Диссертация (Тлеющий разряд в смеси паров воды с инертными газами как источник оптического излучения), страница 12

Следовательно, в импульсно-периодическом режиме разряда в смесипаров воды с аргоном падение напряжения в приэлектродных областях приисследованных параметрах импульсного питания разряда практически постоянново времени. Это связано, по всей видимости, с инерционностью нагреваэлектродов, что определяет постоянство эмиссии электронов. Данный результатпозволяет говорить также о слабом влиянии импульсно-периодического режимапитания разряда на режим работы электродов и, таким образом, на срок службыоксидных электродов.82Достигнутое значение эффективности положительного столба при 60оС искважности 2 примерно в 1.7 раза больше, чем эффективность разряда как целого,учитывающего приэлектродные потери мощности.

Это значение близко кэффективности положительного столба разряда постоянного тока, но, ксожалению, не выше. В результате можно сделать вывод о том, что, к сожалению,в исследованном диапазоне разрядных условий и параметров импульсноймодуляции не удалось получить заметного роста световой отдачи.1.81.6ot=20 C (Wac)ot=30 C (Wac)ot=30 C (W12ot=40 C (Wac)ot=40 C (W12)ot=60 C (Wac)ot=60 C (W12)1.4 rel.un.1.21.00.80.60.40.20.00.20.40.60.81.0pulse/TРис.

4.7. Относительная эффективность разряда как целого (эти данныеобозначены сплошной линией и отмечены как Wac) и эффективностьположительного столба (W12) (пунктир) импульсно-периодического разряда всмеси паров воды и аргона в зависимости от отношения pulse/T при разныхтемпературах стенок разрядной трубки. Частота повторения импульсов 5 КГц,давление аргона 1 Тор.Увеличение частоты повторения импульсов и изменение других условийсоздания разряда (увеличение давления аргона до 6 Тор) не меняют сделанныхранее выводов.

На Рис. 4.8 приведены результаты, аналогичные данным Рис. 4.7,83но полученные при частоте повторения импульсов 20 КГц. При низкойтемпературестенокуменьшениедлительностиимпульсовдаетростэффективности (разряд в практически чистом аргоне); с ростом температурыэффект пропадает. Более того, при 60оС эффективность разряда заметно падает сростом скважности, что может быть связано с более высоким давлением аргона всмеси и более сильным влиянием отрицательных ионов на проводимость плазмы.0,750,700,650,600,55, rel.un.0,500,45ot=20 Cot=30 Cot=40 Cot=50 Cot=60 C0,400,350,300,250,200,150,20,40,60,81,0puls/TРис.

4.8. Относительная эффективность импульсно-периодического разряда всмеси паров воды с аргоном при частоте повторения импульсов 20 КГц и давленииаргона 6 Тор в зависимости от температуры стенок. Данные нормированы наэффективность разряда постоянного тока при 60оС.Полученная эффективность разряда при давлении аргона 6 Тор меньше, чем та,что получена при давлении аргона 1 Тор. Это, однако, вполне соответствуетрезультатам работы [10, 11], где было получено уменьшение световой отдачи сростом давления аргона при оптимальном давлении аргона 0.5 - 1.0 Тор.84Измерение спектральных характеристик импульсно-периодического разрядаподтверждает сделанные ранее выводы. Следующие рисунки Рис. 4.9 - 4.11представляют спектры излучения плазмы импульсно-периодического разряда приразличных температурах стенок разряда в зависимости от скважности импульсов.При низкой температуре стенок (разряд в чистом аргоне) переход к импульснопериодическому режиму питания существенно не изменяет спектр излученияплазмы: излучение люминофора практически не изменяется, интенсивность линийаргона слегка уменьшается.

Полученная зависимость вполне объяснима: в разрядев чистом аргоне. При 10оС концентрация молекул воды пренебрежимо мала,концентрация метастабильных атомов аргона практически не зависит от величиныразрядного тока [51, 52], а возбуждение уровней аргона, с которых испускаютсярегистрируемые линии, происходит ступенчато из метастабильных уровнейаргона.Если период повторения импульсов много меньше характерного времениизменения концентрации электронов (это время близко к обратной частотеионизации ion–1 в импульсе тока и времени амбиполярной диффузии amb впослесвечении), концентрация электронов практически не изменяется во времени,и ее величина ne определяется скважностью импульсов (ne уменьшается сувеличением скважности T/pulse).

Поэтому спектры излучения плазмы взависимости от тока в двух режимах питания – разряд постоянного тока иимпульсно-периодический разряд,– практически одинаковые. Наблюдаемоеизлучение люминофора (достаточно слабое) связано с остатками паров воды,присутствующих в разряде.85Рис. 4.9. Сравнение спектров излучения разряда постоянного тока и импульснопериодического разряда. Температура стенок разрядной трубки 10оС, частотаповторения импульсов 20 КГц, давление аргона 2 Тор, ток в импульсе равен токуразряда постоянного тока (300 мА) (в прямоугольной рамке указана длительностьимпульса, stat – разряд постоянного тока).Спектр излучения плазмы при 20оС (см. Рис. 4.10), дает увеличение общейинтенсивности, но кардинально не меняет общей картины.86Рис. 4.10.Сравнение спектров излучения разряда постоянного тока и импульснопериодического разряда.

Температура стенок разрядной трубки 20оС, частотаповторения импульсов 20 КГц, давление аргона 2 Тор, ток в импульсе равен токуразряда постоянного тока (300 мА) (в прямоугольной рамке указана длительностьимпульса, stat – разряд постоянного тока).Увеличение температуры до 40оС существенно изменяет спектр излученияплазмы. На Рис.

4.11 приведен спектр излучения плазмы при температуре стенок40оС в зависимости от длительности импульсов тока разряда. Наблюдается сильнаязависимость интенсивности излучения от длительности импульса: уменьшениеинтенсивности излучения при уменьшении длительности импульсов.87Рис. 4.11. Сравнение спектров излучения разряда постоянного тока и импульснопериодического разряда. Температура стенок разрядной трубки 40оС, частотаповторения импульсов 20 КГц, давление аргона 2 Тор, ток в импульсе равен токуразряда постоянного тока (300 мА) (в прямоугольной рамке указана длительностьимпульса, stat – разряд постоянного тока).При этом уменьшение длительности импульсов приводит к уменьшению иизлучения люминофора, и интенсивности излучения спектральных линий аргона.Уменьшение интенсивности излучения плазмы, наблюдаемое при уменьшениидлительности импульсов, может быть связано с образованием отрицательныхионов.884.4.

О возможности получения инверсной заселенности возбужденныхсостояний молекулы гидроксила в исследуемой плазмеГазовый разряд с различными молекулярными добавками представляетбольшой интерес не только в связи с источниками оптического излучения(источниками света), но и в связи с другими возможными практическимиприменениями–газовымилазерами,плазмотронами,устройствамидляплазменных технологий и т.п. В основе практических приложений молекулярнойплазмы лежит богатство плазмохимических процессов, характерных для такойплазмы. Например, разрядная плазма в смеси инертных газов с парами воды, вкоторой одним из главных процессов, определяющих свойства плазмы, являетсятушение молекул воды возбужденными атомами аргона с образованием молекулгидроксила, перспективна для создания экологически безопасных источниковоптического излучения (света) [7-11].

Этот же процесс может быть причинойвозникновения инверсной заселенности возбужденных состояний молекулыгидроксила A2Σ+. Выяснение этой возможности и является целью данногопараграфа.Тлеющий разряд в смеси аргона с парами воды создавался в цилиндрическойкварцевой или стеклянной трубке диаметром 2.5 см. Давление аргона лежало вдиапазоне 70 - 1330 Па, давление паров воды – в диапазоне 1 - 20 Па. Давлениепаров воды изменялось нагревом стенок разрядной трубки, внутренняяповерхность которой была покрыта люминофором, насыщенным предварительномолекулами воды [10, 11]. Разрядный ток изменялся от 0.1 до 0.6 А. Измерялисьоптические, спектроскопические и электрические характеристики разряда.В работах [10, 11], как уже отмечалось, было показано, что основнымипроцессами рождения молекул гидроксила в плазме разряда в смеси аргона и паровводы в исследованных разрядных условиях являются два процесса:1) тушение возбужденных (в основном метастабильных) атомов аргонамолекулами воды Ar* + H2O→OH(A2Σ+) + H + Ar,2) электронное возбуждение молекул гидроксила, рожденных в первойреакции.89Данное заключение было сделано на основе анализа скоростей возможных реакцийрождениявозбужденныхмолекулгидроксилаитоковойзависимостиинтенсивности излучения полосы ОН 306.4 нм (см.

Рис. 1.10), при различныхдавлениях паров воды. Особенностью этой зависимости является линейный ростинтенсивности излучения полосы ОН 306.4 нм от тока при увеличении давленияпаров воды в разряде с ростом температуры стенок, что для данных разрядныхусловий эквивалентно линейной зависимости интенсивности УФ излучениямолекул ОН от концентрации электронов. Как уже отмечалось в гл.1 этот фактпозволил выбрать вышеприведенные реакции и отбросить другие, имеющиенелинейные зависимости от концентрации электронов.РождениемолекулгидроксилаввозбужденномсостоянииA2Σ+пристолкновениях молекул воды с возбужденными атомами аргона может привести квозникновению инверсии данного состояния по отношению к основномусостоянию X2П.

С ростом разрядного тока электронное возбуждение становитсяпревалирующим, что хорошо видно из Рис. 1.10: интенсивность полосы ОН 306.4нм при токе i > 0.2 А существенно превышает интенсивность при i → 0.Построенная модель данного разряда[10, 11]позволила определить отношениеконцентрации возбужденных молекул гидроксила N*OH к концентрации молекул восновном состоянии NOH.