Спектроскопическое исследование плазмы разрядов с полым катодом в смесях водорода с инертными газами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

¡"' 1 О V 11

2 (:'£3 На правах рукописи

Мельников Алексей Сергеевич

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ РАЗРЯДОВ С ПОЛЫМ КАТОДОМ В СМЕСЯХ ВОДОРОДА С ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИ

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-матемагнческих наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1996

Работа выполнена на кафедрэ Оптики физического факультета Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Лавров Б.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Бородин B.C.

кандидат физико-математических наук Ходорковский М.А.

Ведущая организация: Физико-Технический Институт РАН им. Иоффе

Защита диссертации состоится " _1996г.

в /У^0 час, на заседании диссертационного совета К 063.57.10 по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан " ¥ ^■¿fe&c-j' 1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физ.-мат. наук Тимофееа H.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена исследованию свечения атомов и молекул водорода в неравновесной плазме разрядов с полым катодом в смесях водорода с инертными газами (Ые, Аг, Кг).

Актуальность темы диссертации определяется несоответствием между широким размахом исследований и применений неравновесной плазмы на смесях водорода с инертными газами в научных и прикладных задачах с одной стороны и сравнительно малой изученностью влияния инертных газов на процессы возбуждения и дезактивации атомов и молекул водорода с другой стороны. Об актуальности нашей работы говорит и то, что наряду с постановкой нашей работы исследования процессов возбуждения в результате столкновений атомов, ионов и молекул водорода с инертными газами одновременно и независимо проводились в пучковых и плазменных экспериментах в США, Франции и Югославии.

Цель настоящей работы - исследование роли элементарных процессов столкновения атомов, ионов, молекул водорода между собой и с инертными газами в формировании интенсивностей в спектрах атома и молекулы водорода в условиях плазмы газового разряда низкого давления. Зздачи работы. 1) Проведение систематических измерений интенсивностей и контуров спектральных линий атомов и молекул водорода в плазме разрядов с полым катодом в смесях Н2+Ме,Аг,Кг. 2) Получение данных необходимых для интерпретации результатов измерений, таких как адиабатические потенциальные кривые, факторы Франка-Кондона, радиационные времена жизни, сечения возбуждения электронным ударом.

Основными объектами исследования - служили плазма тлеющего и высоковольтного разрядов с полым катодом в чистом водороде и в смесях с инертыми газами, поскольку: 1) в данном типе разряда наиболее легко проводить анализ кинетики возбуждения и дезактивации электронным ударом, вследствие пространственной однородности плазмы в аксиальном направлении и наличия плато на функции распределения электронов по энергиям; 2) использование разрядов данного типа дает возможность проводить наблюдения вдоль и поперек электрического поля в широком интерпале давлений.

Научная новизна работы состоит в том что в ней впервые: 1) созданы такие условия, при которых в объеме низкотемпературной плазмы наблюдается образование быстрых возбужденных атомов водорода

с кинетической энергией существенно превышающей тепловую (до нескольких килоэлектронвольт); 2) предложено использовать измерения контуров бальмеровских линий для определения функции распределения нормальных атомов по скоростям и ионного состава плазмы; 3) получены новые данные о механизмах возбуждения линий серии Бапьмера в водоро-досодержащей плазме низкого давления, оценки сечений возбуждения атомов водорода при столкновении с Н2 и Аг, Кг, отсутствовавшие в литературе. Обнаружены и объяснены эффекты влияния инертных газов и ионного состава водородосодержащей плазмы на форму контуров спектральных линий На, Нр, Нт; 4) определены оптимальные значения параметров полуэмпирических потенциальных кривых и рассчитаны факторы Франка-Кондона радиационных и столкновительных переходов между основным и нижними триплетными состояниями молекул Н2 и D2; 5) измерены радиационные времена жизни d3n„ ,v=0-6 уровней Нг и коэффициенты тушения при столкновении с молекулами Н2; 6) получены новые значения сечений с^П^Уч-Х'Е^лМ) возбуждения Нг электронным ударом, установлено, что в отличие от данных предыдущих исследований они в пределах погрешности совпадают с факторами Франка-Кондона; 7) обнаружено существенное изменение формы диссоционного континуума водорода в смеси Н2+Аг, установлено что это связано с передачей возбуждения при столкновениях Аг(3Р,1Р) с H2(X'Zg). Эти основные положения и выносятся

на защиту.

Научная и практическая значимость работы состоит с одной стороны в развитии новых моделей процессов возбуждения уровней атомов и молекул водорода в неравновесной низкотемпературной плазме на смесях H2+Ne, Нг+Аг, Нг+Kr, а с другой стороны в получении новых данных о константах элементарных процессов, потенциальных кривых и факторах Франка-Кондона, радиационных временах жизни молекул Нг и D2. Полученные результаты могут использованы в различных приложениях.

Апробиия работы и публикации. Материалы вошедшие в диссертацию докладывались на XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев 1988), XVI ICPEAC (New York 1989), на VI Всероссийской конференции Атомные данные для астрофизики (С.-Петербург 1995) и опубликованы в 3 статьях, 2 депонированных рукописях и 3 тезисах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения двух частей, заключения, списка литературы и двух приложений. Её полный

объем 170 стр. включает 118 стр. текста, 21 рис., 10 табл., библиографию 123 наименования и 8 стр. приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, сформулированы цели и задачи, изложены основные результаты. Обзор работ по каждому из исследованных вопросов содержится в соответствующих частях диссертации.

Первая часть диссертации посвящена исследованию свечения линий серии Бальмера в тлеющем разряде с полым катодом (ТРПК) и в высоковольтном разряде с полым катодом (ВРПК) в чистом водороде и в смесях Н2 с Ne, Аг, Кг. В §1.1 описывается экспериментальная установка и методика энергетической калибровки оптической системы. Измерения проводились в газоразрядном устройстве состоящем из полого катода (трубка из ковара с внутренним диаметром 7мм и длиной 100мм) и двух цилиндрических молибденовых анодов (015x15мм) расположенных симметрично относительно катода.

В §1.2 описываются экспериментальные результаты, полученные нами в ТРПК. Проводились измерения контуров спектральных линий Бальмеровсксй серии водорода (На, Hp, Нг) в чистом водороде при давлении р=0.5^2.0Торр, и в смеси с инертными газами при р=0.3-И0Торр. Соотношение водород/инертный газ (по объему) варьировалось от 0.1 до 10. Разрядный ток (г) менялся от 10 до 100 мА з непрерывном режиме и от 50мА до 1А в импульсном режиме. Напряжение анод-катод (V) находилось в пределах от 150 до 350В. Типичные регистограммы измеренных контуров спектральной линии На представлены на рис.1, где приведены так же контуры двух линий неона, которые воспроизводят аппаратную функцию монохроматора в районе линии На. Видно, что аппаратное уширение спектральной установки не влияет на измеряемую форму контуров вне сравнительно узкой области вблизи центра линии. В контуре линии На в чистом водороде (рис. 1а) можно выделить три части: центральную часть, небольшие "ступеньки" около центральной части и длинные затянутые крылья. В области центрального пика и "ступенек" излучают возбужденные атомы водорода, образовавшиеся в результате прямого возбуждения атомов и диссоциативного возбуждения молекул водорода электронным ударом. Регистрируемые нами кванты относящиеся, к далеким крыльям линий

образуются в результате Допплеровского смещения частоты излучения

е

Рис. 1.5. Контуры линий серии Бальмера, измеренные в плазме ТРПК. а) 1-На в Иг при р=1.4Торр, ¡=70мА, 2 и 3 линии А1е1 653.98 и 659.90нм (соответственно) в смеси Нг+Ые. 6) На в смесях Нг+Ые, Нг+Аг, Нг+Кг-кривыс 1,2,3 соответственно, при соотношении компонентов смеси 1:5,1=70мА и р=(2.1±0.2)Торр.

быстрых изолированных возбужденных атомов водорода.

Рис. 16 иллюстрирует влияние Ые, Аг, Кг на форму контура На. Видно, что добавка Ые почти не влияет на форму контура На, а добавка Аг или Кг существенно увеличивает интенсивность крыльев линии, по сравнению с центральным ликом. Все описанные выше эффекты в контурах линии На наблюдаются и для других исследованных линий серии Бальмера - Нр, К,. Вся совокупность материала, полученного нами при изучении ТРПК показывает, что быстрые возбужденные атомы водорода рождаются в процессах с участием ионов. Эксперименты в ТРПК не дают возможности выяснить, где рождаются возбужденные атомы водорода - на поверхности (катода) [1] или в объеме плазмы [2]. Именно, по этой причине (желая устранить влияние стенок) мы обратились к исследованию ВРПК (§1.4). Важно подчеркнуть, что в отличие от ТРПК здесь возбужденные атомы без сомнения рождаются непосредственно в пространстве между анодом и катодом.

В §1.3 содержится обзор литературных данных о сечениях столкновений ионов (Н+, Н2, Н3, Н") атомов (Н) и молекул (Н2) водорода (в диапазоне кинетических энергий от порога возбуждения до ЮкэВ) с Аг, Кг, Н2, приводящих к образованию возбужденных атомов водорода с главным квантовым числом п=3, 4, 5. Результаты обзора показывают, что наибольшее сечение возбуждения атома водорода имеют реакции:

Н(п=1) +Х-» Н(п=3-5) +Х (1),

где X - №, Аг, Кг, Н2, а жирным шрифтом выделены частицы имеющие кинетическую энергию выше порога возбуждения. Сечения реакции (1) для Аг и Кг имеют максимум в районе 80эВ, величина сечения в максимуме ~6х10"17см2. Сечения реакции (1) для Ые и Н2 имеют максимум в районе 800эВ, а значение а максимуме ~3х10"17см2. Сечения перезарядки с возбуждением существенно меньше сечения реакции (1) в области энергий до нескольких кэВ.

В §1.4 приведены результаты измерения контуров линий На, Нр, Нг полученные в ВРПК при р=0.076-1,0Торр, г=1-10мА, \/=0.5-ЗкВ. Известно, что при понижении давления газовой смеси разряд с полым катодом переходит в качественно иную форму. называемую обычно ВРПК [3]. Отметим, что существенная особенность ВРПК состоит в том, что появляется значительное электрическое поле между катодом и аноду, в котором заряженные частицы двигаются с ускорением. Включая попеременно левый или правый аноды мы имеем возможность вести наблюдения по направлению или против направления вектора электрического поля. В качестве примера на рис.2а показаны результаты таких измерений в Н2. Видно, что в этих условиях контуры исследованных линий, обусловлены излучением двух групп возбужденных атомов. Несмещенный компонент контура (узкий пик)

г. _ '1 г ~Т г I ПШ

0.5т

Ш Ш

гг ШП I

il.ii им

Рис.2. Контуры линий в плазме ВРПК в водороде, а) Контуры линии На при подключении разных анодов, р=(0.40+0.03)Торр, ¡=9.0мА.. б) Контуры линий На(1), Hfl(2), Н/3) при р=0.14Торр, ¡=4.0мА (Ha, Hp), 2.5мА(Нг).

соответствует тепловым атомам, а асимметричный сравнительно широкий колокол быстрым возбужденным атомам. Направление движения подавляющего большинства нетепловых возбужденных атомов совпадает с направлением движения положительных ионов. На рис.26 показаны контуры На, Нр, Нг, на кривых 2 и 3 хорошо виден многолинейчатый спектр молекулы Н2. В шкале скоростей, при нормировке на единичную площадь, контуры

s

линий Ha, Hp, зарегистрированные в одинаковых условиях, совпадают в пределах погрешности (10%). На рисунке показаны также допплеровские смещения, соответствующие максимальным значениям проекции скорости различных ионов на линию наблюдения, рассчитанные по формуле: _____

1±-/2еУ/пмс2 ) (2),

где Ко- длина волны перехода, m i - масса иона, е - заряд электрона, с -скорость света. Граничные длины волн для ионов Н+, и Н3 обозначены римскими цифрами I, II и III соответственно.

Весь полученный нами материал, и в частности, результаты, представленные на рисунках показывают, что граничная длина волны Допплеровского контура соответствует скорости, которую мог бы набрать протон (Н+), прошедший без столкновений ускоряющую разность потенциалов анод-катод.

Установлено, что добавка Ne почти не влияет на контуры бальмеровских линий, а добавки Аг или Кг существенным образом деформируют контуры линий Ha, Hp, Н7 в области длин волн, соответствующих кинетическим энергиям атомов водорода 0-200эВ. Показано, что образование быстрых возбужденных атомов водорода происходит в результата последовательности двух процессов, перезарядки протонов с образованием быстрых атомов (преимущественно в основном сотоянии) и возбуждения атомным ударом (реакция (1)).

В §1.5 рассматривается определение спектров скоростей атомов водорода в смесях водород-инертный газ. В ТРПК устанавливается распределение атомов водорода по скоростям близкое к изотропному. Хорошо известно, что в этом случае для определения функции распределения (ФР) возбужденных атомов по кинетическим энергиям f(e) необходимо продифференцировать наблюдаемый контур линии. Дифференцирование экспериментально полученных зависимостей является обратной некорректной задачей. Для ее решения была разработана программа для ЭВМ, использующая алгоритмы построения сглаживающих сплайнов. Тестирование программы осуществлялось на модельных задачах. Если предположить, что в наших условиях быстрые возбужденные атомы образуются в результате реакции (1), а гибнут вследствие спонтанного излучения, то уравнение баланса для возбужденных атомов может быть записано в виде:

м

Tn

= [X] g(e + En) crn(e + En) ^Г^

(3),

где En - потенциал возбуждения уровня с главным квантовым числом п, д(к)-ФР нормальных атомов водорода по кинетическим энергиям, ап(в) - сечение возбуждения атома Н на уровень п в реакции (1), т„- время жизни п-го уровня. Таким образом, если известно <тп(в), то зная fTs), из уравнения (3) нетрудно найти g(s). Расчет для смеси Н2+Аг показал, что ФР возбужденных и нормальных атомов заметно различаются и обе являются сильнонеравновесными в области больших энергий.

В §1.6 рассматривается влияние ионного состава плазмы на контуры спектральных линий серии Бальмера в Н2. Расчеты и оценки показали, что в наших условиях, основной вклад в свечение крыла линии Н„, соответствующего частицам, летящим в направлении движения отрицательно заряженных частиц, вносят атомы родившиеся в результате перезарядки отрицательных ионов. По контурам бальмеровских линий можно найти отношение [Н"]/[Н+] (для быстрых ионов), в исследованных нами условиях [Н ] не превосходила нескольких процентов от [Н+]. Известно, что ионный состав водородной плазмы достаточно сложен и может включать ионы Н4, Hj, Н3, Н5, Н~. При давлении водорода ~0.2Торр мы наблюдали контуры линий На с двумя максимумами в области свечения быстрых возбужденных атомов, движущихся в ту же сторону, что и положительные ионы. Наиболее естественное объяснение состоит в том, что наблюдаемому нами распределению интенсивности соответствуют два сорта ионов (Н1 и Н^)-

На основе измерения интенсивностей линий На, Нр, Ну и ре-

Таблица. Отношения сечений возбуждения атома водорода на уровень с главным квантовым числом п к сечению возбуждения уровня с п=3 при столкновении атома Н с Н2, Аг, Кг.

шения соответствующих уравнений баланса возбуждения и дезактивации нами были оценены относительные сечения возбуждения атома Н на уровни с п=3-5 при столкновении с Н2, Ие, Аг. Результаты представлены в таблице. Видно, что наша оценка для п=4 удовлетворительно согласуется с данными пучковых экспериментов. В §1.7 проводится обсуж-

Н + Н2 Н + Аг Н + Кг

п е=0.2-2.0кэВ Е=20-200эВ е=20-200эВ

наст. [4] наст. [5] наст. [б]

работа работа работа

3 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

4 0.14(3) 0.18(3) 0.13(2) 0.13(9) 0.11(3) 0.14(9)

5 0.025(5) 0.036(7) — 0.033(7)

дение полученных результатов и сравнение с другими работами.

Вторая часть диссертации посвящена исследованию процессов

заселения электронно-колебательно-вращательных (ЭКВ) уровней молекул

Н2 в плазме ТРПК в смесях Н2+№, Н2+Аг, Н2+Кг. В этой часта работы мы

исследовали свечеиие .диссоционного континуума и полос а-системы

Фулхера. Свечение диссоционного континуума молекул водорода,

3 V +

возникающее при переходе из устойчивого триппетного состояния а в

отгалкивательное состояние широко используется для создания

источников ультрафиолетового излучения [7]. Термы а Е, и

состояний образуют систему с естественной инверсией заселенностей, что стимулирует интерес к изучению свечения диссоционного континуума водорода с целью получения лазерной генерации. Свечение полос а-

системы Фулхера (с13Пц—^а3^^ переход) является наиболее изученным и *

традиционно используется для диагностики водородосодержащей плазмы. Для анализа испускаемых неравновесной плазмой спектров молекулы Н2 необходимо было провести ряд предварительных исследований посвященных определению потенциальных кривых (ПК), факторов Франка-Кондона (ФФК), радиационных времен жизни и коэффициентов столкновительного тушения. Результаты этих исследований приведены в §§2.1-2.3. Свечение диссоционного континуума и а-системы Фулхера в наших условиях обсуждаются □ §2.4.

В §2.1 содержится описаниа разработанной в настоящей работе программы для полуэмпирического определения ПК двухатомных молекул оптимизационным методом. Оптимизационный метод полуэмпирического определения ПК (Щг)) состоит в [7]: априорной параметризации потенциальной кривой (задании вида выражения и(г)=и(а1... а^г)) и нахождении оптимального набора параметров аь.. ащ в результате минимизации суммы квадратов невязок экспериментальных и рассчитанных из колебательного уравнения Шредингера значений ЭКВ термов. Функционал невязок имеет вид:

4-Г-2:(Е^-ЕЙ(а1...ат))2 (4).

1

где сгЕ-среднеквадратичная невязка, т- число искомых параметров потенциала, Е^1 - экспериментальные значения энергии ЭКВ уровней, v-колебательное квантовое число, И- вращательное квантовое число полного

углового, момента без учета спина электронов, 1-число экспериментальных данных, - значения энергий ЭКВ уровней, вычисленные из

колебательного уравнения Шредингера. Программа написана на языке FORTRAN-66 и может быть использована на компьютерах ДВК под управлением ОС RT-11 и на персональных компьютерах IBM PC под управлением MS DOS. С помощью разработанной программы были определены ПК a3Zg, е3Х£, f3EJ, с3П~, d3n~, к3П~, п3П~, и3П~

состояний молекул Н2 и D2 и проанализированы изотопные эффекты в ЭКВ уровнях указанных состояний.

В §2.2 содержаться результаты расчета Факторов Франка-Кондона (ФФК) радиационных и столкновительных переходов между X'Xg, a3Zg,

e3EJ, f3SJ, с3Пц, d3n„, к3Пц состояниями молекул Н2 и D2. Расчеты ФФК проводились с помощью программы описаний в работе [8]. В качестве потенциальных кривых возбужденных a3Zg, е3£ц, f32J, с3Пц, <13Пц,

к Пи состояний были использованы ПК рассчитанные в §2.1. Для потенциальной кривой основного x'Zg состояния использовались

результаты последнего наиболее точного ab'initio расчета из работы [Э]. Сравнение рассчитанных нами ФФК переходов Н2 с имеющимися в литературе данными (d3n„-»a3Eg и k3IIJj-»a3Xg переходы) показало

хорошее согласие для небольших v,N.

В §2.3 содержатся результаты измерений радиационных времен жизни

2 _

(tv) и коэффициентов столкновительного тушения d Пи ,v уровней молекулы Н2, Исследовалось послесвечение спектральных линий Q, и Q3 первых семи (v=0+6) диагональных полос а-системы Фулхера молекул Н2, возникающее при пропускании импульсно-модулированного пучка электронов припороговой энергии через спектрально-чистый водород при давлениях 10"3-2x10_1Topp. Пучок электронов (010мм) формировался трехэлектродной импульсной электронной пушкой, которая обеспечивала плотность тока в импульсе 1-ЗмА/см2 при длительностях импульса 50-200нс и заднего фронта ¿5нс. Регистрация временных зависимостей интенсивности в послесвечении (кривых распада) производилась методом задержанных совпадений. Кривые распада обрабатывались на ЭВМ методом наименьших квадратов. В результате были получены зависимости эффективных скоростей спонтанного распада d3n„, v, N отдельных ЭКВ уровней Н2 от концентрации нормальных

молекул близкие к линейным. Оценки показывают, что тушение .уровней происходит в основном при столкновениях с нормальными молекулами. Путем экстраполяции к нулевому давлению были получены следующие значения 39.5±1.2, 38.2±0.8, 42.2+0.8, 40±3, 19+1, 15.2±1.2, 16±3нс для уровней с \г=0-6 соответственно. Для уровней с «=0-3 наши результаты хорошо согласуются с данными имеющиеся в литературе (см. [7,10] и библиографию к ним), значения радиационных времен жизни для уровней у=4-6 получены в настоящей работе впервые. Наблюдаемое нами на опыте скачкообразное уменьшение т* для колебательных уровней с13Пц-состояния, лежащих выше диссоционного предела группы состояний с асимптотикой, которая соответствует сумме энергий 1,?- и 2/-атомов, является непосредственным экспериментальным доказательством существенной не-адиабатичности с!3Пц, у=4-НЗ уровней. Измеренные коэффициеты скорости тушения с!3Пи, \г=0-г5, N=1 и с13Пц, у=6, N=3 в единицах 10'9см"3-с"' при Т=600К равны соответственно: 4.0±0.5, 4.5±0.5, 4.5±0.5, 4.5+0.5, 6±4, 5+4, 5+4. Эти величины удовлетворительно согласуются с имеющимися в литературе.

Используя полученные нами времена жизни мы произвели пересчет сечений возбуждения <13ПцУ уровней электронным ударом из ,У=0

состояния, измеренных в работе [7]. Полученные величины относительных сечений хорошо согласуются с ФФК рассчитанными о §2.2 и, следовательно, амплитуда рассеяния слабо зависит от межъядерного расстояния. Таким образом при анализе кинетики заселения нижних триплетных уровней мы можем использовать приближение Франка-Кондона.

В §2.4 содержатся результаты исследований формы диссоционного континуума в ТРПК в смеси Н2 с №, Аг, Кг. Измерения формы континуума проводились в чистом водороде при р=0.5+2.0Торр, и в смеси с Ме, Аг, Кг при р=0.3^5Торр, соотношении водород/инертный газ от 0.05 до 4, ¿=10-ЮОмА в непрерывном режиме и от /=50-200мА в импульсном режиме, У=160-350В. Установлено, что зависимости относительной спектральной яркое™ Вх(Х.) от длины волны в диапазоне 200-400нм в Н2 и и в смесях Н2+Ые, Н2+Кг совпадают в пределах пофешности, а в смеси Н2+Аг существенным образом отличаются. С помощью МНК были определены относительные заселенности колебательных уровней состояния.

Выяснено, что в смеси Н2+Аг, колебательное распределение заселенностей в состоянии существенным образом отличается от случая Н2 и смесей

Н2+№,Кг и наблюдается преимущественное заселение уровня с у=0. Одновременно, определялось колебательное распределение в с!3Пц-состоянии по измерениям интенсивностей линий О) и Оз (0-0), (1-1), (2-2), (3-3) полос а-системы Фулхера. Результаты показали, что в Нг и в смеси

з _

Нг+Аг колебательные распределение в с! Пи состоянии практически

идентичны, следовательно, и колебательные распределения в также

одинаковы [7]. Эксперименты проведенные в импульсном режиме питания разряда показали, что форма диссоционного континуума в смеси Н2+Аг не зависит от газовой температуры в диапазоне 300-700К. Проведенный анализ позволил установить, что изменение формы диссоционного континуума в смеси Н2+Аг не связано с процессами колебательной релаксации молекул Н2 в основном и возбужденных состояниях. Эксперименты по исследованию послесвечения показали, что в смеси водорода с аргоном наблюдается заселение а3Х^=0 уровня в результате процесса имеющего характерную

скорость спада порядка микросекунд, что свидетельствует о передаче возбуждения от долгоживущих состояний Аг на ЭКВ уровни а3Х ^,у=0

состояния молекулы Н2.

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Проведено исследование формы контуров спектральных линий серии Бальмера (На, Нр, Нг) в плазме тлеющего и высоковольтного разрядов с полом катодом в чистом водороде и в смесях водорода с неоном, аргоном, криптоном. Установлено, что в уширеиии бальмеровских линий доминирует Допплеровское уширенме, а средние кинетические энергии возбужденных атомов водорода составляют десятки электронвольт в тлеющем и сотой электронвольт в высоковольтном разрядах с полым катодом.

2. Экспериментально показано, что основной вклад в возбуждение линий серии Бальмера в плазме разрядов с полым катодом обусловлен неупругими столкновениями быстрых нормальных атомов водорода, родившихся при перезарядке быстрых ионов, с Нг, Аг, Кг.

3. Разработана методика опреления функции распределения нормальных атомов по скоростям. В тлеющем разряде с полым катодом в смеси Н2+Аг в области энергий более 20эВ определены функции распределения возбужденных и нормальных атомов по энергии, которые оказались сильно неравновесными.

4. Показано, что сложный вид контуров спектральных линий серии Бальмера в высоковольтном разряде с полым катодом отражает ионный состав плазмы, и связан с наличием положительных ионов Н+, Н2, Н3 и отрицательных ионов Н". Предложено использовать это обстоятельство для получения информации об ионном составе плазмы.

5. Определены сечения возбуждения атомов водорода на уровень с п=4,5 по отношению к сечению на уровень с п=3, при столкновениях Н с Н2, Аг, Кг.

6. Создана программа для расчета потенциальных кривых двухатомных молекул оптимизационным методом. Для проверки единственности получаемой потенциальной кривой введена процедура случайного поиска. Введена и обоснована методика селекции экспериментальных данных об ЭКВ термах.

7. Определены наборы оптимальных значений параметров потенцилов Морзе и Гульберта-Гиршфельдера для а3Е^, е3Ец, ц, (пр)3П~ (для

п=2-6) состояний Н2 и 02. За исключением а3^^, с3Е„, с13П^ состояний Н2

все данные получены впервые. Это позволило проанализировать неадиабатические эффекты возмущений в ЭКВ-термах исследованных состояний.

8. Проведен расчет факторов франка-Кондона для радиационных и столкновительных переходов между а3 е3£+, с3П~, 03П-, к3П~,

Х1^^ состояниямии молекул Н2 и 02. Для столкновительных переходов из

состояния и для всех переходов молекулы 02 расчеты проведены

впервые. В расчетах использовались потенциальные кривые полученные в настоящей работе (см. предыдущий пункт).

9. Впервые проведено измерение радиационных времен жизни и коэффициентов тушения при столкновении с молекулами Н2 (13Пй,у=0-6 уровней Н2. Времена жизни для уровней с у-0-3 хорошо согласуются с результатами предыдущих работ. Обнаружено, предсказанное ранее, скачкообразное уменьшение ъ, для у=4-6. Тем самым экспериментально подтверждена гипотеза о неадиабатичности (13Пц,у=4-6 уровней, лежащих выше П(1^)+Н(2/) диссоционного предела.

10. На основе данных о радиационных временах жизни были получены новые относительные значения сечений возбуждения Н2 электронным ударом для (РПцУ^-Х'Е^л^О переходов. Установлено, что они в

пределах погрешности совпадают с полученными нами отношениями ФФК, и следовательно, амплитуда рассеяния электрона на молекуле в этом случае прнебрежимо слабо зависит от межъядерного расстояния.

11. Проведены измерения интенсивностей диссоционного континуума и полос а-системы Фулхера в плазме тлеющего разряда с полым катодом в Н2 и смесях H2+Ne,Ar,Kr. Обнаружено существенное изменение формы диссоционного континуума молекулярного водорода в смеси Н2+Аг.

12. Установлено, что это связано с преимущественным заселением a3Zg ,v=0 уровня по сравнению с вышележащими колебательными уровнями

a3Zg состояния. На основе проведенных исследований выяснено, что этот

эффект не является следствием колебательной релаксации молекул Н2 в основном и/или возбужденных состояниях на атомах аргона, а происходит в результате передачи возбуждения из метастабильных и/или резонансных уровней Arl в a3Zg, v=0 состояние Н2.

Цитированная литература

1. Benesch W., Li Е. Lines shapes of atomic hydrogen in hollow-cathode dishardge // Optics Lett. 1984. V.9. N.8. P.338-340.

2. Petrovic Z.Lj., Jelenkovic B.M., Phelps A.V. Excitation by and surface reflection of fast hydrogen atoms in low-pressure hydrogen discharges // Phys.Rev.Lett. 1992. V.68. N3.P.325-328.

3. Москалев Б.И. Разряде полым катодом. М. 1969. 184с.

4. Van Zyl В., Gealy M.W., Neumann Н. Balmer-Ha and Balmer-Hp emission cross section for low-energy collisions with He and H2 // Phys. Rev. A. 1983. V.28. N.1. P. 176-180.

5. Van Zyl В., Neumann H., Rothwell H.L. et al Balmer-a and Balmer-p emission cross section for H+Ar collisions // Phys. Rev. A. 1980. V.21. N.3. P.716-729.

6. Van Zyl В., Neumann H., Gealy M.W. Balmer-line emission from low-energy H impact on Kr and Xe.// Phys. Rev. A. 1986. V.33. N.3. P.2093-2095.

7. Б.П.Лавров автореф. докт. дисс. Спекгроскоиин и кинешка электронно-колебательно-вращательного возбуждения двухатомных молекул в газоразрядной плазме//Л. 1988. 32с.

8. Драчев А.И., Лавров Б.П., Поздеев Л.Л. Пакет программ для расчета вибронных матричных элементов целых степеней межъядерного расстояния //Деп. ВИНИТИ N8493-B88 от 1.12.88г

9. Schwartz С., Le Roy R. J. Nonadiahatic eigenvalue and adiahatic matrix elements for all isotopes of diatomic hydrogen. // J. of Mol. Spectrosc. 1987. V.121. N.2. P. 420-439.

10. Day R.L., Andersson R.J., Sharpton F.A. Radiative decay constants of H2 Fulcher bands //J. Chem. Phys. 1978. V.69. N12. P.5518-5520.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Асташкевич С.А., Драчев А.И., Лавров Б.П., Мельников A.C., Поздеев Л.Л. Об использовании изотопных эффектов при анализе ЭКВ спектров дпухатомных молекул Нг и D2 // XX Всесоюзный сьезд по спектроскопии. Киев 1988. Тезисы докл. 4.1 С.171.

2. Burstein M.L., Lavrov В.Р., Melnikov A.S., Prosikhm V.P., Yurgenson S.V., Yakovlev V.N. On the nonadiabatic nature of H2 rovibronie d3I"lu v,N levels.//XVI ICPEAC Abstr. of Contr. Pap. N.Y. 1989. P.325.

3. Лавров Б.П., Мельников A.C., Поздеев Л.Л., Токарев Н.В. Факторы Франка-Кондона для переходов между X Eg, a Eg, с3Пц, й3Пц, к3П^, е3Е J состояниями молекул Н2 и D2 // Рук. Деп. в ВИНИТИ 5 ноября 1990г. N5634-B90. 27с.

4. Бурштейн М.Л., Лавров Б.П., Мельников A.C., Просихин В.П., Юргенсом C.B., Яковлев В.Н. Измерение радиационных времен жизни и коэффициентов скорости тушения уровней молекулы Нг й3Пц,у,М. // Опт. и Спектр. 1990. Т.68. С.285-287.

5. Лавров Б.П., Мельников A.C. Профамма дня полуэмпирического определения потенциальных кривых оптимизационным методом // Рук. Деп. п ВИНИТИ 12 марта 1991г. N1034-B91. 45с.

6. Лавров Б.П., Мельников A.C. Наблюдение эффектов перезарядки по допплеровским контурам Бальмеровских линий в H2+Ne,Ar,Kr разрядах с полым катодом //Опт. и Спектр. 1993. Т.75. В.6. С.1152-1163.

7. Лавров Б.П., Мельников A.C. Спектроскопическое определение сечений возбуждения атомов водорода при столкновениях с Ar,Кг, и Н2. // VI Всероссийская конф. Атомные данные для астрофизики С.-Пыербург 1995. Тез. докл. С. 10.

8. Лавров Б.П., Мельников A.C. Спектроскопическое определение сильнонеравновесных спектров скоростей атомов водорода в H2+Ne, Ar,Кг разрядах с полым катодом // Опт. и Спектр. 1995. Т.79. В.6. С.922-928.

Подписано к истин 96 г. Заказ 037.

Тираж SO экз. Объем 1,0 и.л. Множ.лаб. НИИХСПбГУ. 198904, Саша-Петербург, Ci .Петергоф, Университетский пр.2.