Оптические свойства иттриевой плазмы сверхзвуковой эрозийной импульсной струи тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

РЕШЕТНИКОВА ОЛЬГА ФЕДОРОВНА

УДК 553.6.011.72; 533.9; 537.52; 621.865.8

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИТТРИЕВОЙ ПЛАЗМЫ СВЕРХЗВУКОВОЙ ЭРОЗИЙНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СТРУИ

Специальность 01.02.05 "Механика жидкости, газа и плазмы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Московском Государственном авиационном институте (Техническом Университете).

Научный руководитель: -к.ф.-м.н., сн.с. Е.П.Скороход

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., в.н.с.

С.Т.Суржиков к.ф.-м.н,, с.н.с. С.С.Филиппов

Ведущая организация: НИИЯФ МГУ, г. Москва

Защита состоится \ Ъ и^^^ 1997 г. на заседании диссертационного совета К 053.18.02 в Московском государственном авиационном институте.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Адрес института: 125871, Москва, Волоколамское шоссе, 4.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н. <

Муслаев А. В.

ОБЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Исследование оптических свойств ионизированной плазмы представляет интерес с точки зрения фундаментальной науки. Основой справочных изданий по атомной физике являются сведения об энергетических уровнях возбужденных состояний атома и его ионов, потенциалах ионизации, вероятностях фотопереходов.

Объектом исследования являлись оптические свойства плазмы сильноточного капиллярного разряда, получаемой в процессе газодинамического расширения, (сверхзвуковой эрозийной струи). Выделенная область в струе, отклоненной от оси капилляра, позволяет проводить спектральные исследования и определять структурные данные ионов, а так же молекулярных ионов.

Цель работы

^Исследования плазменных потоков развиваются на стыке двух больших разделов физики - газовой динамики и физики плазмы. Достижение теории и практики в этих смежных областях определяет современный уровень понимания явлений радиационной плазмоди-намики в сильноточных электрических разрядах в каналах из диэлектриков различных конструкций.

Целью данной работы является исследование покомпонентной структуры эрозийной струи как разлетной плазмы и определение оптических констант первого и второго иона иттрия по спектрам излучающей плазмы.

Как правило, для определения оптических констант исследуются спектрограммы дугового и искрового разрядов.

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В качестве "рабочего вещества" дня определения оптических констант иттрия использовалась разлетная плазма эрозийной стру сильноточного разряда.

2. Экспериментально определены и подтверждены теоретическими расчетами энергетические уровни второго иона иттрия.

3. Предложен метод определения концентрации ионов в плазме эрозийной струи.

Практическая ценность

Предложенный метод с использованием зависимости отношения полуширин красной и синей частей контура спектральной линии от параметра асимметрии а позволяет определять концентрации ионов в разных участках плазменной струи.

Полученные сведения об оптических константах второго иона иттрия дополняют банк спектроскопических данных.

Достоверность результатов

Для обоснования достоверности полученных результатов проводится детальный анализ расчетных и экспериментальных данных. Отдельно, в приложении к диссертации, дискутируется вопрос об идентификации экспериментальных данных.

Защищаемые положения

1. Впервые в сильноточном эрозийном разряде в канале из окиси иттрия экспериментально определены энергетические уровни втор го иона иттрия : 7Б1/2> 1051/2>6Р,/2) ЬРШ, 7 Руг, 6В3/2, 6£>5/, ,

Методом квантового дефекта рассчитаны энергии следующих уровней второго иона иттрия : 7,70!/2,, 95,;,,8Р1/2,

Щг,Щ2,Щг, Щг, Щ/2, Щ/2 , 6С7,2.9/2• В кулоновском приближении рассчитаны вероятности фото-

переходов второго иона иттрия с использованием значений энергий, приведенных выше энергетических уровней.

2. Методом яркостных отношений ("branching ratios") определены вероятности переходов атома иттрия и его первого иона. Полученные результаты находятся в удовлетворительном согласии с известными подходами в определении оптических констант. Рассмотренный тип разряда представляет интерес для определения оптических констант ионов.

3. Рассчитаны нормализованные профили асимметричных атомных и ионных линий с использованием функции распределения микрополей по Хупперу. Представлены зависимости отношений полуширин красной и синей частей контуров атомных и ионных линий от параметра асимметрии а. Предложен способ определения концентрации ионов по асимметричным спектральным линиям.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на I Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмодинамике. Москва, 1989; Всесоюзной конференции по теории атомов и атомных спектров. Томск, 1989; XI Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столхновений.Чебоксары, 1991; П Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмодинамике. Москва,1991; V111 Всесоюзной конференции - Физика низкотемпературной плазмы. Минск,1991; VI конференции по физике газового разряда. Казань, 1992; Третьем семинаре по атомной спектроскопии. Черноголовка, 1992; Второй межреспубликанской конференции - Оптические методы исследования потоков. Новосибирск, 1993; XV Конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия ".Звенигород, 1996; VIII Всеро-сийской конференции по физике газового разряда - Рязань, 1996.

Публнкааии

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1 -15] Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка цитируемой литературы из 95 наименований. Работа изложена на 174 страницах и включает в себя 45 рисунков, 18 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность темы, научная новизна и практическая ценность результатов. Кратко изложено содержание работы.

В первой главе рассматриваются получение и диагностика плазменной струи, перечислены исследуемые режимы и соответствующие спектрограммы.

Спектры полностью расшифрованы. В спектрах присутствуют линии атома, ионов иттрия, молекулярные полосы УО, малочисленные линии первого иона кислорода. Линии атома кислорода не реализуются. Зафиксировано 112 неиндифицированных линии. Приведены результаты расчетов ионизационного состава плазмы Уг03, из которых следует, что в спектрах, снятых в приустье струи, должны присутствовать прежде всего вторые ионы иттрия. В нашем случае в этой области преобладают первые ионы иттрия.

Во второй главе определяются значения энергий уровней второго иона иттрия по спектрам эрозийной струи 75|/2,

6/^,,6К,/2 , 5(/7/2Д.2 , 7(77/29/2 . Методом квантового дефекта рассчитаны энергии следующих уровней

второго иона иттрия : 7£>3/2, Ю5/2,851/2, 95,/2, 8Р1/2, 1Ру1, 8Р3/,, 9Д,,; 7-^/2> >, ; 6(?7,29/, .в кулоновском приближении рассчитаны вероятности фотопереходов второго иона иттрия с использованием значений энергий приведенных выше энергетических уровней.

Как известно, второй ион иттрия УШ - рубидиеподобен и в этом случае при расчётах энергетических уровней можно воспользоваться методом квантового дефекта. В работах [здо] приведены значения энергетических уровней второго иона иттрия, полученные с использованием ритцевской зависимости квантового дефекта Ц от / для изоряда рубидия. Данные по энергиям , имеющиеся в работе [17], представляют из себя теоретические расчёты в кулоновском приближении и приведены в таблице 1 (колонки 2,3). Там же представлены наши экспериментальные значения длин волн (колонка 6) неиндифицированных линий (не содержащихся в табличных данных [16]). Близкое совпадение значений [17] и наших экспериментальных данных позволяет использовать значения длин волн из [17] в качестве опорных. В таблице I: Л'- величины длин волн определены из экспериментальных данных с пересчетом на вакуум; л-длина волны получена из значений энергий уровней.

Таблица 1.

л, - п, Е„см1[ 17] 17] Л,А [17] 0 Х,А

7-6 117915.2 99943.71 5564 1.949 5573.55

9-7 142620.7 15.3938 5470 0.3375 5473.43

10-7 148290.7 15.3938 4175 0.2041 4176.18

, пхР1рыг Л/А/2

Ъ-гу Е„слГх[17] £^-'[17] Л,А [17] А$сЩ 0 Х,А

6-6 99943.71: 14.738 5240 1.88 5251.36

7-8 124308.8 17.7112 5349 0.2344 5353.22

7-9 124308.8 18.3964 4128 0.1286 4130.34

- п2/%А

£„<^[17] Е2,СЛГ'[ 17] я, А [17] А\$сЩ 0 Х,А

<6-4 119029.3 101091.4 5575 0.223 5587.05

6-6 119029.3 136895.9 5597 0.2627 5603.55

7-8 104267.0 ^ 149537.9 6544 0.083 6548.03А

8-5 143035.4 124193.0 5307 0.0644 5287.93л

9-5 148565.8 124193.0 4103 0.036 4091.35

/г /г

п,-щ £„^-'[17] Ег,СМ'1Щ Л,А [17] 0 Х,А

4-5 101091.4 125836.2 4041 3.745 4051.14

5-7 124193.0 145294.7 4739 0.5208 4733.67

Идентификацию длин волн мы начинали с рассмотрения наиболее интенсивных переходов триплета 4/- 5g. Затем анализировались переходы 4/~5с1 ,(*!-6/,бр-(н!. В таблице 2 проводится сравнение длин волн, полученных в эксперименте [18] (колонка 3), теоретически рассчитанных в [17] (колонка 5) и длин волн, относящихся к фотопереходам второго иона иттрия из спектров, полученных нами в струе капиллярного разряда (колонка 7). Данные [18] под номерами 1,3,5,8,10,13 отличаются от значений длин волн, теоретически

рассчитанных в [17] (на 1-2А), но после их пересчета на вакуум практически полностью совпадают с расчетами [17].

Таблица 2

N переход 0 Л,ЛП[18] 1<тн [1 8] 0 Я,А [17] А,108сч [17] 0 Я\А

1 Щ/1 4039.602 1* 0.38 4041 3.745 4050

2 4040.112 1* 0.3 4050.45

3 Щ-2 -Щи 4737.625^ . 0.2 4739 0.521 4732.35

4 Щг-т* 4739* 2* - - - 4732.7

5 5572.24 0.4 5575 0.223 5585.5

б Щр 5602.08 0.3 - - 5615.8

7 бВф-бРф 5567.27 3* 0.06 - - 5572.22

8 бг>5/2 -6Р7Г1 5595.48 4» 0.04 5597 0.263 5602.0

9 5102.884 0.75 - - 5111.6

10 5238.104 5* 1.0 5240 1.88 5249.9

11 5263.582 6* 0.3 - - 5275.06

12 Щп 5383.644 7* 0.4 - - 5389.93

13 бРуг ~ 5562.81^ 0.6 5564 1.949 5572

14 1Рп - - - - 5275.15

15 Щг - - 5349 0.234 5351.73

16 Щг-Юуг - - 4128 0.129 4129.1

17 7 РУ2 - - 5470 0.338 5471.88

18 - - 4175 0.204 4175.0

В таблице 2 символы означают: * - длина волны пересчитана нами по исправленным значениям энергетических уровней из [18]; Л - значения длин волн получены нами из эксперимента;ЛЛ- длины волн не присутствуют в наших спектрах; 1* ,2*, 3*, 4*, 5*, 6*, 7* соответствуют значениям дайн волн , которые в пределах ошибки работы [18] совпадают с величинами длин волн атома иттрия, а именно: 4039.8А,4741.4А, 5567.4А ,5594.12Л , 5240.8Л, 5265.64Л, 5380.63А .

Практически, все значения длин волн из [18], приведенные в таблице 2 (колонка 3), за исключением переходов под номерами 5 и 6 , совпадают или лежат в пределах ошибки эксперимента со значениями длин волн атома иттрия. В результате, все длины волн видимого диапазона света, указанные в [18], из эксперимента с искровым разрядом не совпадают с нашими данными, полученными в струе капиллярного разряда с испаряющимися стенками. Расчёт сил осцилляторов второго иона проводился в одноконфигу-рационном кулоновском приближении. Результаты отражены в [з].

В третьей главе представлен обзор имеющихся в литературе теоретических и экспериментальных методов определения радиационных атомных констант. Приводятся результаты экспериментального определения методом яркосгных отношений ("branching ratios") вероятностей переходов атома иттрия и его первого иона[4,5,б].

Вероятности переходов определялись по измеренным яркост-ным отношениям в спектрах поглощения, снятых под углом 4° к оси капилляра . Для этого использовалась следующая формула

л _RW м1)=

¡к т , Ч ^' £ 3(ij)' где - относительная

I

линейная интенсивность, (J^)-AylS^ ) , -

амплитуда сигнала фотометра в максимуме; Ау - ширина линии на полувысоте; )- относительная чувствительность фотоплёнки

(плёнка изопанхроматическая); - радиационное время жизни верхнего уровня.

-п-

Несмотря на то, что оптические константы определялись нетрадиционным способом с использованием плазмы струи, полученные результаты находятся удовлетворительном согласии с известными подходами в определении оптических констант. Данный тип разряда и выделенная область струи представляют интерес для определения оптических констант молекулярных ионов и малоизученных вторых ионов.

В четвертой главе представлена методика определения концентрации ионов в плазме эрозийной струи по красной и синей полуширинам асимметричных линий . Рассчитаны нормализованные профили асимметричных атомных и ионных линий с использованием функции распределения михрополей по Хупперур 1]. Нормализованный контур линии имеет следующий вид

У \л ) - ^ ^ + а4р01-^ , а - параметр асимметрии,

\УГ(/3)- функция распределения микрополей.

Определение концентрации однократно заряженных ионов низкотемпературной плазмы традиционными методами не всегда представляется возможным. В спектрах струи, полученных в экспериментах, присутствуют ярко выраженные асимметричные линии первого иона иттрия У*. Контуры этих асимметричных линий содержат полезную информацию о концентрациях ионов и электронов. Сам метод основан на предположении, что наблюдаемый в эксперименте профиль асимметричной линии /(<?>) и нормализованный контур имеют одинаковую степень асимметрии, то есть

-Х'* ¡-Хс ~ У к ¡7, , где У к и Ус - полуширины длинноволновой и коротковолновой частей контура линии соответственно, где л*,,*,-

полуширины нормализованного контура [12,13,15]. Параметр асимметрии а зависит от концентрации ионов

N = »¡1018слГ3 следующим образом: а = 14- (С4 //)3/ и,.

Этот параметр а однозначно связан с нормализованным контуром _/(■*) и, следовательно, зависит от значений красной хк и синей хс полуширин контура. Получены зависимости отношений полуширин красной и синей частей контуров атомных и ионных линий от параметра асимметрии а [12].

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложении к диссертации, дискутируется вопрос о идентификации экспериментальных данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. По экспериментальным данным определены энергетические уровни второго иона иттрия : 151П (1178828с«"'),

1051/2(148283.06слГ1)/6/;/2(99334.864слГ'), 6Ру1_ (99940.904см1),

1Ру2(\24034.77слГ'), 7Рш (124337.71СЛГ1), 603/, (11889276сдГ'),

6£5/2 (118987.21см"1), Щ,2 (142986.31см-1), 81),,, (143018.04«/ '),

9£)5Д (148548.82СИ"1), 4/"5/2 (101091.76мг'), 4Е,., (101088.68с.м'1),

5!\п (124108.62сдГ'), 5Р~!2 (I24I07.04c.w-1), 6Р}/1 (136834.26оГ'),

6^7/2 (136833.02слГ') , 5С7ЗД,2(|25773.07си-') , 7{?7/29/2 (14523229С1Г1).

2. Методом квантового дефекта рассчитаны энергии следующих уровней второго иона иттрия :

71>з/2 (134185.54оГ'),7£>5/2 (134237.55с,V"'), 85,., (133580.94c.w-'),

951/2(142607.78слГ'),8.Р1/, (136984.87«Г'), 7Г7/2(144523.09аг'), 8Р3/2(137158.87слГ1),91)3/2(148558.04оГ1), (144523.66см-'), Щ>2 (149509.7c.ir1), 8/=;,, (149509.32см ') , 6(77Д9/2 (137894.8СЛГ1).

3. В кулоновском приближении рассчитаны вероятности фотопереходов второго иона иттрия с использованием значений энергий приведенных выше энергетических уровней.

4. Методом яркостных отношений ("ЪгапсЫщ га1юяп) определены вероятности переходов атома иттрия и его первого иона, полученные результаты находятся в удовлетворительном согласии с известными подходами в определении оптических констант. Рассмотренный тип разряда представляет интерес для определения оптических констант ионов.

5. Рассчитаны нормализованные профили асимметричных атомных и ионных линий с использованием функции распределения микрополей по Хупперу.

6. Представлены зависимости отношений полуширин красной и синей частей контуров атомных и ионных линий от параметра асимметрии а.

1. Предложен способ определения концентрации ионов по асимметричным спектральным линиям.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Лобов А .Г., Николаев Ф.А., Решетникова О.Ф. и др. О неадеаба-тическом решении газодинамических уравнений в капиллярном разряде с испаряющейся стенкой (КРИСе)// тез.докл. 1 -ый Всесоюзный симпозиум по радиационной плазмодшшмике, М.: Энергоатомиздат, 1989,ч.1, с.121-123.

2. Николаев Ф.А., Решетникова О.Ф., Скороход Е.П. Силы

осцилляторов и вероятности переходов второго иона иттрия YIII// Всесоюзная конференция по теории атомов и атомных спектров, тез.докл., Томск, 1989, с.56.

3. Решетникова О.Ф., Скороход Е.П., Лобов А.Г. и др. Оптические свойства плазмы иттрия в капиллярном разряде с испаряющейся стенкойэнергетические уровни и вероятности переходов второго иттрия // В тем. сб. научных трудов МАИ - Физика и техника высокотемпературного газа. М.: Изд-во МАИ, 1991, с.126.

4. Решетникова О.Ф., Скороход Е.П., Тюрин В.Д. Определение вероятностей переходов атома иттрия и его первого иона в плазме и струях капиллярного разряда с испаряющейся стенкой. М., 1991, -Деп. в ВИНИТИ, 08.05.91, №4686-В91.

5. Скороход Е.П.,Решетникова О.Ф. и др. Определение сил осцилляторов линий атома иттрия.// XI Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений , тез .докл., Чебоксары, 1991, с.139.

6. Кошелев Н.Т., Лобов А.Г., Решетникова О.Ф. и др. Определение концентрации электронов и температуры по асимметричным линиям иона иттрия в эрозийной плазменной струе КРИС.// Материалы VIII Всесоюзной конференции - Физика низкотемпературной плазмы, Минск, 1991, ч.2, с.208-209.

7. Скороход Е.П.,Решетникова О.Ф. и др. Определение сил осцилляторов по яркостным отношениям линий иона иттрия.// XI Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений, тез .докл., Чебоксары, 1991, с.140.

8. Решетникова О.Ф., Скороход Е.П. и др. Спектроскопические характеристики импульсной эрозийной плазменной струи КРИС.// II Всесоюзный симпозиум по радиационной плазмодинамике, тез.докл., Москва,]991, ч.1. с.65-66.

9. Борисов Е.К., Лобов А.Г., Решетникова О.Ф. и др. Распределение ионов в струе сильноточного разряда в капилляре// VI конференция по физике газового разряда, тез. докл., Казань, 1992, ч.1,с.28-29.

10. Решетникова О.Ф., Скороход Е.П., Тюрин В.Д. и др. Определение энергетических уровней второго иона иттрия по спектрам поглощения, полученным в капиллярном разряде // Третий семинар по атомной спектроскопии, тез.докл., Черноголовка, Москва, 1992,с.88.

11. Решетникова О.Ф., Скороход Е.П. Нормализованные пггарковские профили асимметричных ионных линий.// Оптика и спектроскопия., 1993, т.74, вып.2, с.237-241.

12. Решетникова О.Ф., Скороход Е.П. и др. Определение концентрации электронов по нормализованным асимметричным линиям однократно заряженного иона Л Оптика и спектроскопия., 1993, т.74, вып.2, с.233-236.

13. Скороход Е.П., Шариков И.В., Решетникова О.Ф. Метод определения концентрации электронов по отношению полуширин асимметричных атомных и ионных линий.// Вторая межреспубликанская конференция - Оптические методы исследования потоков, тез. докл., Новосибирск, 1993, с.45-46.

14. Решетникова О.Ф., Скороход Е.П. Использование эрозийной струи сильноточного разряда для определения оптических констант: энергетические уровни второго иона иттрия, силы осцилляторов атома и иона иттрия // XV Конференция "Фундаментальная атомная спектроскопия ", Звенигород, 1996.

15. Шариков И.В., Решетникова О.Ф., Скороход Е.П. и др. Сильноточный эрозийный разряд и его использование для изучения оптических констант ионов и молекулярных ионов. II

VIII-я Всеросийская конференция по физике газового разряда, тез докл., Рязань, 1996.

Цитируемая литература

16. MoorC.E. Tables of Atomic Spectra (Natl. Bur.Stand.), 1949-1971.

17. Lingard A., Nielsen S.E. Transition Probabilityes for the alkali isoelectronic sequences Lil-Frl II Atom data and Nuclear tables, 1977,v. 19,pp.533-633.

18. Gabriel L.Epstein, Joseph Rider. Spectrum of doubly ionized yttrium (YIII) //J. Opt. Soc. Am., 1975, v.65, N 3,pp.310-314.

В заключении автор выражаег признательность научному руководителю Е.П.Скороход, а так же благодарит к.ф-мл. А.Е.Крамиду из института Спектроскопии РАН за полезные обсуждения полученных результатов.