Диссертация (1097947), страница 47

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

Текст из файла (страница 47)

На рис. 119 показаны фрагменты обзорных эмиссионных спектров,полученных из приэлектродных областей ТРПТ ( λ= 346 – 420 нм) и СВЧ разряда ( λ= 560 – 700нм). Здесь же, для сравнения, приведены спектры излучения из [1380, 1141, 1450, 1454, 1456].

Вокрестности полос, соответствующих переходам (7–4) и (6–3) N2  B3Πg  A3Σu+  такженаблюдается атомарная линия водорода серии Бальмера λ  Hα  = 656.28 нм (рис.119б).Интенсивность полос N2  B3Πg  A3Σu+  в приэлектродной области ТРПТ намного меньше, чеминтенсивностьN2 C3Πu  B3ΠgполосN+2 B2 Σ u+  X 2Σg+ .иРезультатыопределенияспектрального состава излучения исследуемых разрядов согласуются с данными [133, 141,1374, 1380, 1381, 1193, 1434, 1435, 1436, 1439, 1441, 1442, 1443, 1447, 1450, 1138,1454]. Отличиеспектрального состава излучения СВЧ разряда от ТРПТ в смеси N2 -H2 состоит в том, что вСВЧ разряде наблюдается также и переход (0–0) NH  A3Π1  X3Σ-  [1380, 1381, 1435, 1450,1138].ПоведениеN2 B3Πg  A3 Σu+интенсивностейполосN+2 B2 Σ+u  X2 Σg+ ,N2 C3Πu  B3Πgив зависимости от компонентного состава смеси N2 -H2 в приэлектроднойобласти СВЧ разряда, в ПС и приэлектродной области ТРПТ различается.Нарис.120и121приведенызависимостиотP H2интенсивностейполосN+2 B2 Σ+u  X2 Σg+ , N2 C3Πu  B3Πg и N2 B3Πg  A3Σ u+ в ТРПТ в смеси N2 -H2 .В ПС ТРПТ небольшая добавка водорода приводит к заметному увеличениюинтенсивностейполосN2 C3Πu  B3ΠgпоотношениюкинтенсивностямполосN+2 B2 Σ+u  X2 Σg+ .

Это, возможно, обусловлено увеличением напряженности электрическогополя вследствие изменения механизма ионизации в ПС [1193], а также ФРЭЭ и ионногокомпонентного состава [133, 141, 1374]. С изменениемP H2в диапазоне 5.0–13.0%интенсивность полос N2  C3Πu  B3Πg  изменяется незначительно, а интенсивность полосN2 B3Πg  A3Σu+заметно уменьшается (рис. 120). Подобное поведение интенсивностейсогласуется с результатами [133, 141, 1374, 1439, 1441]. Уменьшение интенсивности полосN2  B3 Πg  A3Σ u+  , по - видимому, обусловлено дезактивацией излучающих верхних состояний246B3 Πg ,vB в результате столкновений N2  B3 Πg ,vB  с молекулами водорода [1457].

Поскольку вбалансе концентраций N2  B3Πg ,vB  важную роль играют кинетические процессы с участиеммолекул азота в состояниях A3Σ +u и X1Σ g+ [133, 141, 206, 1374, 1446], то наблюдаемое вэксперименте уменьшение интенсивности полос N2  B3Πg  A3Σu+  также может являтьсяследствием изменения концентраций N2  A3Σ u+ ,vA  и N2  X1Σg+ ,v  в результате их столкновенийс NH3 , N 2 H 4 и NH , NH 2 , N 2 H 2 , N 2 H3 - радикалами [133, 141, 693, 700, 701, 1374, 1458, 1459,1460, 1461], с атомами водорода [1460, 1462, 1463].

Кроме того, также необходимо учитывать,что уменьшение концентраций N2  X1Σ u+ ,v  может происходить посредством процессовVT- релаксации N 2  X1Σ u+ ,v  на молекулах [1193] и атомах [1446] водорода.Рис.122.Зависимостьинтенсивностей полос N+2  B2 Σ+u  X2 Σg+ (кривая 1) и N2  C3Πu  B3Πg  (кривые 2и 3) от процентного содержания водородав смесиH2 -N2в СВЧ разряде придавлении 4 Тор и подводимой мощности100 Вт: 1 - (0–0) N+2  B2 Σ+u  X2 Σg+  ; 2 - (1–3) и 3 - (0–2) N2  C3Πu  B3Πg  .С увеличением P Hслабое изменение интенсивности полос N2  C3Πu  B3Πg  и2напряженности приведенного электрического поля [1451] при постоянной концентрацииэлектронов в ПС свидетельствуют в пользу того, что роль процессов [669],N2 C3Πu ,vC +H2 (X1+g )  продукты, (2.5.0)а также вторичных процессов в кинетике состояний C3Πu , vC (за исключением C3Πu , vC =2, см.ниже) не велика [133, 141, 1374] по сравнению с процессами (10.0 и 19.0, таблица 3, параграф1.4, глава 1).

Поведение интенсивностей полос N2  C3Πu  B3Πg  и N+2  B2 Σu+  X 2Σg+  вприэлектродной области ТРПТ (рис. 121) и СВЧ разряда (рис. 122) совпадает с полученным в[1442] в ИТР. В приэлектродной области ТРПТ интенсивности полос N2  C3Πu  B3Πg  иN+2 B2 Σ+u  X2 Σ+gувеличиваются с повышением P H в смеси N2 -H2 . Относительно слабые2247интенсивности полос N2  B3Πg  A3Σu+  почти не изменяются. При этом, предполагается, чтоэмиссионные спектры, регистрируемые из приэлектродной области ТРПТ, как и в [1442],излучаются преимущественно из области отрицательного свечения. В приэлектродной областиСВЧ разряда интенсивности полос N+2  B2 Σ+u  X2 Σg+  и N2  C3Πu  B3Πg  с увеличением P H2изменяются немонотонно: при малых концентрациях водорода ( PH  6%, P N  94%) они22испытывают рост, а при более высоких ( P H =6 – 14%, P N =94 – 86%) уменьшаются.

Как и в ПС22ТРПТ, в приэлектродной области СВЧ разряда интенсивность полос N2  B3Πg  A3Σu+ монотонно уменьшается с ростом процентного содержания P H в смеси N2 -H2 . При этом,2предполагается, что основной вклад в наблюдаемые интенсивности излучения даёт яркаятонкая приэлектродная пленка СВЧ разряда. Объяснение зависимостей интенсивностей полосN+2 B2 Σ+u  X2 Σg+и N2  C3Πu  B3Πg  от P H , предложенное в [1442], основывается на2конкуренции процесса VV - обмена энергией между молекулами N 2 и H 2N2 X1Σg+ ,v +H2 X1Σg+ ,v  N2 X1Σg+ ,v +H 2 X1Σ g+ ,v , (2.5.1)процессов (88.0, 90.0, 120.0, 136.10, 146.0–146.3, табл. 3, параграф 1.3, глава 1), процессаN2 X1Σg+ ,v +H2 X1Σg+ ,v  N2 X1Σg+ ,v +H 2 X1Σ g+ ,v , (2.5.2)а также процесса [133, 141, 1374, 1381, 1431, 1432] иN2 +H2 X1Σg+  N2 H +H . (2.5.3)Рис.123.

Рассчитанный (сплошная линия) и измеренные (точки 1–4) спектрыN2 C3Πu  B3Πg в СВЧ разряде при полном давлении 4 Тор и подводимой СВЧ мощности 100Вт: 1 - P N =99.2%, P H =0.8%; 2 - P N =90.9%, P H =9.1%; 3 - P N =88.2%, P H =11.8%; 4 2P N2 =85.7%, P H2 =14.3%.22222248Рис.124. Экспериментальный спектр (точки) и рассчитанные спектры в СВЧ разряде (1 суммарный спектр, 2 - парциальный спектр N2 (B2u  X2g ) при Trot  B2 Σ +u  =760 К, 3 парциальный спектр N2 (C3u  B3 g ) Trot  C3 Πu  =800 К) при p= 4 Тор и подводимой СВЧмощности 100 Вт, P N =85.7%, P H =14.3%.22Рис.125.

Измеренный (сплошная линия - 1) и расчетный (пунктирная линия - 2) спектрыизлучения N2  B3Πg  A3Σ+u  в диапазоне длин волн λ =565–695 нм в ПС РПТ при p= 4.0 Тор исиле тока 70 мА, PH = 12.7% и P N = 87.3%, Trot  B3 Πg  = 720  100 К.22249Рис.126. Рассчитанный (сплошная линия) и измеренные (точки 1–5) спектрыN2 C3Πu  B3Πgв приэлектродной области ТРПТ при полном давлении 4 Тор и силе тока 70мА: 1 - P N =100%; 2 - P N =94.6%, P H =5.4%; 3 - P N =92.1%, P H =7.9%; 4 - P N =89.6%,222222P H2 =10.4%; 5 - P N2 =87.3%, P H2 =12.7%.Следует отметить, что имеющиеся в литературе экспериментальные данные окомпонентном составе и степени колебательного возбуждения молекул азота и водорода [133,141, 657] свидетельствуют о том, что кинетика C3Π u состояния молекулы и B2 Σ +u состоянияиона азота в приэлектродной области ТРПТ и СВЧ разряда может быть более сложной, чемпредложенная в [1442].Рис.127.

Экспериментальный спектр (точки) и рассчитанные спектры (1 – суммарныйспектр, 2 – парциальный спектр N2 (B2u  X2g ) при Trot  B2 Σ +u  =720 К, 3 – парциальныйспектр N2 (C3u  B3 g ) Trot  C3 Πu  =720 К) в приэлектродной области ТРПТ при p= 4 Тор исиле тока 70 мА, P N =83.4%, P H =16.6%.22250РассчитанныеN2 B3Πg  A3 Σu+спектрыизлученияN+2 B2 Σ+u  X2 Σg+ ,N2 C3Πu  B3Πgив предположении больцмановского распределения молекул азота повращательным уровням в излучающих состояниях удовлетворительно описывают измеренныеспектры испускания разрядов (рис.123–127). В приэлектродной области СВЧ разрядаисключение составляют переходыN2 C3Πu  B3Πg , у которых верхним излучающимсостоянием является состояние C3Πu ,vC =2 (рис.

123 и 124). Функция распределения молекулазота по ЭКВ уровням данного состояния заметно отклоняется от распределения Больцмана. Тообстоятельство, что наблюдаемое в спектре возмущение чередования интенсивностей неявляется результатом спектрального переналожения полос и линий, следует из того, что ононаблюдается для всех полос N2  C3Πu  B3Πg  с верхним излучающим состоянием C3Πu ,vC =2.Возмущение чередования интенсивностей наблюдается в чистом азоте, в смесях азота сводородом ( PH = 0.2–14.3%, PH = 99.8–85.7%) и обусловлено, по - видимому, кинетикой22возбуждения и девозбуждения состояния C3Πu ,vC =2 молекулы азота в приэлектродной областиСВЧ разряда.

В приэлектродной области СВЧ разряда, ПС и приэлектродной области ТРПТ вазоте и смесиN2 -H2вращательные температурыTrot B2 Σ +u ,Trot C3Π uиTrot B3Π g(погрешность определения ~ 25%) совпадают в пределах погрешности (рис.123–127). Они слабозависят от компонентного состава смеси N2 -H2 . Так, например, в приэлектродной области СВЧразряда в азоте Trot  C3Π u  составляет 900  200 К при p= 4.8 Тор и подводимой СВЧ мощностиPin = 100 Вт. При добавлении водорода её величина не изменяется в пределах погрешности исоставляет 1000  250 К (таблица 7). Отметим, что данный результат, касающийся слабойзависимости вращательной температуры Trot  C3Π u  от процентного содержания водорода P H2 ,согласуется с данными [1439] при PH2  0.5%.

Согласно данным из [302], измеренные временажизни τ rad  est  молекулы азота в состояниях est = C3Π u , B3Π g и иона молекулы азота всостоянии est = B2 Σ u+ имеют большой разброс и лежат в диапазонах 35–50 нс, 3300  10000 нс и40  80нс, соответственно. Средние значенияτ rad  C3Π u  ,τ rad  B3Πg иτ rad  B2 Σ u+  ,определенные на основе теории погрешностей с использованием этих данных, составляют 40нс, 6.6×103 нс и 60 нс, соответственно. Оценка значения времени пребывания тяжелых частицt p в активной зоне обоих разрядов показывает, что оно заметно превышает времена жизниданных состояний t p >> τ rad  C3Πu  , τ rad  B3Πg  и τ rad  B2 Σ u+  .

Предполагая, что основными251компонентами плазмообразующего газа являются молекулы H 2 и N 2 [1419, 1422, 1453], времярелаксации τ R молекулы и иона молекулы азота в возбужденных состояниях est = C3Π u , B3Π g иB2 Σ u+ , рассчитанное в приближении модели твердых сфер (с использованием различныхаппроксимаций зависимости сечения столкновений N 2 с H 2 от поступательной температуры) ис использованием потенциалов Леннарда-Джонса и Борна-Майера для взаимодействия междуH 2 и N 2 [189] составляют, приблизительно, 40–60 нс, 58 нс и 60 нс, соответственно ( Tg =900 К,PH2 = 10%, P N2 = 90%). С увеличением процентного содержания водорода ( Tg =900 К, PH2 = 65%,P N2 = 35%) они уменьшаются и равняются 25–40 нс, 38 нс и 40 нс.

Таким образом, справедливосоотношениеτ R ≤ τ rad  B2 Σ u+  << τ rad  B3Πg  . (2.5.4)ИсключениесоставляетсостояниеC3Π u .Соотношение(2.5.4)итождествоTrot B2 Σ +u = Trot C3Π u = Trot B3Πg , а также описание распределений заселенностей молекулазота по вращательным уровням в состояниях B2 Σ +u , C3 Π u (за исключением состоянияC3Πu ,vC =2) и B3 Π g формулой Больцмана свидетельствуют в пользу того, что Trot B2 Σ +u ,Trot C3Πu и T  B Π  совпадают с поступательными температурами в обоих разрядах в смеси3rotgN2 -H2 .Рис.128.Распределениемолекулазота по колебательным уровням v C всостоянии C3 Π u ПС ТРПТ при p=4.0 Тор,силе тока 70 мА: 1 - азот, Tv  C3 Πu  =4240 К,2-смесьH 2 -N 2 ,Tv  C3 Π u  =3530К,PH2 = 5.4–12.7% и P N2 = 94.6–87.3%.Рис.129.

Рассчитанная по формулеБольцмана (сплошная линия) и измеренные(точки 1-5) ФРКУ в состоянииC3 Π uмолекулы азота в приэлектродной областиТРПТ при полном давлении 4 Тор и силетока 70 мА: 1 - P N =100%; 2 – P N =94.6%,22P H2 =5.4%; 3 - P N2 =92.1%, P H2 =7.9%; 4 P N2 =89.6%, P H2 =10.4%; 5 - P N2 =87.3%,P H2 =12.7%.252Рис.130. Рассчитанная по формулеБольцмана(сплошнаялиния)иизмеренные (точки 1-5) ФРКУ в состоянииC3 Π u молекулы азота в приэлектроднойобласти СВЧ разряда при полном давлении4 Тор и подводимой мощности 100 Вт: 1 P N2 =100%; 2 - P N2 =99.2%, P H2 =0.8%; 3 P N2 =90.9%,P H2 =9.1%; 4 -P N2 =88.2%,P H2 =11.8%; 5 - P N2 =85.7%, P H2 =14.3%.На рис.128–130 приведены полученные ФРКУ молекулы азота в состоянии C3Π u .

Характеристики

Список файлов диссертации