Диссертация (1097947), страница 33

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

Текст из файла (страница 33)

(2.1.33)234Здесь v квантовое колебательное число, которое принимает значения v и v . Величины e , ee ,  ee - спектральные константы, которые характеризуют верхнее и нижнее электронныесостояния.СовокупностьЭКВлинийобусловленапереходамимеждуразличнымивращательными уровнями J  и J  при фиксированных колебательных состояниях v  и v  .Значение  vv в выражении (2.1.30) для величины  J J  является постоянным. В НТПраспределения энергии по степеням свободы частиц газа является неравновесным ираспределения частиц по уровням могут заметно отличаться от распределения МаксвеллаБольцмана. При моделировании атомарных и молекулярных спектров испускания значения N mи N est v используются в многопараметрической подгонке, как искомые параметры.

При расчетенеразрешеннойвращательнойструктурыполосHe2 d 3u  b3 g ,CN B 2  X 2 , N2 B3 g  A3u , N2 C 3u  B3 gHe2 D1u  B1 g ,и N2  B 2u  X 2g  заселенностиN J vest аппроксимируются больцмановским распределением [281, 286, 290, 295, 302, 307, 308,317–319, 328–330, 381]:N J vest  N vest h  c  F  J , v  g rot  exp kb  Trot  est   , (2.1.34)vQrot166в котором величина Trot  est  также играет роль подгоночного параметра. Здесь g rot - кратностьvвырождения уровня.

Величина Qrot- статистическая сумма, рассчитываемая по формуле [281,286, 290, 295, 302, 307, 308, 317–319, 328–330, 381]: h  c  F  J , v  vQrot  g rot  exp  . (2.1.35) kb  Trot  est  В отличие от доложенных в литературе моделей расчета спектров испускания, созданные вдиссертации вычислительные коды, допускают определение набора значений Trot  est  ,соответствующих различным вращательным термам F  J , v  и группам квантовых чисел J  .Чтобы ускорить процесс обработки экспериментальных данных создается массивданных: спектры предварительно рассчитываются для различных значений Trot  est  и Tg .Рассчитанные и, предварительно, обработанные экспериментальные спектры приводятся вединый формат, удобный для сравнения.Методом неразрешенной вращательной структуры определяется ряд значений Trot  est  ,характеризующих ФРВУ, которые соответствуют полосам различных секвенций исследуемыхмолекул.

Значения Trot  est  определяются из сравнения контуров экспериментального ирасчетного спектров вращательной структуры. Если значения Trot  est  , соответствующихразличным полосам совпадают в пределах стандартного отклонения, то вводится величинавращательной температуры Trot  est  и проводится анализ условий (1-6, введение данной главы),при которых возможно по найденным значениям Trot  est  определить поступательнуютемпературу Tg [73, 307, 308, 317, 318, 330–332, 334]. При анализе условий отождествлениявращательной Trot  est  и поступательной Tg температуры, время жизни  estчастиц вэлектронно-возбужденном состоянии est в НТП определяется следующим образом.

Еслидевозбуждение частицы происходит только в результате самопроизвольного радиационногораспада, то  est для электрического дипольного перехода est  est определяется на основесоотношения:1 est   Aest ,vest ,v  N est v / Nest  . (2.1.36) v,vЗдесь Aest ,vest ,v обозначает излучательную вероятность перехода est , v  est , v . Величины N est vявляются заселенностями по колебательным уровням v состояния est . При обработке167экспериментальных данных создается массив данных: спектры предварительно рассчитываютсядля различных значений заселенностей N m и N est v .

Расчет спектров проводится припостоянных значениях предварительно найденных Trot  est  и Tg .Методомчастичноразрешеннойколебательнойструктурыиспользуетсядлявосстановления ФРКУ v в возбужденных состояниях est . Она определяется из сопоставленияамплитуды и контура электронно - колебательных полос различных секвенций исследуемыхмолекул. Программный модуль также допускает применение уровневой полуэмпирическойСИМ азотной НТП для восстановления заселенностей по колебательным уровням молекулы ииона молекулы азота.

В ПС ТРПТ, в ВЧ и в резонаторном СВЧ разряде в азоте, в смесях азота сгелием и молекулярным водородом исследовались распределения абсолютных и относительныхзначений заселенностей по колебательным уровням электронно - возбужденных состоянийC 3 u , B3 g молекулы азота и по ЭКВ уровням состояния B 2u иона молекулы азота. ВэлектродномСВЧразрядеметодомабсолютныхиотносительныхинтенсивностейраспределение заселенностей восстанавливалось из измеренных интегральных интенсивностейпо оси наблюдения, а также обращенных методом Абеля.

Это позволило восстановитьпространственные распределения абсолютных и относительных заселенностей колебательныхуровней vC =0–4, vBi =0–2 и vB =3–11 состояний C 3 u , B 2u и B3 g , соответственно. Дляисследования функции распределения по квантовым уровням u ( vC =0–4, vBi =0–2, vB =3–11)молекулы азота строилась зависимостьln  Nu / Num   f  E  u   . (2.1.37)Здесь Num - заселенности молекулы или иона молекулы азота с самым низким квантовымуровнем, которые определяются из спектров испускания НТП. Величина E  u  обозначаетэнергию квантового уровня u .

В случае линейной зависимости ln  Nu / Num  от величины E  u распределение является больцмановским. Тогда можно ввести понятие температурывозбуждения. Её значение определяется по углу наклона прямой, построенной методомнаименьших квадратов для измеренной зависимости ln  Nu / Num  от величины E  u  . Этотслучай, например, соответствует колебательным распределениям молекулы азота в состоянииC 3 u , измеренным в ПС ТРПТ (для колебательных уровней vC =0–3) и приэлектродной областиСВЧ разряда (для vC =0–4) в азоте.В диссертации, понятие температуры возбуждения Tv  est  применяется также дляусловий, когда ФРКУ молекулы в возбужденном состоянии отличается от распределения168Больцмана. Температура возбуждения характеризует либо отдельные участки функциираспределения по квантовым уровням молекулы, либо отдельные пары уровней [330,334].Рис.60.Иллюстрацияраспределенияизмеренияинтегральныхпоосинаблюдения интенсивностей излучения иопределениявеличиныспектральнойяркости плазмы электродного СВЧ (ЭСВЧ)разряда методом обращения Абеля.Так, например, в ПС ТРПТ и приэлектродной области СВЧ разряда в азоте, в смесяхазота с гелием и молекулярным водородом для возбужденного состояния B3 g молекулы азотаколебательная температура возбуждения TvB  B3 g  вводится для группы колебательныхуровней vB = 5–11 или 7–11.

В ПС ТРПТ в смеси азота с гелием ФРКУ молекулы азота дляуровней vC  0 –4 не описывается формулой Больцмана. Однако для группы уровней vC  0 , 2 и4 распределение заселенностей молекул азота подчиняется распределению Больцмана. Дляхарактеристики данного распределения можно ввести колебательную температуру TvC  C 3u  ,соответствующую уровням vC  0 , 2 и 4.При пространственной неоднородности газового разряда, вычислительные кодыпрограммного модуля допускают применения метода преобразования Абеля для обработкиспектров испускания. Рис. 60 иллюстрирует применение метода обращения Абеля дляопределения распределения объемных источников излучения в исследованиях электродногоСВЧ разряда. Применение данного метода является справедливым, если выполняютсяследующие условия: сигнал из элементарного пробного объема плазмы не искажаетсявследствие реабсорбции излучения; распределение параметров плазмы является радиально симметричным. Данные условия выполняются в электродном СВЧ разряде.

Параметры плазмыэлектродного СВЧ разряда симметрично распределены относительно оси z . Ось симметрии zсовпадает с осью электрода разрядной камеры. Изображение пробного объема разряда спомощью кварцевого объектива строилось в плоскости в масштабе 1:1, в которой располагаласьвходная апертура оптического световолокна. Регистрация распределения интенсивностей вспектрах электродного СВЧ разряда, интегральных по оси наблюдения, проводилась в сечении,расположенном на расстояниях 1 и 3 мм от электрода - антенны, что соответствует положению169яркой тонкой приэлектродной пленки и шаровой структуры, соответственно, электродного СВЧразряда.

На рис. 60 данные сечения разряда обозначены плоскостью xy. Световолокнопомещалось на оптический двухкоординатный столик, который обеспечивал его смещениевдоль оси z и в направлении оси y. Величина y есть расстояние, отсчитываемое от оси электродадо внешней границы исследуемого сечения электродного СВЧ разряда. Искомое радиальноераспределение N r  Ammn h  mnопределялосьпоизмеренномураспределениюm,nинтегральных по оси наблюдения интенсивностейI P y, rad  , скорректированных наинтенсивность излучения эталонного источника, с помощью соотношения1 Nm  r   Amn  h  mn   m,n I y, rad d  PL Brad rad  , yy r dy  I L y, radRp  d sp / Ddis  dy , (2.1.38)22 y r которое представляет собой обращение Абеля [321, 662]. Здесь величина RP является размеромэлектродного СВЧ разряда в плоскости xy .

Абсолютные измерения интенсивности излученияэлектродного СВЧ разряда были выполнены с помощью метода сравнения. Отношениеабсолютного значения интенсивности излучения, испускаемого возбужденными частицамиНТПэлектродногоСВЧразрядаирегистрируемоесоответствующей величине вольфрамовой лампывэкспериментеI P  rad  , yкI L  rad  , y , рассчитывалось согласновыражению:I   2, yI P  rad  , yLradRpN m  r   r  drm,n yLradBr 2  y2 Amn  h  mn rad  , y   d sp / Ddis . (2.1.39)В экспериментах с электродным СВЧ разрядом, используя соотношение (2.1.39), быливосстановленырадиальныераспределенияабсолютныхзначенийзаселенностей:наколебательном уровне vBi  0 в возбужденном состоянии B 2u иона молекулы азота; наколебательных уровнях vC =0–4 в возбужденном состоянии C 3 u молекулы азота.2.2. Эмиссионная спектроскопия разрядов постоянного тока, СВЧ и ВЧ разрядов в азотеДанный параграф диссертации посвящен развитию методов ЭС для исследованийпространственно-неоднородных разрядов постоянного тока, СВЧ и ВЧ разрядов в азоте:170определенапоступательнаятемпература;выполненыисследованияпространственнойструктуры электродного СВЧ разряда, ФРВУ и ФРКУ молекулы азота и иона молекулы азота восновном и возбужденных состояниях.Рис.61.

Схема экспериментальной установки для исследования ФРКУ молекулы азота пов электронно - возбужденном состоянии C 3 u методом ЭС в безэлектродном ВЧ разрядеиндуктивно-емкостного типа в азоте.Рис.62.Схемаэкспериментальнойустановкидляисследованияраспределенияконцентрации электронов по сечению разрядной кюветы и ФРКУ молекулы азота в электронно- возбужденном состоянии C 3 u методами ЭС в разрядах постоянного тока в азоте.171Рис.63.Схемаэкспериментальнойустановкидляспектральныхисследованийустановкидляспектральныхисследованийбезэлектродного СВЧ разряда в азотеРис.64.Схемаэкспериментальнойэлектродного СВЧ разряда в азоте.Установки для исследований ВЧ разряда (рис.

61) [563, 578, 579, 628, 948, 1114, 1300–1304] и разрядов постоянного тока (рис. 62) [564–577, 1114, 1142–1148, 1150, 1151] методами172ЭС разработаны и созданы при непосредственном участии автора диссертации. Обработкаизмеренных спектров газовых разрядов также проведена автором диссертации.Установки для исследований резонаторного [1305] и электродного [1306] СВЧ разрядовразработаны и созданы коллегами из лаборатории «Плазмохимии и физико-химическихимпульсных процессов» Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН (г.Москва, Россия). Ими же выполнены исследования распределения интенсивностей в спектрахиспускания резонаторного СВЧ разряда (рис. 63) методами ЭС.

Характеристики

Список файлов диссертации