Диссертация (1097947), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Измерения значений Tg и заселенностейколебательных уровней молекул азота проводились на двух стадиях горения разряда. На первойстадии в интервале времени от 3 мс до 15–20 мс проводились измерения Tg методом оптическойинтерферометрии (см. следующий параграф 1.2 диссертации). Эта стадия соответствоваларежиму горения разряда, при котором происходило формирование его основных параметровпри постоянном давлении: силы тока; поступательной температуры Tg; ФРВУ и ФРКУмолекулы азота в основном состоянии. Инициирование разряда осуществлялось ступенчатымувеличением напряжения на электродах кюветы высоковольтным стабилизированнымисточникомпитания. Синхронносподжигомразрядавразрядномпромежуткесиспользованием омических делителей на осциллографе измерялись падение напряжения иувеличение тока в зависимости от времени.

На промежутках времени tp > 20–25 мс, прикоторыхнизкочастотныевибрацииустановкиувеличивалипогрешностьинтерферометрических измерений, для определения поступательной температуры Tg, ФРВУ иФРКУ молекулы азота в основном состоянии X 1 g использовался метод спектроскопии КАРСсо сканирующим способом записи спектров. Дополнительно исследовались распределения Tg,плотности газа N и Ne по сечению кюветы методами ОИ и ЭС. Данная стадия соответствоваластационарному режиму газового разряда. Разряд создавался в кварцевой кювете.

Она имелаводяное охлаждение, что позволяло в процессе измерений поддерживать температуру стенкиTW равной 300 К. Внутренний радиус трубки R равнялся 1.8 см. Газовакуумная системапозволяла откачивать газоразрядную кювету до давлений ~10-4 Тор. Она позволялаосуществлять в кювете проток технического азота, предварительно очищенного в азотныхловушках.43Рис.20.

Фотографии тлеющего разряда в азоте при силе тока 50 мА: (а) - 3.5 Тор; (б) - 5Тор; (в) - 7 Тор; (г) - 10 Тор; (д) - 12 Тор.Рис.21. Фотографии ТРПТ в поперечном сечении при объемном расходе азота 6 л/ч: (a) 15 Тор, (б) - 20 Тор, (в) - 25 Тор, сила тока 60 мА.Рис.22. Фотография ТРПТ в азоте при силе тока 60 мА при давлении 4 Тор. Объемныйрасход газа 2.53 л/ч.44Аргон использовался, чтобы зарегистрировать нерезонансный сигнал КАРС с цельюнормализации полезного сигнала КАРС, получаемого из ПС разряда. Рабочее давление газа от 3до 30 Тор в разрядной кювете измерялось деформационным газоразрядным вакуумметромВДГ–1, образцовым вакуумметром (класс точности 0.25, модель 1227) и U-образным маслянымвакуумметром. Погрешность измерения давления в кювете составляла 10%.

Разрядподдерживается между кольцевыми титановыми электродами с помощью стабилизированноговысоковольтного источника питания SL1200 (Spellman) положительной полярности (0.01–10 кВи 0.1–120 мА). Рис.20–22 иллюстрируют фотографии распределения эмиссионного излученияазота в разрядах постоянного тока по длине и сечению разрядной кюветы. Измерения значенийдавления p и поступательной температуры Tg, а также напряжения на электродах, позволилиопределитьзначенияэлектрического поляудельнойEмощностиPabs ,поглощеннойНТП,напряженности(приведенную напряженность электрического поляE/N) иконцентрацию электронов N e . Значения Pabs и E в ПС ТРПТ определялись с учетом падениянапряжения ( Vd ≈ 215 В) в катодном слое с использованием соотношений [10,29,31,44,58,64,89]:Pabs I  V  Vd , (1.1.8)  R2  LEV  Vd.

(1.1.9)LЗдесь величина I является силой разрядного тока, а L обозначает длину ПС. Концентрациямолекул N  r  0  на оси разряда r  0 определялась с учетом падения плотности в результатенагрева газа.Рис.23.Зависимостьприведенногоэлектрического поля E/N от силы тока в ПСТПРТ: 1 - 20.2 Тор, 2 - 50.3 Тор и 3 - 80.3 Тор[590]; 4 -20 Тор, 5 - 25 Тор и 6 - 15 Тор - даннаяработа.В ПС ТРПТ значения E / N изменялись в диапазоне от 80 до 40 Тд, давлениеварьировалось от 3 до 30 Тор. С увеличением силы тока от 30 мА до 80 мА значения E / N вПС ТРПТ при давлениях 20 и 25 Тор монотонно увеличиваются от 40±5 и 45±5 Тд,соответственно, до 55±6 Тд (рис.23).

Напротив, при p =15 Тор значение E / Nслабоуменьшается с ростом силы тока от 60±7 Тд до 50±6 Тд. Значения Tg и E / N используются дляопределения Pabs и пространственного распределения концентрации электронов по сечению45разрядной трубки посредством сочетания методов численного моделирования ФРЭЭ и еёмоментов с методами ЭС, подробно, изложенных в [590]. Стационарные значенияконцентрации электронов на оси разрядной трубки N e  r  0 лежат в диапазоне 109–1010 см-3при изменении давления от 3.5 тор до 30 тор. Измеренные значения концентрации электроновпри p = 20 Тор хорошо согласуются с данными работы [590].Рис.24. Относительные распределенияпоступательной температуры Tg/Tw (кривые 13), концентрации электронов Ne/Ne0 (кривая 4) иплотности газа N/N0 (кривая 5) по радиусукюветы в контрагированном тлеющем разрядепри токе 40 мА и давлении 20 Тор.

Нижнийиндекс 0 относится к значению концентрацииэлектронов на оси кюветы. N0 - концентрацияпри давлении 20.0 Тор и температуре 300 К.Tw= 300 К.Рис.25. Схема установкидля исследования нагрева газа иФРКУмолекулыосновномазотасостояниив1 gметодом спектроскопии КАРС вТРПТ в азотеПри средних давлениях, распределение концентрации электронов N e  r  по радиусуразрядной трубки r приведено на рис. 24.

При низких давлениях, при р=7 Тор концентрацияэлектронов была меньше и равнялась  109 см-3. В этом случае ее распределение по сечениютрубки хорошо аппроксимируется функцией Бесселя [40,44]. Удельная поглощенная мощность-3Pabs изменялась в диапазоне от 0.3 до 0.5 Вт  см .Схема установки для исследования нагрева газа и ФРКУ молекулы азота в основномсостоянии 1 g методом спектроскопии КАРС в ТРПТ в азоте приведена на рис. 25. Излучениевторой гармоники Nd+3:YAG лазера на частоте, соответствующей волновому числу 1= 1879746см-1 (до 50 мДж в импульсе, при длительности импульсов 25 нс и частоте повторения 10 Гц)совместно с излучением перестраиваемого узкополосного лазера на красителе (до 1 мДж вимпульсе на частоте 2= 16475 см-1) фокусировалось вдоль оси ПС разряда линзой с фокуснымрасстоянием 50 см (рис.

25). При измерении заселенностей колебательных уровней при низкихдавленияхp=3.5Торприменяласьколлинеарнаясхемавзаимодействияпучков,обеспечивающая пространственное разрешение 250 мкм  250 мкм  4 см. Чтобы повыситьпространственное разрешение при измерениях вращательной температуры при среднихдавлениях p= 11–20 Тор, также использовалась схема острой фокусировки пучков в плоскости(Planar BOXCARS). Эта схема позволяла достигнуть пространственного разрешения 250  250 500 мкм. Выделение полезного сигнала на антистоксовой частоте as из фонового излучениялазеров и разряда осуществлялось монохроматором с вогнутой дифракционной решеткой.Регистрация полезного сигнала КАРС проводилась в режиме накопления импульсов с помощьюоптического спектрального многоканального анализатора (ОSМА).Рис.26.

Спектр КАРС, соответствующий Q-ветви перехода v=0 – v=1 молекулы азота восновном состоянии, полученный при давлении 10 Тор и поступательной температуре 300 K.Рис.27. Спектр КАРС, соответствующий Q–ветви перехода v=1 – v=2 молекулы азота восновном электронном состоянии, полученный из тлеющего разряда постоянного тока придавлении 6 Тор и токе 50 мА.47Рис.28.СпектрсоответствующийQ–ветвиКАРС,переходаv=1 – v=2 молекулы азота в основномэлектронном состоянии, полученный изтлеющего разряда при давлении 30 Тор,Trot X 1g =1300±100 K и токе 30 мА.Обработка спектров, записанных с использованием сканирующего способа, основана натом, что спектральная ширина линий в Q- ветви молекулы азота является малой по сравнению срасстоянием между ними и не зависит от вращательного числа J.

Для каждой спектральнойлинии Q - ветви, развитые в диссертации, компьютерные коды выполняют интерполяцию еёпрофиля и вычисляют площадь линии, вычитается фон, учитываются переналоженияобрабатываемойлинииссоседнимилиниями.ЭкспериментальныеспектрыКАРСсглаживаются и нормализуются на нерезонансный спектр КАРС, записанный в аргоне, иусредняются по лазерным вспышкам.Рис.26–28 иллюстрируют распределение интенсивности в спектре КАРС молекулыазота, записанные сканирующим способом.

Отношение квадратного корня из интенсивностилинии на силу линии для каждого перехода Q - ветви пропорционально заселенностямвращательных уровней при невысоких значениях вращательной температуры. Оно определяетфункцию распределения по вращательным уровням энергии. Для определения вращательнойтемпературы Trot  X 1g в экспериментах использовался колебательно - вращательныйкомбинационный спектр Q - ветви колебательного перехода v =1  v = 2 (Q12).Рис.29.Функцияраспределениямолекулазотаповращательнымвосстановленная из обработки спектра КАРС, представленного на рис. 28.уровням,48Рис.30.

Спектр КАРС, соответствующий ветви Q - ветви перехода v=1  v=2 молекулыазота в основном электронном состоянии, полученный в тлеющем разряда при давлении 9.5Тор, Trot  X 1g  = 600 K, Tv  X 1g  =4270 K и токе 50 мА. В верхнем правом углу приведеносопоставление результатов измерений с расчетом ФРКУ молекулы азота по распределениямБольцмана и Тринора (пунктирная и сплошная линии), выполненных в диссертации, приизмеренных значениях поступательной и колебательной температуры первого уровня.ФРВУ молекулы азота в основном состоянии приведена на рис.29.

Полученные ФРВУмолекулы азота в основном состоянии в исследуемом диапазоне давлений при разрядном токе2050 мА совпадали с распределением Больцмана. Вращательная температура Trot  X 1g определяется по углу наклона прямой:ln  N J g J   Const  J   J  1 Be  h  c, (1.1.11)kb  Trot  X 1g построенной с использованием метода наименьших квадратов. В тлеющем и контрагированномразрядах постоянного тока поступательная температура TgTrot X 1g .Для определения заселенностейколебательныхсовпадает с вращательнойуровнейрегистрировалосьраспределение интенсивности в спектре Q - ветви колебательно - вращательных переходов от v= 0  v = 1 (Q01) до v =4  v = 5 (Q45). ФРКУ молекулы азота в основном состоянииопределялись по спектрам КАРС методом, предложенным в [532,535–537].

Характеристики

Список файлов диссертации