО (а3П) и М2(А3Х). Данных о КС и сечениях этого процесса до настоящего времени крайне мало даже для атомарных объектов. Для молекул они до нашей работы отсутствовали полностью.

Мы использовали для измерений метод подогревающего импульса, накладываемого на плазму в послесвечении [383. Варьирование амплитуды этого импульса позволило найти зависимость КС процесса (7) от Е/М. При этом была разработана процедура обработки результатов, позволявшая надежно отделять ступенчатое возбуждение от прямого.

Исследовалось возбуждение состояний СО а,32Г, й Л и

а Ч

Ъ''!!. Эти состояния оптически связаны с а П, так что процесс

(7) должен для них протекать особенно эффективно. Комбинируя полученные данные с расчетными моделями, удалось также найти параметры сечений ступенчатого возбуждения.

Для азота исследовалось состояние С^П . Оказалось, что

вплоть до минимальных E/N в подогревающем импульсе ступенчатое возбуждение играло несущественную роль по сравнению с прямым. Отсюда была найдена оценка сверху для наклона сечения в припо-роговой области: do/d£ <10"<S сма/эЯ Из этой оценки, в частности, следует, что в самостоятельном разряде в азоте и в смесях He-N2 процесс (7) можно не учитывать. Этот результат важен, поскольку состояние СЭП часто используется для диагностики плазмы, например, определения Т^, и отсутствие ступенчатого возбуждения является одним из условий применимости метода

В § 3 изучаются процессы ионизации в плазмэ электроразрядного СО-лазера. Знание механизмов ионизации необходимо при расчете параметров электронной компоненты активной среды лазера. В выполненных ранее работах делались попытки (не даваке определенного ответа) выяснить эти механизмы для плазмы маломосдых лазеров, работавших без быстрой прокачки газа и криогенного охлаждения. В данной же работе рассматривается пгагма СО-дагера, имевшего выходную мощность до 850 Вт или КПД до 50% [39]*. Давление газа в системе было 4-12 Тор, разрядный ток 20 - 100 мА. Смесь прокачивалась через разряд со скоростью до ~100 м/с, стенки трубки охлаждались жидким азотом. Использовались результаты спектроскопических измерений газовой и колебательной температур, их радиального•профиля и функции распределения молекул СО по колебательным уровням. Численно решалось стационарное уравнение диффузии для электронов, откуда определялась величина E/Í1.

В смесях Не-СО (где генерация отсутствовала) основным механизмом ионизации оказалась прямая ионизация СО [реакция (4)3. Яначния E/N, рассчитанные для такого механизма, хорошо совпали с экспериментом.

Добавление в смесь кислорода в количестве 2 - 3Z от СО в отсутствие генерации снижало E/N на 10 - 20%. Это наблюдалось и ранее другими авторами. Предлагалось несколько вариантов объяс-

* Автор не участвовал в создании лазера и в измерениях,но ему принадлежит основной вклад в анализ процессов ионизации и в выяснение механизмов ОГЭ и образования С02 (гл. IV) в активной среде.

нения такому явлению. Анализ показал, однако, что ни один из

них не годится, по крайней мере для рассматриваемых.здесь____

условий.

Наблюдаемое уменьшение E/N должно было приводить к существенному (на порядок) уменьшению скорости ионизации СО. Отсюда следовало, что добавление кислорода приводит к появлению нового механизма ионизации. Расчет показал, что ионизация молекул 0£ {прямая или ступенчатая) не может обеспечить необходимую эффективность.

Кроме снижения K/N, добавление кислорода, как известно, резко увеличивает заселенность высоких колебатеиных уровней СО. Нам показалось естественным связать искомый .дополнительны;! процесс ионизации с колебательно-возбужденными молекулами СО. Были рассмотрены различные реакции с участием CO(v). Из них единственной подходящей оказалась реакция

С0(V V 15) + ОЗЛ^Х) + е, (8)

где I^Z - метастабильное состояние с энергией ~ 8 эЕ Расчет Е/Я с учетом- этого процесса, дал значения, совпадающие с экспериментом.

При включении генерации в смеси Ш-СО-О2 концентрация молекул СО на высоких уровнях v резко падает и приближается к наблюдаемой в смеси He-СО. Поэтому механизм ионизации, а следовательно, и величина E/N, должны стать такими же, как в смеси Не-СО. Это действительно наблюдается в эксперименте. Именно этим можно объяснить наблюдавшееся на данной, а также на других установках с СО-лазером изменение электрических характеристик разряда при генерации, т. е. ОГЭ под действием собственного индуцированного излучения. Предложенный нами механизм его возникновения количественно хорошо описывает эксперимент.

Вторая глава диссертации ( $ 4, 5) посящена исследованию неупругих процессов, происходящих при столкновениях с участием возбужденных атомов. Рассматривается два наиболее существенных для плазмы низкого давления типа процессов: передача возбуждения и пеннинговская ионизация.

В & 4 изучается передача возбуждения от метастабильных

атомов гелия к атомам неона

1^(2%) + Ке Не + Ко*"(2р?5з, 2р54с1). (9)

Один из каналов этой реакции ведет к заселению верхнего лазерного уровня Зз2 (в обозначениях Пашена).

К началу нашей работы (1970 г.) КС возбуждения уровней 4с1 в литературе отсутствовали, а для уровней 5з различие между данными разных авторов достигало трех порядков (в том числе для Зза четырех раз). Главными источниками погрешностей были, по нашему мнению, недостаточно корректный учет возбуждения уровней электронным ударом и столкновения, перераспределяющие атомы по уровням. Использованный в нащей работе метод оптического возбуждения устранял необходимость учета первого из этих процессов и позволял поэтому работать при низком давлении, когда "перемешивающие" столкновения не существенны. Это резко уменьшало систематические ошибки.

Идея метода состояла в том, что разряд в смеси Не-Ие.освещался излучением вспомогательного гелиевого разряда Линия накачки отвечала переходу 2*5 - 2*7. Это вызывало уменьшение заселенности уровня 2'Б основного разряда, а татке, в результате реакций (9), и уровней Ке*. Измерив величину этих изменений, можно было найти КС исследуемых процессов.

Измерения велись при давлении Ке 0.02, Не 0.1 - 0.2 Тор. Контрольные эксперименты показали несущественность в этих условиях "перемешивающих" столкновений. Отсутствовал и ОГЭ (р < Усредненные по скоростям сечения реакции (9) составляли от О. 9>10-<г (Зэ3) до а5-10"Г6(3£52) см2 (с относительной ошибкой 107. и абсолютной ~ 50%).

Полученные результаты качественно согласуется с рассчитанной позднее С 40) схемой термов квазимолекулы НеКе* В частности, малое сечение возбуждения уровня Зз3 объясняется запретом перехода О* ■* 0* между термами.

В $ 5 рассматриваются процессы пеннинговской ионизации (ПИ) при столкновениях возбужденных атоиов гелия с молекулами СО и "а

А* + В А + В+ + е. (10)

Интерес к реакции ПИ обусловлен ее большой ролью как механизма ионизации и тушения метастабильнцх атомов в плазме, возможностью использования еёкак источник информации о лотенциа- -лах взаимодействия и рядом других факторов. В настоящее время имеется очень иного данных о сечениях и константах ПИ молекул, однако практически все они относятся к процессам с участием атомов А* в метастабильньи состояниях и молекул на нулевом колебательном уровне. Между тем, в условиях плазмы колебательно- возбужденной может быть болыгая часть молекул. Вклад реакций с участием немэтастабильных атомов также может быть, по оценкам, значителен. Отличительной особенностью данной работы является как рал то, что 2 «ей изучается пи с участием не гозько мота-стабильных 2,,J3-, но и неметастабильных 2атомов гелия, с одной стороны, и колебательно-возбужденных молекул - с другой.

Измерения велись в стационарном разряде или в послесвечении в смееи Не 0.12 СО или N2. Газовая температура на оси разряда была 330+30 К. Колебательное возбуждение молекул осуществлялось разрядом, колебательные заселенности СО (v - 2 - 8) измерялись по ИК-полосам излучения в 1-м обертоне, а также рассчитывались. При аппроксимации их болыдмановским распределением получалась колебательная температура от 1500 до 7000 К.

¡I>í метзстабильнкми атомами изучалась в послесвечении разряда. Для исследования процессов с участием He(2<(iP) применялось оптическое возбуждение стационарного разряда или послесвечения излучением гелиевого разряда на переходах 2<>JS - 2<|5Р. Оптические измерения з послесвечении велись методом счета Фото-ков в реляме преобразования время - амплитуда. Временное разрешение было 2 мкс. Измерялись полные и парциальные (с возбу.жде-нкем электронных и колебательных состояний иона) константы ПИ.

Измерения проводились дря различная колебательных температурах. Зависимость КС возбуждения уровней v' состояний А2П и

иона СО* от Т^ оказалась близкой к рассчитанной в предположили, что сечения ПИ пропорциональны факторам Франка - Кондона перехода СО* *■ СО. Пропорциональность сечений ПИ и q^y наблюдалась и ранее у многих систем, но только для метастабшгьных уровней и v - О. Результаты данной работы показали паличие ее для пары Не -СО также и при v>0, и для 2'"*Р-атомов. Такая

закономерность свидетельствует о слабом возмущении атомом Не термов молекулы СО, и прежде всего разности £Ггс равновесных межъядерных расстояний СО и С0+. Обработка полученыи-х результатов показывает, что !Д (<5~гс)! не превышает (3 - 5)-10'3А, что сотавляет 0.3 - О. 5X от гс. По порядку величины это совпадает с имеющимися в литературе теоретическими данными для пары Не -Н2.

Суммирование по V' дало значения КС возбуждения состояния В2£ иона и АгП и В2Х иона СО+ в реакциях П2 и СО с Ке (г"1'^, 2,3Р). Полученные величины не зависели от Ту. Используя данные по КС тушения Не* (см. ниже), можно было получить КС образования СО и в основном стоянии.Х^ЗТ. Найденные значения КС согласуются с обменным механизмом ПИ и позволяют получить информации о конфигурации системы в момент вылета электрона.

Временные измерения в послесвечении и измерения в разряде с использованием оптичесого возбуждения позволили определить КС тушения зтомое Ке молекулами СО. Полученные величины не зависели от Ту и росли в последовательности 233, 2*3, 23Р, 2*Р. Качественно эта закономерность может быть объяснена различиями в потенциалах взаимодействия частиц: существованием на потенциале

3)-С0 особености на отталкивательной ветви, аналогичной обнаруженной для систем Не-Аг,Н2; наличием ямы глубиной >кТ на терме Не(25Р)-С0 (аналогично Не-Н2); диполь-дипольным и квад-руполь-квадрупольным взаимодействием Не(2'<Р) и СО. Нельзя также полностью исключить заметного вклада в туиение г^З, кана-

лов иных, чем Ш.

Третья глава ( £ б - 8) посвящена исследованию кинетики метастабильных молекул и процессов с их учстием. Здесь рассмотрены процессы дезактивации метастабильных молекул, ее каналы, роль метастабильных состояний в возбувдении других уровней.

В £ 6 изучется кинетика молекул СО(а3П) и процессы с их участием. Состояние а3П - самое нижнее (6 эВ) и самое заселенное из возбужденных состояний СО. Известно, что оно эффективно тушится молекулами собственного газа КС этого процесса измерены для 0 - 2. Однако эти измерения проводились в условиях, когда тушащие молекулы были колебательно не возбужденными. Вопрос о влиянии колебательного возбуждения СО на КС тушения а3П рассматривается в данной работе.

Исследование распада уровней а3П в послесвечении разряда ь сдаси Н»-СО показало,-что тушение молекулами СО является основ-.

нкм механизмом дезактивации а3П. Полученные КС тушения уровней

О - 3 при минимальной Ту » 1 ООО К были равны соответственно 1.0, 1.0. 1.3 и 1. 4-\0~10 сг>: 3/е (С погр-;-;сстью 15%), что близко I: результатам предадут«/ раСот для Т^ ^ 300 К. Однако с увеличением Ту КС падали - до 1.5 раз для у'-0 и до 2 раз для остальных V' при 7000 '-'.

Кг рассмотрения во&мзгсгкх каналов туиекия следовало, что главным из них должен быть переход в Х^Г-состояие с передачей засела; а /.злс^"-;"::;"? :• ттг^ттптелъну« степени свободы (КУ-ролаксацпл)

СО*'(ааШ + СО •* 00*4 СО^ (И)

где СО*7 - колебательно-возбужденная молекула СО. Для проверки этого вывода была поставлена работа, идею которой предложил А. Н. Лобанов. По яркости ИК-полос в 1-м обертоне измерялось распределение молекул СО по колебательным уровням основного состояния в разряде. Это распределение сравнивалось с расчетом, учи-тегаеткм электродное возбуждение колебательных уровней, УЧ- и V; рохаксапяю, излучение и ди&у&ки стон;®. Расчет проводился по программе А. Н. ХоСаноьа. Результат» расчета оказались близкими г. экяперям&яту для шз-яи* уровней (v -- 2, 3), но для Солро высоких измеренные величины превшазк расчетные - почти на дет порядка при </~10. Дулее предполагалось, что эти расхождения связаны с наличием процесса (11). Этот процесс вводился в расчетную модель, причем считалось, что он равномерно заселяет уровни с интервале от у, до . Параметры ч, , ч2, а татке отношение суммарной КС реакции к КС тушения а3П подбирались исходя из требования согласия с экспериментом для широкого диапазона условий. Такое согласие удалось достичь, при этом получилось V, -5т1, у2»10+1, отношение КС равно реакция (11)

действительно является основным каналом тупения а3 Л. Полученные данные позволяют ра .читать скорость колебательного возбуждения СО в реакции (11) при произвольных условиях эксперимента.

Из полученных величин также еле дуст, что средняя до."я энергии а5Л, переданная в колебание при нрунругпм отолкноррнии,

равна О. 40+0. 05. Это - величина, типичная для процессов рассматриваемого типа.

Для высоких колебательных уровней а3П мы обнаружили другой канал дезактивации - передачу энергии на состояния СО (У), У -а'32Г , й^Д, На полосах с уровней этих состояний наблюда-

лось интенсивное послесвечение с характерным временем ~100 икс. Анализ показал, что искомым процессом заселения состояний У может быть только передача возбуждения с высоких уровней а3П

С0*(а*П, V - 7 - 14) + СО •* С0*СУ) + СО. (12)

Существование этого процесса было доказано экспериментами с лазерной накачой плазмы. Импульсным лазером на красителях в послесвечении разрушались уровни V = 7 - 10 а3П. Одновременно наблюдали за яркостью полос с уровней а'ЛГ. Сигнал регистрировался цифровым накопителем 486. Оказалось, что лазерный импульс действительно вызывал уменьшение заселенности а'3Х, близкое по величине к расчетной. Это доказывало наличие процессов (12). Получены оценки их КС.

67 посвящен изучению метастабильных состояний {?£. и У5Д молекулы азота Состояние А3-2Г„, - самое нижнее (6.1 эВ) и самое заселенное в плазме состояние Н2. В отличие от СО(а3П). это состояние очень плохо тушится молекулами собственного газа. Исследование распада нижних колебательных уровней в послесвечении разряда в смеси Не - Ы2 показало, что, как и в разряде в Ы2 [41], основной механизм дезактивации нижних уровней Аъ£ - столкновения с атомами азота, а также диффузия к стенкам.

Для уровней У>у7 энергетически возможен процесс стол-кновительной передачи возбуждения на состояние В^П^. Предполо- ' жения о наличии такого процесса делались ранее, однако прямых доказательств его существования не было. Для исследования этой реакции мы использовали метод лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) и дезактивации уровня лазерным излучением. Методом ЛИФ измерялся временной спад заселенности уровней А, V' '-3-7. Одновременно по излучению полосы с уровня В,у'«О снималась кривая распада этого уровня. Было обнаружено, во-первых, что при переходе от у"-б к 7 время жизни уровня т резко падает, и во-

вторых,что кривая распада уровня Е.О содержит экспоненциальную компоненту с временем, равным <Г(А. 7). Мощный лазерный импульс,"" частично разрушавший уровень А,7, на столько же уменьшал амплитуду зтоЛ компоненты. Все это прямо указыало на процесс

+ М ¡1,(83П,у=0) + М, (13)

где М-Не,Ы7. Получение данные позволяют найти не известную ранее КС этой реакции для М-Не: к« 0.5-10 см /с.

Следующее по анергии метастабильное состояние N. - V Аи. нижние уровни почти совладаю! с уровнями состояния В П с теми же V, что делает весьма вероятным их стодкновительное "перемешивание"

И2(В3П,у) + Мг±Нг(У3Д.у) + М. (14)

Процессы такого типа последнее время привлекают к себе повышенное внимание, в частности, потому, что могут приводить к эффективной колебательной релаксации. Реакции В V изучались ранее для М-Ке.Аг.Мо. В данной работе они исследовались для М»Не.

Изучался распад состояния В'П в смеси Не-Н2, возбуждаемой кс, этким (2-4 мкс) разрядным импульсом. Характеристики распа да оказались близкими к расчетным, если предположить наличие реакции (14). Полученные из сравнения расчета с экспериментом значения КС процесса В V/ для уровней v = О - 3 равны соответственно 1.0, 5, 3 и 4-10'*йсмэ/с (с погрешностью ~30£). Качественно , досматривая (14) как неадиабатический переход между термами квааимолекуды НеМ^, удалось, используя полученные результаты, сделать определенные выводы о поведении этих термов, а также объяснить сравнительно малое значение КС для ч-О.

В 5 в рассматриваются две расчетные задачи, имеющие непосредственное отношение к тематике главы. Первая - это расчет диффузионного времени жизни т иаилтаЗиль^ьи атомов и молекул в плазме. Рассматривается стационарный и нестационарный случаи, произвольное радиаиное распределение источников возбуждения у(г), наличие отражения частиц от стенки и тушения их в объеме с вероятностью I, не зависящей от г. В общеь случае величина т зависит от времени, от г, от у(г) и не удовлетворяет равенству

Т"1 (15)

где т^ отвечает ¿-О. Если вместо т рассматривать "интегральное" время, описывающее потери всей массы частиц, то все эти зависимости сильно сглаживаются, равенство (15) выполняется с точностью лучше 15%, причем для соответствующей интегральной величины Т^ справедливы простые и достаточно точные соотношения.

Далее рассматривается задача о пленении резонансного излучения молекулярной полосы. В работе получены соотношения для эффективной вероятности колебательных или электронно-колебательных переходов в двухатомных молекулах. При этом эффективная вероятность каждой из вращательных линий полосы рассчитывалась по формулам теории Еибермана - Холстейна, несколько видоизмененным для устранения расходимости при малых коэффициентах поглощения. Расчеты сделаны в предположении, что контур вращательных линий фойхтовский и что линии не перекрываются. Задача решается для двух предельных случаев - быстрой и медленной (по сравнению с радиационным распадом) вращательной релаксации и для двух видов геометрии системы - кругового цилиндра и плоского слоя. Для полос с не очень сложной структурой, например, синглетных X -X или Л -£., точность полученных выражений не наыного хуже точности формул Еибермана - Холстейна.

Четвертая глава (§9 - 11) посвяшэна исследованию химических реакций, происходящих в плазме. В #9 описываются методы измерения концентраций и результаты изучения процессов образования и гибели атомов Ы, О и С.

Атомы азота исследуются в плазме в смеси Не-% при содержании М2 0.1 - 1%, Е/Ы - 5 - 20 Тд, па - 109 - г-Ю^см"3, Т^ -300 - 360 К, Ту - 1000 - 9000 К Для измерения концентрации № предлагается метод, осованный на измерении времени жизни молекул И2(Аъ £). Основной механизм дезактивации этих молекул в объеме в широком диапазоне экспериментальных условий - это столковения с атомами N (гл. Щ). КС этой реакции хорошо известна, что и дает возможность найти СМ. Предложенный метод может быть использован в разряде в смесях Ы2 с другими инертными газами и в чистом азоте при низких давлениях. Полученные в работе значения [N3 росли с увеличением тока и давления Ы2; степень диссо-

---------пиаиии Я2 была.от._0.7% до 20%. Анализ этих величин и их зависимостей от условий позволил установить, что основным механизмом образования атомов К является процесс

Л, + е N + N + е 116)

{'л отлично от расряга в частом австе ярк аналогичных условиях

Г 413), Р- освзьзой 1.'--"ат;гм гкОели - рекомбинация на стенке.

Для измерения концентрации атомов О в смесях Не-СО, Не-СО-

С2 гсасяхтечлея несколько модифицированный метод [41]. По яр-

к

/"■от:: Л 777 нм иьмерялась сасе""'тсстъ уроряя <Х ар"?),

заселяемого электронным ударом из основого состояния атома. Зная сечение возбуждения уровня и ФРЭЭ, можно било найти СО]. Этот метод обладает высокой чувствительностью, в условиях данной работы достигавшей - Ю11 см"3.

Полученные значения [0] росли с током, давлением СО и 02. В смесях, содержащих Од, концентрация О была значительно больше, чем без 02. Отношение С О]/[СО] в смесях Не-СО составляло )0'3- 10~2, Г0]/С02] в смесях Не-С0-02 - от 0.02 до 0.4. .

Рассмотрение различных 1?аналив образования 0 и сравнение ух ультатоз расчета с экспериментом привели к выводу, что ос-поьгодс! механизмами образования О в смесях Не-СО при низком давлении являются реакции

СО + е С -I О > е, (17)

00,, ■( !■. СО + О + е. С02 + СоЧа'П) - ЯСО + О. (18а,б)

В смесях Не-СО-О л при С02]/СС0) >0.1 атомы О образуются преимущественно в результате реакции

02 » е О »- О * е. (19)

Основной механизм гибели О во всех случаях - рекомбинация на стенке.

Концентрация атомов С в смесях Не-СО находилась методом,

аналогичным только что описанному - по яркости линии С Л 248 нм с уровня За^Р.,0. Усовершенствование этого метода позволило также

получить зависимость от времени СО в начале разрядного импульса и в послесвечении. В первом случае измерялся временной ход яркости линии С в разрядном импульсе, во втором на послесвечение накладывлись короткие зондирующие разрядные импульсы, возбуждавшие атомы С, но не успевавшие изменить их концентрацию Эти измерения позволяли найти время жизни атомов С. Полученные значения оказались близкими для разряда и послесвечения, не зависели от тока и росли с увеличением давления от 1 до нескольких миллисекунд. Концентрация С была по порядку величины близка к С М.

Анализ этих данных позволил сделать вывод о том, что основным механизмом образования С являются процессы (17) и

СО + ОМ а3 ГО ->С02 + С. (20)

Уход их происходит в результате диффуаии к стенкам, а начиная с р£0 ~ 0.1 Тор - и вследствие реакций в объеме.

{10 посвящен исследованию процессов образования и гибели молекул С02 в разряде в смесях Нэ-СО, Ке-С0-02 и в активной среде мощного СО-лазера.

С02 является основным продуктом плазмохимических реакций в разряде в смесях СО + инертный газ. Несмотря на это, вопрос о механизмах его образования в разряде низкого давления в таких смесях оставался открытым.

В нашей работе концентрация С02, образовавшегося в плазме,, измерялась в широком интервале экспериментальных условиях методом вымораживания газа, выходящего из разряда В смесях Не-СО концентрация С02 росла при малых токах, а затем наблюдалось насыщение на уровне 3-5Х от концентрации СО. Из анализа этих результатов получено, что основной механизм образования СО, - это

я

реакция (20). Определена ее КС - (1.4+0.3)> 10 см /с. Эта величина совпадает с полученной в [36] для разряда низкого давления в СО. Совпадает и вывод о механизме образования С02. Предлагавшиеся другими авторами процессы рекомбинации СО и 0, а также столкновения колебательно-возбужденных молекул СО дают неверные значения СС02) и ее зависимости от условий. Исключение составляет случай низких парциальных давлений СО ( ^<3 - 5 мТор),

где заметной становится рекомбинация СОЮ на стенке. Разрушение СОо~происходит в реагашях (18)г- Их можно рассматривать совместно как реакцию (18а) с КС, равной, согласно измерениям, 0.4+0.1 от КС возбуждения СО(а3П) электронным ударом.

Предложенная модель процессов образования и гибели СО,, позволяет достаточно точно рассчитать величины СС02) в плазме.

Добавление кислорода в смесь заметно увеличивало концентрацию С02. Анализ гг-спсришнталышх данных показал, что это происходит б результате того, что к процессу (20) добавляются реакции

0-, + е О -I- О", 0" + СО - С0Й + е, (21)

СО* аэП) + 02 -> С02 + 0. (22)

КС реакций (21) известны, а для (22) в работе получено значение (6+2). Ю"12 смэ/с.

Предложенная схема оказалась применимой для активной среды мопщого электроразрядного СО-лазера* Концентрация С02> образующегося в плазме, измерялась в этом случае масс-спектрометрически. Стенки разрядной труСгат охла^ались жидким азотом, что приводило к вымораживанию на них СО,-,. В результате относительная концентрация С02 была в несколько раз меньше, чем в аналогичных условиях без выдаралившш. Состаз исследуемых смесей был Нэ-СО, Ке-СО-М^, Не-СО-О^. Оказалось, что концентрация СО,в первых двух смесях удовлетворительно описвыалась моделью, в которой основным процессом образования С02 была реакция (20), а в смеси Не-С0-02 - реакции (20 - 22). Отличие расчетных значений [СО^] от измеренных во всех случаях ке превышало 1.5 раз. При этом использовались полученные в работе значения КС процессов.

Включение и выключение генерации не влияло на концентрацию С02. Это служило убедительным доказательством незначительности вклада процессов с участием колебательно-возбужд-нных молекул СО в образование С02-

В 511 исследуется молекулярный углерод С2, образующийся в плазме в смеси Не-СО. Доказательством присутствия С2 является

м

См. примечание на с. 12.

свечение полос Свана (d% - а3П). Их возбуждение характеризуется двумя особенностями: селективным заселением уровня v'= 6 d3n и аномалиями во ррашательной структуре полос. Причины этих явлений до настоящего времени не были установлены. Не ясны были и механизмы образования и гибели молекул С2 в плазме. Кроме того, не было никаких данных о концентрациях С2 в разряде в смесях, содержащих СО.

Мы использовали для измерения концентрации молекул С^(а П) лазерно-индуцированную флуоресценцию на полосах Свана Полученные значения росли с ростом тока и давления, достигая ~1% от

[СО]. Концентрация С2 в основном состоянии , лежащэм на 75 ъ

мэВ ниже а Л, была методом ЛИФ оценена сверху и оказалась меньше, чем заселенность a3IL Этим же методом была найдена временная зависимость [С2(аэП)] в послесвечении разряда.

На полосах Свана было обнаружено длительное послесвечение (тг 1 мс), особенно интенсивное у полос с v'- 6. Распад этого уровня аппроксимировался разностью двух экспонент с я: 0.5 v^ Уровни v'<6 распадались сходным образом, но после начального резкого спада заселенности.

Распределение интенсивности во вращательной структуре полос Свана с v' <б в разряде было больцмановским с вращательной температурой ^r, равной газовой (300 - 400 К). У полос с v'- 6 Тг оказалась к 200 К. В послесвечении значение Тг для полос с нижних уровней (v'- О, 1) была равна 1500 - 2000 К; с увеличением v' Тг падала, достигая у v'- 6 «150 К.

Полученные данные показывают, что в разряде доминирующим процессом заселения уровней d^n, v'<6 является возбуждение молекулы С2 электронным ударом. В послесвечении этот процесс исчезает, и становятся заметными другие, более слабые процессы, обеспечивающие "горячее" вращательное распределение. Это может быть экзотермическая химическая реакция или передача возбуждения с выделением анергии. Эти же процессы заселяют и уровень v'- 6, но с интенсивностью, значительно большей. 1Ь отношению к нему эти процессы являются уже эндотермическими. Полученные данные позволяют отвергнуть механизмы возбуждения d3!!, предлагавшиеся ранее в ряде работ: атом-атомную рекомбинацию, диссоциацию электронным ударом, трехатомных образований типа С£Х

-----В то же-Время реакцией, которая может рассматриваться как возможный источник заселения ё^П, является"-" ------------- --------

С20 + С -» С* + СО. (23)

В Заключении изложены

САНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате исследований, составивших содержание диссер- • тационной работы,

- во-первых, получены новые данные в области физики и химии неравновес!!ой плазмы, а тагею обширная информация об элементарных процессах, их кинетике и константах;

- во-вторых, получили дальнейшее развитие спектроскопические методы исследования плазма.

Основные научные результаты работы состоят в следующем.

1. Выяснены основные механизмы ионизации в разряде низкого

давления в инертных газах (Не,Ме,Аг), в смесях Не-СО, Ке-С0-02 и и плазме мощного электроразрядного СО-лазера. Обнаружен новый механизм ионизации в самостоятельном разряде в смесях, содержащих СО - ассоциативная ионизация колебательно-возбужденной и метастабильной молекул СО.

Установлены общие закономерности и механизмы возникновения олтогальва. „«¡еского эффекта в разряде в инертных газах под действием излучения ь том же газе и в мощном СО-лазере под действием собственного излучения лазера. Обнаружено существование нового эффекта - изменения механизма ионизации в самостоятельном разряде под действием собственного индуцированного излучения. В разряде в инертных газах обнаружена область резкого уменьшения величины ОГЭ, а затем его исчезновения при уменьшении давления.

2. Вняснены основные механизмы возбуждения и дезактивации

электронных состояний молекул СО и 1<2 в плазме разряда низкого давления в смесях, содержащих Не, Хе, СО, 0^,

Обнаружены процессы передачи возбуждения между электронными состояниями СО (а^П -» трипдетные состояния) при столкновениях с молекулами СО и между электронными состояниями Мг> В*П, В*П -» ¥3Д) при столкновениях с атомами Не. Шказано, что основным механизмом тушения состояния С0( а3П) молекулами собственного газа является электронно-колебатательная релаксация, в результате' которой заселяется преимущественно группа уровней V - 5 - 13 основного состояния СО.

3. Измерены концентрации и выяснены главные механизмы образования и гибели основных продуктов плазмохимических реакций - атомов О, С, N и молекул.С02 в разряде низкого давления в смесях гелия с молекулярными газами (СО, 02, М2), а также механизмы образования и гибели молекул С02 в плазме мойного злект-роразрядного СО-лазера Измерены концентрация и время жизни молекул С2 в разряде в смеси Не-СО; обнаружены особенности в распаде и во вращательном распределении молекул С^й^Л).

4. В условиях, свободных от мешающего влияния электронного возбуждения и "перемешивающих" столкновений, измерены усредненные по-скоростям сечения передачи возбуждения с уровня Не(2уБ0)

у ^

на уровни Ме(2р 5э, 2р 4<3). Измерены константы скорости пеннин-говской ионизации колебательно-возбужденных молекул СО и N атомами НеСг^Б. 21,аР); показано, что, независимо от начального состояния Не* и С0(V), сечения возбуждения колебательных уровней иона СО4" пропорциональны факторам Франка - Кондона переходов СО+ *■ СО, а константы возбуждения электронных состояний АаП и Вг2Г и полные константы тушения Не* молекулами СО не зависят от степени колебательного возбуждения СО.

Измерены константы скорости: дезактивации метастабильных уровней неона электронами, ступенчатого возбуждения в СО и тушения электронных состояний молекул СО и при столкновениях с молекулами и атомами, тушения, ыетастабильного состояния СО (а3ГО колебательно-возбужденными молекулами СО,; передачи возбуждения между электронными состояниями Н2 (А*2Г -» В^П, В3П -»

при столкновениях с атомами Не; константы скорости образования молекул С02 при столкновениях СО(а*ГО с СО и 0^,

диссоциации СС>2 электронным ударом.

5. Выведены формулы для расчета диффузионного времени кивни метастабильных атомов и молекул в плазме для стационарного и нестационарного случаев, при произвольном радиальном распределении источников возбуждения, тушении частиц в объеме и частичном отражении от стенки; показано, что используемые обычно простые соотношения для диффузионного времени могут привести к значительным ошибкам, которые существенно уменьшится при переходе к интегральной (по объему) величине. Подучены формулы для

радиационном вероятности молекулярной полосы при наличии пленения резокаксксго излучения.

С точки зрения развития методов исследования, в работе

1) развиты или усовершенствованы метод оптического возбуждения (оптической накачки) плазмы в различных его модификациях, методы реабсорбциии и кинетической спектроскопии;

2) разработаны и апробированы новые, технически легко реализуемые, спектроскопические методы измерения концентрации атомов Н, С, молекул НгГА^2Г), времени жзни атомов С и начального времени спада электронной температуры в распадающейся плазме в гелии;

3) впервые провидены комплексные (электрические, зондовые и оптические) исследования оптогальванического эффекта в разряде.

Полученные в работе данные о механизмах ионизации, возбуждения V, дезактивации уровней, химических превращений в плазме и о константах скоростей этих процессов позволяют строить на качественно новом уровне физически обоснованные теоретические модели плазменных систем на основе инертных газов и их смесей с молекулярными. В частности, они дают р"змохност:. рассчитывать с приемлемой для практических целей точностью электрокинетические и оптические характеристики и химический состав плазмы. Обнаруженные не известные ранее элементарные процессы, установленные закономерности их протекания и данные о неизвестных ранее константах скорости реакций существенно расширяют знания в области

физики столкновений, углубляют понимание механизмов их протекания и могут служить основой для дальнейшего развития теории неупругих столкновений атомных частил Осуществленные в работе развитие и усовершенствование спектроскопических методов исследования плазмы и протекающих в ней элементарных процессов расширяю® возможности таких исследований, повышают надежность и точность их результатов.

В целом результаты проведенных исследований позволяют заключить, что в работе сделан принципиальный шаг в развитии представлений о важнейших физико-химических процессах, происходящих в неравновесной атомно-молекулярной плазме, о кинетике этих процессов, их константах и их роли в формировании основных характеристик плазмы.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Ионих КХ 3. .Пенкин Е П. Возбуждение линий 2p-3s неона в смеси гелий-неон//Оптика и спектр. 1971. Т. 31. В. 5. С. 837-840.

2. Ионих Ю, 3. , Пенкин Е П. , Куранов А. Л. Возбуждение линий неона 2p-4d при ударах второго рода с атомами гелия в состоянии 24S„ //Оптика и спектр. 1973. Т. 34. а 4. С. 814-815.

3. Ионих Ю. 3. , Пенкин Е П. , Самсон А. Е Изменение свойств разряда в аргоне при освещении//Вестник ЛГУ. 1974. В. 10. С. 50-56.

4. Ионих К13. .Пенкин ЕЕ .Самсон А. В. Влияние внешнего освещения на положительный столб разряда в неоне//Вестник ЛГУ. 1976. а 4. С. 51-60.

5. Девдариани А. 3. .Ионих 1й 3. ,Пенкин Е Е .Самсон А. Е Эффективные сечения возбуждения состояния иона N^ при пеннин-говской ионизации молекулы N2 атомами Ho^^S, 2H,iP)// Оптика и спектр. 1977. Т. 42. Е 2. С. 230-235.

6. Ионих аз. .Пенкин ЯЕ .Самсон А. Е Разрушение метастабильных уровней неона электронами в разряде низкого давления//Оптика и спектр. 1977. Т. 43. Е 5. С. 831-834.

7. Ионих Е 3., Пенкин К. Е , Куранов А. Л., Шарков Е <£>. Вероятность гетерогенной релаксации колебательно-возбужденных молекул СО на поверхности стекла в разряде//Письма в ЖГФ. 1978. Т. 4. Е 5. С. 246-247. '

— — 8. Чернышева Е В. , Ионих И. 3. Роль долгоживушх состояний молекулы азота в возбуждении состояния" В3!!" в распадакзщейся плаа-----—

ме в смеси гелий-азот//Оптика и спектр. 1979. Т. 47. В. 1. С. 67-72.

9. Ионих П Э. .Кочетов И. Е ,Куранов А. Л. .Певгов В. Г. .Пенкин Е а Ионизационные процессы в плазме разряда в смесях окиси углерода с гедкем//Письма в ЖТФ. 1979. Т. 5. Е 18. С. 1145-1148.

10. Ионих ¡0.3. .Куранов А. Л. .Пенкин ЕЕ Возбуждение и дезактивация электронных состояний молекулы СО в разряде в смесях окиси углерода с гелием//Дурн. техн. фнз. 1980. Т. 50. В. 10.

С. 2259-2261.

11. Иванов Е. Е. , Ионих ¡0. 3. .Пенготн Е П. , Чернышева Е Я ВозСужде-ние и дезактивация метастабильного состояния а3П молекулы СО в разряде в смесях Не-СО, Ве-СО-Хе, Не-СО-02//Вестник ЛГУ. 1981. Е 10. С. 123-126.

12. Ионих Ю. 3. О расчете диффузионного времени жизни возбужденных атомов и молекул//Олтика и спектр. 1981. Т. 51. К 1. С. 76-83.

13. Иванов Е. Е. .Ионих ¡0.3. , Пенкин ЕЕ .Чернышева ЕЕ Измерение констант скоростей тушения состояия а3П (у'-0,1,2,3) молекулы СО в собственном газе при различных колебательных температурах СОСХ^Г)//Оптика и спектр. 1982. Т. 52. Е 4. С. 669-675.

14. Иванов Е. Е. , Ионих Ю. 3. .Пенкин ЕЕ .Чернышева ЕЕ Метаста-бильные Аа£ молекулы Я2 в газоразрядой плазме в смеси гелий +азот: измерение концентрации, процессы образования и разру-шения//Химия выс. энергий. 1984. Т. 18. В. 2. С. 159-164.

15. Блашков ЕЛ, Ионих Ю, 3. .Пенкин ЕЕ Инфракрасные полосы системы Ас. .¡ли и электронный момент перехода а'321 - а3П молекулы С0//Журн. лрикл. спектр. 1984. Т. 41. Е 3. С. 471-475.

16. Влашков ЕЕ, Ионих ЕЗ. .Пенкин ЕЕ Измерение констант ступенчатого возбуждения состояий еъ21 и молекулы СО в плазме//Изв. ВУЗов, газика. 1984. Ё 9. С. 88-92.

17. Иванов Е. Е. .Ионих Ю. 3. .Пенкин ЕЕ .Чернышева ЕЕ Измерение констант скоростей ступенчатого возбуждения состояний й3Л и а'3£ молекулы СО и состояия С3П молекулы М2 в плазме//0птика И спектр. 1985,Т. ГЗ. Е 5. С. 1003-1007.

18. Ионих Ю1 3. , Куранов А. Л., Лобанов А» Е .Старенкова Л. С. Колебательное возбуждение молекул СО в рсал-ич С0**^а3П )+ СО -» СО41" +СО ^/Оптика и спектр. 1986. Т. 60. Е 4. С. 727-71:1..

19. Бланков ЕИ. .Ионих Ю.З. .Пенкин ЯП. Процессы заселения три-плетных состояний молекулы СО в послесвечении разряда в смеси Не-С0//0птика и спектр. 1386. Т. 61. а 5. С. 974-980.

20. Ионих Ю.З.,Пенкин Н..П. .Чернышева Я Е .Ярцева О. Г. Исследование столкковительного перемешивания состояний В3П и аЪ- молекулы азота методом лазерной флуоресценции//Оптика .и спектр.

1988. Т. 65. В.1.С. 43-48.

21. Ионих ЕЗ. .Яковицкий С. П. Распределение молекул окиси углерода по колебательным уровням в разряде при низких давлениях молекулярного газа//Еестник ЛГУ. 1988. В. 2. С. 24-29.

22. Иванов Е. Е. . Ионих Ю. 3. , Пенкин Е Е , Чернышева К Я Процессы образования С02 в разряде в смесях Не-СО и константа скорости реакции СО" + СО -> С02 + С//Хим. физика. 1988. Т. 7. В. 12.

С. 1694-1702.

23. Ионих Ю. 3., Яковицкий С. П. Пеннинговская ионизация молекул СО атомами гелия в 24,3 Р-состояниях//Оптика и спектр. 1989. Т. 66.

' а 2. С. 481-483.

24. Ионих ЕЗ. .Пенкин ЕЕ .Яковицкий С. Е Пеннинговская ионизация колебательно-возбужденных молекул СО метастабилъными атомами гелия//Оптика и спектр. 1989. Т. 66. а 6. С. 1285-1291.

25. Иванов Е. Е. .Ионих ¡й 3. .Пенкин Е Е .Чернышева Е Е Процессы образования С02 в разряде в смесях Ее-СО-Оа//Хим. физика.

1989. Т. 8. Я 11. С. 1527-1531.

26. Григорьян Г. М., Ионих Ю. 3. Концентрация и механизмы образования и гибели молекулы С02 в проточном разряде с охлаждением стенки жидким азотом в смесях Не+СО и Не+С0+02//Химия выс. энергий. 1989. Т. 2а а 6. С. 548-552

27. Ионих Ю. 3. Пленение излучения молекулярной полосы//Оптика и спектр. 1989. Т. 67. Е 6. С. 1244-1250.

2 х

28. Коних Ю.З. .Яковицкий С. Е Возбуждение состояния А П иона СО при пенинговской ионизации колебательно-возбужденных молекул СО атомами гелия в состояниях 2''"3 Б//0птика и спектр.1990.

Т. 68. Е 2. С. 288-293.

29. Ионих КХ 3., Яковицкий С. Е Пеннинговская ионизация колебательно-возбужденных молекул СО атомами гелия в г^Р-состоя-ниях. П//Оптика и спектр. 1990. Т. 68. Е 4. С. 914-919.

30. Локих Ю. 3. , Чернышева Е В. Тушенке нижних колебательных уровней состояия В3!! ~ молекулы'' М2- атомами гелия//Оптика и спектр. _______

1590. Т. 68. В. 5. С. 1025-1030.

31. Григорьян Г. М.,Моних й.о. Процессы ионизации в самостоятельном проточном разряде в смесях СО-Ке, С0-Не-02 при криогенном охламении/УТеплофиз. выс. темп. 1990. Т. 28. В. 6. С. 1030-1035.

Z". Грхтсръп'.! Г. М. ,Ионих ER. Оптогальванический эффект в СО-ла-яере//Каант. электроника. 1991. Т. IS. В. 1. С. 2S-33.

33. Григорьян Г. М., Коних Ю. 3. .Чернышева Н. В. Исследование распределения интенсивности во вращательной структуре полос Ссгяа уолекулк с2 в послвсквчекш разряда з смзся СО-Не// Оптика и спектр. 1991. 'Г. 70. К 2. С. 300-316.

34. Grigor' yan ait, Ionikh У. Z. , Kochetov I.V., Pevgov V. G. Ionization processes in flowing liquid nitrogen cooled discharges in He-СО, He-C0-02 mixtures//J. Phys. D. 1992. V. 25. N 7. P. 1064-1072.

Цитированная литература

35. Очкин Ell .Преображенский E Г. ,'"snspß3 H. Я. Оптогальванический эффект е ионизованном гаге. И. ,1991.160 с.

36. Словецкий Д. й. Механизма физико-химических процессов в тлеющей раряде в okv.ch углерода. Ху.мия плазмы/Под ред. Б. М. Смирнова. Ii. ,1034. а 11. С. 92-130.

37. Конец К1 Б. , Кочетов К. 3. , Марченко В. С. и др. Основные характеристики электрического разряда з плазме СО-лаэеров//Препринт ИАЭ-2810. М 1977. 20 с.

38. Герасимов Г. Н. .Старцев Г. П. О ступенчатом возбуждении в ге-ЛИИ//ОПТИКЗ и-спектр. 1974. Т. 35. Е. 5. С. 834- 837.

39. Шарков В. Ф. , Дымшкц Б. М., Григорьян Г. М. и др. Газоразрядный СО -лазер с высоким удельным энергсс.'смом,."/Квант, электроника. 1977. Т. 4. В. 8. С. 1824-1826.

40. Девдариаки А. 3., Загребин A. JL Нерезснянсная передача возбуждения в реакциях He^'s, 23S) +Ие//КГЭФ. 1984. Т. 86. В. 6.

0.1969-1980.

41.Словецкий Л. Я Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. М. ,1930.310 с.