Непрерывные плазмохимические источники УФ-излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ



(У /

/ ^

Г)

Московский Государственный Университет Леса

АЛЁХИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

НЕПРЕРЫВНЫЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ

УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность: 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение....................................................................................................... 5

Глава 1. Экспериментальные установки и схемы....................................... 20

1.1. Экспериментальные установка с магнитоплазмодинамическим

22

источником плазмы............................................................................ ^

1.1.1 Технические характеристики экспериментального

стенда и системы измерений.................................................... 22

1.1.2. Магнитоплазмодинамический ускоритель.................... 28

1.1.3. Параметры ксеноновой плазмы, создаваемой магнито-плазмодинамическим ускорителем плазмы в области диффузионного смешения компонентов........................................ 30

1.2. Экспериментальная установка с электродуговым источником плазмы................................................................................................. 39

Глава 2. Элементарные процессы образования излучающих частиц в плазме............................................................................................................ 43

2.1. Резонансный энергообмен между возбужденными состояниями в плазме.......................................................................................... 43

2.2. Химические свойства возбужденных состояний инертных газов ........................................................................................................ 47

2.3 Кинетическая модель процессов в области инжекции галоге-

ноносителей в плазменный поток инертного газа............................. 50

2.4. Кинетические и плазмохимические процессы в области смешения галогенидов щелочных металлов с плазменным потоком инертных газов.................................................................................... 54

2.4.1. Основные кинетические процессы в области диффузионного смешения....................................................................... 54

2.4.2. Плазмохимические реакции и уравнения кинетики образования эксимерных молекул............................................... 59

Глава 3. Исследования процессов смешения компонентов плазмохими-ческих реакций.............................................................................................. 64

3.1. Характеристики обтекания инжекторов плазменным потоком

в режиме двухстороннего симметричного смешения....................... 64

3.2. Характеристики обтекания инжектора плазменным потоком в режимах одностороннего несимметричного смешения.................... 69

3.3. Исследование процессов диффузии молекул галогенидов щелочных металлов в поток плазмы ксенона........................................ 72

3.3.1. Исследование процесса диффузии в одномерном приближении ................................................................................... 73

3.3.2. Распределение плотности эксимерных молекул в области смешения в цилиндрической системе координат....... 83

Глава 4. Экспериментальные исследования спектральных и энергетических характеристик излучения плазмохимических реакций...................... 86

4.1. Исследования эффективности возбуждения излучающих центров в процессах резонансного энергообмена в плазме................... 86

4.2. Экспериментальные исследования образования эксимерных молекул в плазмохимических реакциях............................................. 90

4.2.1. Экспериментальные исследования образования молекул ХеСГ при смешении плазменного потока ксенона с ССЦ 90 4.2.1. Экспериментальные исследования образования молекул ХеБ* при смешении плазменного потока ксенона с 8Г6 . 97

4.2.3. Экспериментальные исследования образования молекул КгБ* при смешении плазменного потока Кг с 8Г6............ 109

4.3. Экспериментальные исследования образования эксимерных молекул в плазмохимических реакциях с участием галогенидов щелочных металлов............................................................................ 112

4.3.1. Образование эксимерных молекул при взаимодействии плазменного потока ксенона с парами NaCl..................... 112

4.3.2. Исследования относительной эффективности образования эксимерных молекул при взаимодействии плазменного потока инертного газа с парами галогенидов щелочных металлов.................................................................................... 123

4.4. Исследования образования возбужденных интергалогенов в плазмохимических реакциях.............................................................. 137

4.4.1. Экспериментальные исследования образования 1г* в

струе аргоновой плазмы........................................................... 137

4.4.2. Исследования возбуждения молекулярного h* молекулами метастабильного азота................................................. 140

4.4.3. Исследования образования возбужденных молекул интергалогенов при взаимодействии плазменного потока инертного газа с парами галогенидов щелочных металлов .... 141

Заключение................................................................................................... 146

Литература.................................................................................................... 147

ВВЕДЕНИЕ

Серьезное внимание, уделяемое в настоящее время созданию световых источников излучения, связано в первую очередь с возможностью их широкого применения в различных областях техники, технологии, медицине, научных исследований, а также в различных информационных целях [1-3, 60, 82, 83, 87, 88]. При этом, в зависимости от области использования, применяются источники излучения с различным набором спектральных, яркостных, энергетических и динамических характеристик. К настоящему времени созданы различные непрерывные источники излучения с широкой гаммой спектральных и энергетических характеристик. Отличием этих систем является то, что высокоэнергетические системы работают по преимуществу в инфракрасном диапазоне спектра (1 ...10,6 мкм). В видимом и ультрафиолетовом диапазоне спектра непрерывные селективные (узкополосные) источники излучения имеют выходные мощности в единицы ватт и имеют чаще всего узкое, чисто научное применение. Все это делает необходимым проведение исследований, направленных на создание коротковолновых узкополосных источников непрерывного излучения большой мощности, применимых для технологических целей. Анализ возможности технологических применений мощных непрерывных источников света показал, что области технологических применений существуют и задачи, решаемые при использовании мощных УФ источников света не могут быть решены другими средствами. К таким задачам можно отнести проблему некогерентной оптической локации в целях обеспечения безопасности функционирования пилотируемых орбитальных станций, проблему экологически чистой технологии обеззараживания больших объёмов питьевой воды и сточных вод и др.

Основной проблемой, возникающей при создании мощных селективных источников УФ излучения является организация и оптимизация излучающей среды такого источника.

В диссертации изложены результаты работ по исследованию и разработке непрерывных источников ультрафиолетового излучения, в которых образование излучательных центров происходит в результате плазмохимических реакций в плазме низкой концентрации. При этом излучающая область плазмохимических реакций образовывалась при инжекции различных присадок в свободно истекающую плазменную струю. Плотность плазменного потока в проведенных исследованиях, как правило, составляла М =1014..1015 см"3

Такой объект исследований и схема образования излучающей области были выбраны из следующим причинам:

1. Излучение квантов в УФ диапазоне спектра происходит, как правило, при радиационном распаде электронно-возбужденных состояний атомов или молекул. Энергия квантов УФ излучения, оптимального для применения в технологических целях, лежит в пределах 4...6 эВ и, следовательно, для возбуждения таких электронных состояний атомов или молекул вложение энергии в элементарном акте должно быть порядка или больше этих величин.

2. Основной проблемой при создании мощных источников УФ излучения является организация оптимального энерговклада в излучающую среду. При создании селективных (узкополосных) источников УФ излучения практически используются только три способа энерговклада в среду: возбуждение высокоэнергетическим электронным пучком, электрический разряд в излучающей среде и накачка газовых сред различного состава тяжелыми частицами [84, 85] (или совместное их применение в различных комбинациях [33,34,50]). Селективные источники излучения, использующие фотонакачку [1], не смогли конкурировать с перечисленными выше способами накачки активной среды из-за их меньшей эффективности, большей технической сложности и меньшего ресурса работы. Попытки создать чисто химические мощные источники УФ - видимого диапазона спектра также не увенчались успехом [25,26].

Ограничивающим фактором всех трех вышеперечисленных способов прямого энерговклада в активную среду является нагрев активной среды и

достижение граничной температуры газовой среды, выше которой излучение среды либо перестает быть селективным, как, например, в ртутных лампах высокого давления [3], либо среда перестает удовлетворять пороговым критериям генерации когерентного излучения [33, 34, 50].

3. Средой, не критичной к энерговкладу в нее, является низкотемпературная плазма. Увеличение энерговклада в нее изменяет в первую очередь ее степень ионизации, температура же тяжелых компонентов плазмы меняется медленнее. Кроме этого, основной вклад в создание наиболее интересных электронно-возбужденных объектов (эксимерных молекул) вносят реакции с участием положительных и отрицательных однократных атомарных и молекулярных ионов, концентрация которых наиболее велика в сильноионизирован-ной низкотемпературной плазме. Но излучение равновесной плазмы, когда область излучения и область вложения энергии совмещены, неселективно [1] и такая плазма не может быть активной средой мощных селективных источников излучения. Попытки создания источников, использующих излучение рекомби-нирующей плазмы [37], не привели к созданию мощных узкополосных источников излучения.

4. Существуют технические решения (газодинамические лазеры), в которых энерговклад в среду и область излучения пространственно разнесены [27], и именно в таких устройствах достигнуты максимальные мощности излучения, хотя и в ИК области спектра.

5. Создание неравновесной активно излучающей среды путем смешения двух (и более) равновесных потоков компонентов является основным принципом работы химических лазеров проточного типа и этот способ в принципе можно применить и для создания неравновесной плазменной области путем инжекции в движущуюся плазму различных добавок.

6. Организация быстрого (сверхзвукового) движения излучающей среды, как это сделано в газодинамических или химических лазерах, улучшает технические характеристики устройств.

В настоящее время основное внимание в исследованиях по созданию непрерывных источников узкополосного УФ излучения направлены на исследование эксимерных излучающих сред плазмохимического типа. Это связано в первую очередь с тем, что именно в таких разработках получены максимальные выходные мощности УФ излучения и полученные результаты могут масштабироваться на большие выходные мощности без существенных технических трудностей [17, 20, 21].

Первые эксперименты по наблюдению непрерывной люминесценции эксимерных молекул проводились в проточных системах низкого давления, в которых молекулы галогенидов инертных газов образовывались в реакциях гарпунного типа в аргоновой плазме [4, 5]. (Собственно говоря, образование и люминесценция эксимерных молекул рассматривались и изучались до этого, см., например, библиографию в [28], но [4, 5] - это первые работы, где исследовались процессы в среде с точки зрения получения максимальной эффективности непрерывной люминесценции эксимерных молекул) АгО и АгСГ.

Люминесценция молекул наблюдалась на переходах Е1Е+->В1Е+ молекул АгО* X = 538...544 нм и Вмолекул ArCl* X = 175 нм.

В качестве источника метастабильного аргона использовалась проточная разрядная система с полым катодом. Аргон при давлении 0,5...5 мм рт.ст. возбуждался в маломощном (200В, 1 мА) разряде постоянного тока между молибденовыми электродами и прокачивался по трубе 70 мм х 10 мм в область наблюдения, где подмешивались газы N20, 03, Cl2, CCI4.

В работе [6] на аналогичной установке исследовались процессы образования молекулярных соединений ксенона с атомами галогенов. В качестве га-логеносодержащих использовались вещества Cl2, NOCI, SOCl2, Br2, PBr3, F2, NOF, CF3OF, I2, CF3I. Были зарегистрированы спектры молекул XeCl*(B2I+), XeBr*(B2S+), XeF*(B2n1/2), Xef(B2I+). Концентрация эксимерных молекул достигнутая в этих работах была по-видимому чрезвычайно мала, поскольку регистрация осуществлялась в режиме счета фотонов.

В работе [7] сделан вывод о возможности образования разлетных молекул АгР*(В2Е), КгР*(В2Е), ХеР*(В2П1/2) и др. в непрерывном режиме в зоне плазмохимических реакций, формируемой при взаимодействии встречных сверхзвуковых потоков плазмы и молекулярного газа. В вакуумной камере, где осуществлялось взаимодействие потоков поддерживалось давление ро = 103...10"4 мм рт.ст. при суммарном расходе газов до 2 г/с.

Сверхзвуковой поток плазмы инертных газов [7] создавался осесиммет-ричным плазматроном постоянного тока. Стабильность работы плазматрона контролировалась по изменению во времени интенсивности излучения выбранной спектральной линии атомов или ионов плазмообразующего газа, составившая при измерениях величину < 5%. Мощность ¡V, вкладываемая в разряд варьировалась в пределах Ж= 5...30 кВт. Ток дуги составлял /= 150...1200 А, напряжение [/=15...30 В. Путем изменения секундного расхода аргона через плазматрон и вкладываемой мощности Ж создавались струи плазмы двух типов:

• при Ж< 10 кВт и 0[Аг] = 1...2 г/с генерировалась плазма со степенью иони-

О 1

зации ае причем в спектре излучения наблюдались только атомар-

ные линии аргона. Концентрации метастабильного Аг*(3Р2), измеренные методом абсорбционной спектроскопии, были на порядок ниже концентрации электронов на срезе сопла;

• при ¡¥= 10...30 кВт и (7[Аг] <0,1 г/с, степень ионизации плазмы составляла ае = 0,5... 1; в спектре излучения наблюдались только ионные линии, концентрация Аг+* была порядка концентрации электронов.

Скорости истечения плазмы из сопла плазматрона при указанных режимах близки и составляли V = (1,5.. .2)-105 см/с.

Анализируя картину смешения потоков в [7] можно предположить, что характерный размер области образования эксимерных молекул имел величину порядка длины свободного пробега в плазме, т.е. плазмохимические процессы

проходили преимущественно в скачке плотности, образовавшейся при столкновении двух сверхзвуковых потоков.

Образование эксимерных молекул было зарегистрировано [8,9] при вводе галогеноносителя в поток плазмы непосредственно в плазматроне постоянного тока со звуковым соплом диаметром 5 мм. Максимальная потребляемая мощность плазматрона не превышала 7 кВт.

Исследовались плазменные струи на смесях К0:Я:8Рб (11о=Аг,Не; К=Кг,Хе). Для зарегистрированных спектров характерно наличие интенсивных полос с максимумами на длинах волн X = 249 нм и X = 351 нм, перехода

_л__гь___О—— л -а- _

молекулы КгБ и молекулы ХеБ . Для диапазона

создаваемых давлений ро = 0,3-30 кПа смесей Аг(Не):Кг:8Р6 близким к оптимальному оказалось соотношение компонент 100:10:0,5. Данное соотношение в основном соблюдалось и для смесей Аг(Не):Хе:8Р6. В большинстве случаев использование в смесях в качестве буферного более легкого инертного газа приводило к увеличению интенсивности излучения эксимеров. Так в смеси Не:Хе:8Р6 образование ХеР*(В2Пш) происходило более эффективно, чем в смеси Аг:Хе:8Е6 и интенсивность излучения на X = 351 нм увеличивалась примерно в 2 раза. Максимум выхода эксимерных молекул наблюдался не у среза анода плазматрона, а на некотором удалении от него. Род буферного газа слабо влиял на относительную зависимость выхода эксимеров от расстояния вдоль оси струи.

При фиксированном значении мощности IV увеличение давления смеси приводило к возрастанию выхода эксимерных молекул. Например, у молекулы ХеР(В2Пш) при 1¥ = 2,8 кВт повышение давления смеси Не:Хе:8Р6 от 4 до 16,5 кПа приводило к увеличению интенсивности полосы в 2 раза. Достигнутые плотности эксимерных молекул составили М* > 101(1 см"3.

Образование эксимерных молекул возможно и при взаимодействии двух плазменных потоков, один из которых - возбужденный инертный газ, другой - галогеноноситель. Так в работе [10] экспериментально исследована возмож-

ность получения эксимерных молекул ХеС1*(В2Е+) при раздельном возбуждении газовых смесей Не-Хе и Не-НС1 (Не-СЬ) в двух сверхзвуковых самостоятельных разрядах непрерывного действия с последующим смешением экси-мер-образующих компонентов. Экспериментальная установка позволяла исследовать хемилюминесцентные реакции между различными неравновесно-возбужденными компонентами, независимо приготовляемыми в разрядных каналах. При этом энергия, запасаемая в метастабильных молекулярных или атомарных состояниях со временем жизни не короче 0,1 мс, эффективно доносилась до зоны смешения потоков и выделялась в виде свечения продуктов хи