Спектроскопическое исследование ионизационных процессов в газоразрядной плазме в смесях гелия и аргона с молекулярными газами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Экспериментальные установки и методики измерений.

1.1 Экспериментальные установки.

1.1.1. Установка для исследований в тлеющем разряде.

1.1.2. Установка для исследования оптогальванического эффекта в СО - лазере.

1.2 Методика измерения электрического поля и концентрации электронов в разряде.

1.3 Методика измерения концентрации возбуждённых атомов Не и Аг в разряде и послесвечении.

Глава 2. Обнаружение и исследование эффекта возникновения "темной фазы" развития положительного столба тлеющего разряда.

2.1 Введение.

2.1 Литературный обзор

2.3 Экспериментальные результаты

2.4 Обсуждение экспериментальных результатов и результатов численного моделирования.

3.2 Литературный обзор. 78

3.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение. 80

3 43.3.1 Распад состояния А Ец молекулыN2 80

3.3.2 Процессы возбуждения состояния С3П„ молекулы N2 84 3

3.3.3 Процессы возбуждения состояния B2SU+ иона N2+ в разряде и послесвечении. 88

3.4 Выводы. 104 Глава 4. Оптогальванический эффект и процессы ионизации в активной среде проточного СО-лазера с криогенным охлаждением.

4.1 Введение. 114

4.2 Обзор литературы. 115

4.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение. Построение численной модели. 120

4.4 Выводы. 145

Заключение. 147

Литература. 149

Введение

Разряд в инертных газах и их смесях с молекулярными добавками является объектом исследований в очень большом, количестве работ. Интерес к исследованию элементарных процессов в таком разряде обусловлен его широким распространением во многих областях научных исследований, а также в промышленности. Прежде всего сюда следует отнести газовые лазеры, активной средой которых является газовый разряд в смеси инертных газов (Не - № лазер) или в смеси инертного газа с молекулярными добавками (СО - лазер, СО2 и N02-лазер, азотный лазер и др.) Эти лазеры очень широко распространены, так как они совмещают в себе одновременно хорошие когерентные свойства лазерного луча и большую мощность генерации. Знание элементарных процессов и констант их скорости в таких объектах необходимо для их теоретического моделирования и оптимизации работы. .Молекулярные добавки к инертным газам могут при определенных условиях играть заметную роль в ионизации. В этой связи представляется важным выяснение основных механизмов ионизации и измерение констант их скорости, поскольку эти процессы определяют баланс заряженных частиц и величину ЕЛМ, которая полностью определяет состояние электронной компоненты плазмы. Без знания ЕЛЧ невозможно описание любых процессов, связанных с электронным возбуждением в плазме.

Молекулярные добавки могут оказывать существенное влияние на устойчивость разряда, появление страт и шумов, на характер установления стационарных характеристик положительного столба при его зажигании.

Стационарная и распадающаяся плазма (послесвечение) в смесях инертных газов с молекулярными добавками широко используется для изучения элементарных процессов, происходящих с участием молекул, измерения вероятностей, сечений и констант скоростей реакций. Использование смесей инертных газов с малыми добавками молекулярных особенно удобно для этих целей, так как малое парциальное давление примеси в буферном газе делает маловероятными столкновения молекул друг с другом, уменьшает скорость столкновительной дезактивации и как следствие существенно упрощает анализ экспериментальных данных и построение теоретических моделей.

Плазма в смесях инертных и молекулярных газов может быть использована также для моделирования верхних слоев атмосферы.

Большой интерес имеет место в настоящее время к изучению разряда в смеси Аг - N2 , который является основой многих технологических процессов. В частности реакция перезарядки в такой смеси (перезарядка ионов аргона на N2 и обратный процесс) является одним из самых изучаемых элементарных процессов. Константы скорости этих процессов достаточно надежно измерены, однако вопрос о возможности возбуждения высоколежащих электронных состояний иона азота (В2Би ) при перезарядке до конца не выяснен.

При исследовании примесей инертных и молекулярных газов можно априори предположить, что большую роль в ионизации играют процессы, в которых участвуют либо метастабильные атомы, либо колебательно -возбужденные молекулы, концентрация которых может быть большой. Диссертация посвящена исследованию таких процессов ионизации и их влиянию на формирование и характеристики положительного столба тлеющего разряда. Исследования проводились в различных смесях инертных и молекулярных газов (Не - СО, Не - N2, Аг - N2), а также в чистом гелии. Сказанное выше определяет актуальность темы диссертации.

Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения. В первой главе описаны экспериментальные установки, которые были использованы при выполнении работы, а также использованные в работе оптические и зондовые методы. Использовались две установки. Одна из них предназначалась для исследований в плазме тлеющего разряда. Вторая установка была создана в Боннском университете на основе электроразрядного СО лазера с криогенным охлаждением и использовалась при выполнении исследований плазмы лазера.

Во второй главе исследуется обнаруженное нами явление "темной фазы" развития положительного столба тлеющего разряда в смесях гелия с СО, N2 и в чистом гелии, суть которого состоит в том, что в начале разрядного импульса наблюдается полное отсутствие свечения плазмы в течение некоторого промежутка времени. Выясняются причины и условия его появления, а также роль процессов ионизации с участием метастабильных атомов (реакция Пеннинга, парные столкновения) в возникновении данного эффекта. Дается качественное объяснение наблюдаемых результатов. Описывается созданная теоретическая модель, которая на основе как аналитических, так и численных расчетов позволяет удовлетворительно описать наблюдаемые закономерности.

Третья глава посвящена процессам возбуждения и дезактивации электронных состояний молекулы азота и иона азота (рис. В.1) в разряде и в послесвечении в смеси Аг - N2. Основное внимание уделено исследованию процессов заселения состояния К2+(В2Еи+). Показано, что основным как в разряде, так и в послесвечении является процесс с участием долгоживущих возбужденных частиц - колебательно-возбужденных молекул азота в основном состоянии и ионов Аг+. В результате проведенных измерений определена константа скорости этой реакции.

Исследуются также процессы возбуждения и дезактивации состояний А3£и+ и С3Пц+ молекулы N2, приводятся данные измерений концентрации молекул М2(А3£и+) и атомов N.

В четвертой главе изучается огггогальванический эффект в проточном электроразрядном СО - лазере с криогенным охлаждением в режиме генерации на одном колебательно - вращательном переходе. Изучаются временные зависимости тока и напряжения на разрядном промежутке при периодическом включении и выключении генерации. Создана теоретическая модель на основе расчетов функции распределения молекул СО по колебательным уровням и предположения, что основным механизмом ионизации является кумулятивный процесс с участием -колебательно-возбужденных молекул СО и молекул СО в метастабильном состоянии. Имеет место хорошее качественное согласие модели с полученными экспериментальными данными.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Y. Z. Ionikh, Y. G. Utkin, N. V. Chernysheva Peculiarities of initial stage of glow discharge in helium with molecular gas admixtures // Proc. International school -seminar "Nonequilibrium processes and their applications", Minsk, Belarus, 1994, p. 126-127

2. Ю. 3. Ионих, Ю. Г. Уткин, H. В. Чернышева, А. С. Евдокименко "Тёмная" фаза развития положительного столба тлеющего разряда // Физика плазмы, 1996, Т. 22, № 3, с. 289-297.

3. Y. Z. Ionikh, Y. G. Utkin, N. V. Chernysheva.New effect in positive column of glow discharge: a "dark" phase in initial stage of development // Proc. 28th EGAS, Graz, Austria, 1996, p. 510-511.

4. Y. Z. Ionikh, Y. G. Utkin, N. V. Chernysheva.New effect in initial stage of a glow discharge: a "dark" phase of the positive column // Proc. ESCAMPIG XIII, Poprad, Slovakia, 1996, p. 153-154.

5. Y. Z Ionikh, Y. G. Utkin, N. V. Chernysheva. New effect in the positive column of a glow discharge: a "dark" phase of initial stage of development // Proc. International school -seminar "Nonequilibrium processes and their applications", Minsk, Belarus, 1996, p. 134-1036

6. А. С. Евдокименко, Ю. 3. Ионих, Ю. Г. Уткин, Н. В. Чернышева. Обнаружение и исследование эффекта возникновения "темной фазы" развития положительного столба тлеющего разряда//Тезисы ФНТР-95, Петрозаводск, 1995, стр. 279-281.

7. A. Evdokimenko, Y. Ionikh, Y. Utkin, N. Chernesheva. Energy pooling reaction of ionization of N? to В2 V state in Ar - N2 discharge plasma // Proc. 29th EGAS, Berlin, Germany, 1997, p. 551-552.

4.4 Выводы.

В данной главе изложены результаты измерены временные зависимости тока и напряжения на разрядном промежутке электроразрядного СО-лазера при периодическом включении и выключении генерации на одном колебательно-вращательном переходе. Показано, что форма импульса напряжения (тока) существенно зависит от того, с какого колебательного уровня имеет место генерация. Для объяснения полученных зависимостей построена теоретическая модель. Проведен расчет функции распределения молекул по колебательным уровням и моделирование ее эволюции при возникновении генерации на одном колебательно-вращательном переходе. Оказалось, что на основе этих расчетов и предположения, что за появление оптогальванического эффекта ответственен

Заключение

В заключение сформулируем основные результаты диссертации.

1. Созданы экспериментальные установки для спектроскопического исследования процессов, происходящих в тлеющем разряде в смесях инертных и молекулярных газов, и для исследования оптогальванического эффекта в СО-лазере.

2. Обнаружен и детально исследован новый, ранее не известный эффект существования тёмной фазы в начальной стадии тлеющего разряда в смесях Не с молекулярными газами N2 и СО и в чистом гелии и выяснены основные причины и условия его возникновения. Показано, что его существование обусловлено процессами ионизации, происходящими при участии метастабильных атомов.

3. Обнаружено эффективное заселение состояния В2Еи+ молекулярного иона азота в разряде и послесвечении в смеси Аг + N2. Установлено, что причиной его является реакция перезарядки ионов аргона на колебательно-возбужденных молекулах азота. Получена оценка константы скорости этой реакции.

4. Выяснены основные механизмы возбуждения и дезактивации излучающего состояния С3П и метастабильного состояния А32и+ молекулы азота в смеси Аг + N2, определены их концентрации для различных условий в разряде и послесвечении.

5. Разработан и апробирован метод измерения колебательной температуры основного состояния молекулы азота в плазме в смеси аргон - азот, а также в распадающейся плазме в ^-содержащих смесях.

6. Впервые проведено исследование оптогальванического эффекта в электроразрядном СО-лазере при генерации на одном колебательно-вращательном переходе. Выяснено, что временные характеристики эффекта

148 существенно зависят от длины волны генерации. Проведено численное моделирование эволюции функции распределения молекул СО по колебательным уровням при возникновении генерации на одном колебательно-вращательном переходе. Показано, что привлечение механизма ионизации с участием колебательно-возбужденных и метастабильных состояний молекул СО дает адекватное описание наблюдаемых закономерностей оптогальванического эффекта.

1. Спивак Г. В. и Столярова Е. Л. // Журнал технической физики 1948. Т. 18.1. B.З.

2. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток // М.: Наука, 1971.

3. Мик Д., Крегсс Д. Электрический пробой в газах. // М.: ИЛ, 1960. БортникИ. М. //ЖТФ. 1968. Т 38. № 6. С. 1016-1034. Phelps А. // Phys. Rev. 1960. V 117. № 3. P. 619-632.

4. Винокуров Н. И., Костин В. Н. // Электронная техника. 1969. Серия 3: газоразрядные приборы, с. 25-32.

5. Ионих Ю. 3., Костюкевич И. Н., Чернышева Н. В. //Оптика и спектроскопия. 1993. Т. 74. В. 3. С.455

6. Спектроскопия газоразрядной плазмы. // Под ред. С. Э. Фриша. Л.:Наука,1970.

7. Rutscher A. //Beitr. Plasmaphys. 1967. Bd. 7. P. 43

8. Конев Ю. Б., Кочетов И. В., Марченко В. С., Певгов В. Т., Шарков В. Ф. // Препринт ИАЭ № 2810. М., 1979. С. 20.

9. Справочник констант элементарных процессов с участием атомов, ионов, электронов, фотонов/Под ред. А.Г. Жиглинского. СПб.: Изд-во СПбУ, 1994.1. C.148.

10. Ионих Ю. 3., Кочетов И. В., Куранов А. Л., Певгов В. Г., Пенкин Н. П. // Письма в ЖТФ. 1979. Т. 5. В. 18. С. 1145-1148.

11. Kolokolov N. В., Kudryavtsev. A. A., Blagoev А. В. // Physica scripta. 1994. Vol. 50. P. 371 -402.

12. MeweR. //Physica. 1970. V.47.P.373. Penning E.M. // Zs.Phys. 1928. B.46. P. 335.

13. Крютченко ОН., Маннанов А.Ф., Степанов В.А., Чиркин М.В. // Журн.техн.физ. 1994. Т.64. B.II. С.42.

14. Ионих Ю. 3., Пенкин Н.П., Самсон А. В. // Вестн. ЛГУ. Физ. Хим. 1976. Вып. 4. С. 51

15. Dixon A.J., Harrison M.F.A., Smith А.С.Н. // J.Phys.B. 1976. V.9. P.2617.

16. Блашков В.И., Ионих Ю.З., Пенкин Н.П. // Оптика и спектр. 1986. Т.61. С.974.

17. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. С.376.

18. АмировР.Х., АсиновскийЭ.И., МарковецВ.В. //ТВТ, Том 19, 1981, С.47-51.

19. Райзер Ю.П, Шнейдер М.Н. // ТВТ. 1991. 29(6). С. 1041-1052.

20. Ricard A, Pilorget А, Michel Н and Gantois М // European Patent Application 884019506, 1988.

21. Ricard A, Besner A, Hubert J and Moisan M. // J. Phys. B. At. Mol. Opt. Phys. 1988. 21. P. 579.

22. J Kaplan it Phys. Rev. 54 (1938) P. 176

23. Brocklehurst В., Nickolls R.W. Pink. // Nature. 1969. V.223. P.824.

24. Голубовский Ю.Б., Тележко B.M. // ЖПС. 1983. Т.39. В.6. С.983-986.

25. Sa P.A., Loureiro J. // J.Phys. D. 1997. V.30. P.2320-2330.

26. Brussaard G.J.H., Aldea E., Van de Sanden M.C.M. et.al. // Chem.Phys. Lett. 1998. V.290. P.379-384.

27. Kato S., De Gouw J.A., Lin C.D. et.al. // Chem. Phys. Lett. 1996. V.256. N 3. P.305-311.

28. A. A. Viggiano and Robert A. Morris // J. Chem. Phys. 1993. V.99. P.3526.

29. Shul R. J., Passarella R., Upshulte B. L., et al.// J.Chem. Phys. 1987. V.86. N 8. P.4446-4451.

30. Dyatko N.A., Kochetov I.V., Napartovich A.P. // J.Phys. D. 1993. V.26. P.418-423.

31. S. De. Benedicts, G. Dillecce, M. Simek. // J. Physics D. 1997. 30 (20). P. 28872894.

32. Иванов E.E., Ионих Ю.З., Пенкин Н.П., Чернышева Н.В. // ХВЭ. 1984. Т.18. В.2. С. 159

33. G. N. Hays and H. J. Oskam. I I J.Chem.Phys. 1973. 59, P. 1507. L. G. Piper. //J. Chem. Phys. 1988. 88 (11). P. 6911-6921. PiperL G. //J. Chem. Phys. 1989.16, P.2471

34. Kossyi I A, Kostinsky A Yu, Matveyev A A and Silakov V P. // Plasma Sources Sei. Tehnnol. 1992.1, p.207;

35. Becker К H, Fink E H, Groth W, Jud W and Kley D. // Faraday Discuss. Chem. Soc. 1972. 53, P. 35

36. Словецкий Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. Москва 1980.

37. Коган Е.Я., Пржонский А. М., Черняк В. Я. // Тезисы доклада III Всес. симп. по плазмохимии. М. 1979. Т.1. С. 81-84

38. Ионих Ю.З. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 1993.

39. Справочник констант элементарных лроцессов с участием атомов, ионов, электронов, фотонов //Под ред. Жиглинского А. Г. СПб. 1994. С. 336. Dixon A. J., Harrison W. F. A., Smith А. С. H. // Abstr. 8th ICPEAC. Belgrade. 1973. V.l. P.405.

40. P.B. Armentrout, Susan M. Tarr, A. Don and Robert S. Freund. // J.Chem.Phys. 1981. V.75. N 6. P.2786-2794.

41. Hamdam M, Int. // J. Mass Spec. Ion. Phys. 1984. NL vol. 57 P. 225

42. Lindinger // Phys.Rev.A, 1981. US vol. 23. P.2319

43. Filzwilson RL and Chanin L M; // J. Appl. Phys. 1973. 44, P.5337

44. Ионих Ю.З. // Оптика и спектр. 1981. Т.51. B.l. С.76-83.

45. Гордиец Б.Ф., Осипов А.Н., Шелепин JI.A. Кинетика процессов в газах и молек. лазеры. М. 1980. С. 512.

46. Биллинг Г. В. Неравновесная колебательная кинетика. // Под ред. Капителли M. М. С. 103-136.

47. Акулинцев В.М., Горшунов Н.М., Нещименко Ю.П. // ПМТФ. 1977. N 5. С.5-12.

48. Гершензон Ю.М., Розенштейн В.Б., Уманский С Я. // Химия плазмы. 1977. В.4. С. 61-97.

49. Мнацаканян А.И., Найдис Г.В. // ТВТ. 1973. Т. 11. В.5. С. 932-938.

50. Новгородов М.З., Очкин ВН., Соболев H.H. // ЖТФ. Т.20. В.6. С. 1268-1275.

51. Гагарин С.Г.,Полак Л.С., Словецкий Д.И. // Тезисы докл. IV Всес. конф. по генераторам низкотемп. плазмы. Алма-Ата. 1970. С. 18-20.

52. Robert L. DELEON and J.William RICH. // Chem. Phys. 107(1986). P. 283-292

53. N J Mason and W R Newell. // J. Phys. B: At Mol. Opt. Phys. 21(1988). P. 12931302.

54. Dieter Kalbhen; Untersuchung zum Zweilinienbetrieb am Raumtempatur-CO-Laser; Diplomarbeit, Universität Bonn, 1995.

55. G. M. Grigor'yan, Y Z Ionikh, IV Kochetov and V G Pevgov // J. Phys. D: Appl. Phys. 25(1992) P. 1064-1072.

56. Григорьян Г. M., Ионих Ю. 3. // Квантовая электроника. 1991. Т. 18. В. 1. С. 29-33.

57. Maximov А I, Polak L S Sergienko A F and Slovetsky D I // Fiz. Plasmi 1978. 4, p. 352-7

58. F.M. Penning // Physica 8, 137 (1928)

59. D R. Lyons, A.L.Schawlow and G-Y. Yan. // Optics communication, 1981. 38(1). P.35-38

60. M. Van Roozendael, G.W. Hills and M. Herman. // Optics communication, 1986. 58(5). P.319-323

61. С E Little and P G Browne. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 1988. 21. P. 26752690.

62. Bhaumic M L, Lacina W В and Mann M M. // IEEE J. Quant. Electron. 8. P. 150160.

63. R. E. Muenchausen, R.D. May and G.W. Hills. // Optics communications. 1984 V.48(5). P.317-321.

64. V. N. Ochkin, N.G. Preobrasenskii, N.N. Sobolev and N. Ya. Shapaev. // Sov. Phys. Usp. 1986. 29(3). P.260-280

65. Ionikh Y. Z, Kochetov I. V., Kuranov A. L. et. al. // Письма в ЖТФ. 1979. 5. Р. 1145-1148.

66. Jürgen Pfaff, Marianne H. Begermann and Richard J. Saykally. // Molecular Physics. 1084. V. 52(3). P. 541-566.

67. M .Schneider, A. Hinz, A. Groch, K. M. Evenson, and W Urban. // Appl. Phys. В 1987. 44. P. 241-245.

68. R. B. Green, R. A. Keller, G. G. Luther, P.K. Scheck, and J.C. Travis. // Applied Physics Letters. 1976. 29(11) P.727-729

69. К. С. Smith and W.G. Mallard // J. Chem. Phys. 1982. 77. P. 1779

70. Grigor'yan G M, Dymshitz В M and Ionikh Y Z // Opt. Spectrosc. 1988. 65. P.686-691

71. Morgan W L and Fisher ER// Phys. Rev. 1977. A. 16. P. 1186-1198.

72. C.B. Collins, F.W. Lee, H. Golbani, F. Davanloo, P.A. Vicharelli, D. Popescu, and I. Popescu//J. Chem. Phys. 1981. 85. P.1105

73. H.A. Bachor, P. J. Manson, R. J. Sandeman // Optics communications. 1982. V.43. P.337.

74. G A Murray and A L S Smith // J. Of Phys. D: Appl. Phys. 1978. V 11(4) P. 24772487.

75. G A Murray and A L S Smith // J. Of Phys. D: Appl. Phys. 1981. V 14. P. 1746 -1756.

76. Gordiets В. F. And Mamedov S. С. // Sov. J. Tech. Phys. 1977. 22. P. 498-506.

77. G M Grigor'yan, Y Z Ionikh, I V Kochetov and V G Pevgov // J. Phys. D: Appl. Phys. 1992. 25. P. 1064-1072

78. X. Luo, M. Koch, W. Urban, C. L. Sung, Q, X, YÜ and J. X. Lin // Appl. Phys. B. 1988.45. P. 13-16.

79. Kagan J M and Kaufman J. // J. Phys. B: At. Mol. Phys. 1983.16. P. 1687-1695

80. Keren H, Avivi P. and Dothan F. // IEEE J. Quant. Electron. 1975. 11. P. 590-594

81. M. R. Osgood, W. C. Eppers. // Appl. Phys. Letters. 1968.12. P. 409

82. Y. Wang, Z. Gui, S. Zhang. // Chin. Phys. 1982. 2. P. 799

83. Y. Wang, S. Zhang, Z. Gui. // Acta Optica Sinica. 1983. 3. P. 797

84. Rockwood S. D., Brau J. E., Proctor W. A. Canavan G. H. // IEEE, 1973, V.QE-9, P. 120.

85. C.Gorse, M. Cacciatore and M. Capitelli. // Chemical Physics. 1984. 85 P. 165176.

86. R. Farreng and C. Rossetti. // Chemical Physics. 1985. 92 P. 401 -416.

87. Ю.Б. Кочетов, И.В. Конев, В.Г. Певгов, В. Ф. Шарков. // Препринт. Институтатомной энергии имени И. В. Курчатого. М. 1977. 104. W. Urban. // Laser und Optoelectronik. Febr. 1991. P. 56-60

88. И.В. Конев, Ю.Б. Кочетов, B.C. Марченко, Г. Певгов, В. Ф. Шарков. // Препринт. Институт атомной энергии имени И. В. Курчатого. М. 1977.

89. Дорош В. С., Добро JI. Ф., Иванов В. Н. и др. // Квантовая Электроника 1975. Т. 2. В.5. С. 669 675.

90. В. Н. Очкин, Н. Г. Преображенский. Н.Я. Шапарев. // Оптогальванический эффект в ионизированном газе. Москва, «Наука». 1991.

91. Герасимов Г. Н., Лягущенко Р. И., Старцев Г. П. // Оптика и спектроскопия. 1971. Т. 30, В. 4. С. 606-611.

92. Larnghoff S. R., Bauschliher С. W. // J. Chem. Phys. 1988. Vol. 88 P. 329-336.

93. Werner H. J., Karlhen J., Reinsch E. A. // J. Chem. Phys. 1984. Vol. 81 P. 24202431.