Диссертация (1097947), страница 49
Текст из файла (страница 49)
В разрядах постоянного тока и в приэлектродной области СВЧразряда, возбуждаемого вблизи электрода-антенны, в азоте ФРКУ v B = 3–12 молекулы азота всостоянии B3 Πg отличается от больцмановской. Для уровней v B =5–12 она описываетсяформулойБольцмана.ЗначенияколебательнойтемпературывозбужденияTvB B3Πg ,соответствующей данным колебательным уровням, в разрядах постоянного тока составляет4900–5230 К и меньше, чем значение TvB B3Πg , измеренное в СВЧ разряде 7200±800 К. Вобоих разрядах, величина TvB B3Πg слабо зависит от давления (1–15 Тор).
В ТРПТ,резонаторном СВЧ разряде и приэлектродной области СВЧ разряда, возбуждаемого вблизиэлектрода-антенны, в азоте (при низких давлениях < 10 Тор) значения колебательнойтемпературы первого уровня Tv X 1g , соответствующей основному состоянию молекулыазота X 1 g и определенной с помощью экспериментально-расчетной методики по спектрамвторой положительной системы азота, соизмеримы по порядку величины и лежат в диапазоне3500–5000 К.
Температуры Tv X 1g много больше, чем поступательная температура. Этосвидетельствует о высокой степени колебательно-поступательной неравновесности газовыхразрядов. В ТРПТ в азоте значенияTv X 1g , определенные по спектрам второйположительной системы азота, находятся в удовлетворительном согласии с соответствующимитемпературами, измеренными (в параграфе 1 главы 1) методами спектроскопии КАРС. В ТРПТи приэлектродной области СВЧ разряда, возбуждаемого вблизи электрода-антенны, с ростом257давления (15–30 Тор) значение температуры Tv X 1g уменьшается и находится в диапазоне1900–2200 К.Для температур возбуждения, характеризующих ФРВУ и ФРКУ молекулы азота ввозбужденных C3 Π u , B3 Πg и основном X1Σ g+ состояниях в разрядах постоянного тока,резонаторном СВЧ разряде и приэлектродной области СВЧ разряда, возбуждаемого вблизиэлектрода-антенны, в азоте, справедлива следующая иерархия Tv B3Π g Tv C3 Πu >CBTv X1Σg+ Trot C3Π u = Trot B3Π g = Trot B 2u = T X Σ = T .1rot+ggВ диссертации, впервые, исследовано влияние компонентного состава НТП наспектральный состав излучения, поступательную температуру Tg , ФРВУ и ФРКУ в состоянияхB 2u иона молекулы азота, C 3 u и B3 g молекулы азота в ПС и приэлектродной областиТРПТ, в приэлектродной области неоднородного СВЧ разряда, возбуждаемого вблизиэлектрода-антенны, в смесях He N 2 и H 2 N2 при низких давлениях.
Выполнена селекцияатомных линий и молекулярных полос для диагностики поступательной температуры в газовыхразрядах в смесях He N 2 и H 2 N2 .Установлено, что при низких давлениях, в ПС ТРПТ и приэлектродной областинеоднородного СВЧ разряда, возбуждаемого вблизи-электрода антенны, в смеси He N 2спектральный состав излучения газовых разрядов зависит от процентного содержанияатомарного гелия и молекулярного азота в смеси He N 2 при постоянном значении полногодавления и парциального расхода молекулярного азота.
В обоих разрядах, с ростомпроцентного содержания атомарного гелия интенсивности полос переходов N2 C3Πu B3Πg монотонно уменьшаются. Поведение интенсивностей полос переходов N+2 B2 Σ+u X2 Σg+ иN2 B3Πg A3Σ u+положительномстолбеN2 B3Πg A3Σu+в зависимости от компонентного состава смеси в разрядах различается: втлеющегоразрядапостоянноготокаинтенсивностиполоси N+2 B2 Σ u+ X 2Σg+ монотонно увеличиваются с ростом процентногосодержания атомарного гелия в смеси He-N2 ; в приэлектродной области СВЧ разрядаинтенсивности полос N2 B3Πg A3Σu+ и N+2 B2 Σ u+ X 2Σg+ при малых парциальныхрасходах гелия испытывают рост, а при высоких уменьшаются. Показано, что моделированиеспектровизлученияN 2 C 3 u B 3 g ,N2 B3 g A3u иN+2 B2 Σ u+ X 2Σg+впредположении больцмановского распределения молекулы азота и иона молекулы азота повращательным уровням удовлетворительно описывают измеренные спектры испускания в ПС258ТРПТ и приэлектродной области электродного СВЧ разряда в смеси He N 2 .
Значениявращательных температур Trot B 2u , Trot B3 g и Trot C 3 u в приэлектродной области СВЧразряда, возбуждаемого вблизи-электрода антенны, не зависят от компонентного состава смесиHe N2 и совпадают в пределах погрешности 480–500 ( 100 К). В ПС ТРПТ значениявращательных температур Trot C 3u и Trot B3 g не зависят от компонентного состава исовпадают в пределах погрешности 700–720 ( 80 К). Значения вращательной температурыTrot B 2u зависит от расхода гелия при постоянных значениях давления смеси газа и силытока в разряде: при малых расходах Trot B 2u совпадает с Trot C 3u и Trot B3 g ; приувеличении расхода Trot B 2u больше, чем Trot C 3u и Trot B3 g . Установлено, чтовращательные температуры Trot C 3u и Trot B3 g в обоих разрядах совпадают споступательной температурой Tg .
Электронные состояния C3 Π u и B3 Πg молекулы азота могутбыть использованы для диагностики поступательной температуры в ПС ТРПТ и СВЧ разряда всмеси He N 2 .В обоих разрядах распределение заселенностей молекул азота по колебательнымуровням в состоянии C 3 u слабо отличается от рассчитанного по формуле Больцмана и неизменяется с ростом процентного содержания гелия в смеси He N 2 .
Величины колебательнойтемпературы Tv C3 Πu в приэлектродной области СВЧ разряда и в ПС ТРПТ составляютC5100 600 К и 4900–5300 К, соответственно. ФРКУ vB = 3–12 состояния B3 g заметноотличаются от распределения Больцмана. Заселенности уровней vB = 7–12 монотонноуменьшаются с увеличением номера уровня vB , удовлетворительно описываются формулойБольцмана. Её структура слабо изменяется с ростом процентного содержания атомарного гелияв смеси He N 2 . Значение TvB B3 g , соответствующая уровням vB = 7–12, лежит в диапазоне6300–6800 К в ПС ТРПТ. Оно меньше, чем соответствующая величина 7200 К, измеренная вприэлектродной области СВЧ разряда.Дляпоступательной,вращательныхтемпературиколебательныхтемпературвозбуждения состояний C 3 u , B3 g молекулы азота и B2 Σ u+ иона молекулы азота в ПС ТРПТи в приэлектродной области СВЧ разряда, возбуждаемого вблизи электрода - антенны, в смесиHe N2 справедлива следующая иерархия температур: TvB B3 g > TvC C 3 u > Trot B 2u Trot C 3u = Trot B3 g = Tg .259В ПС ТРПТ, в приэлектродных областях ТРПТ и СВЧ разряда, возбуждаемого вблизиэлектрода-антенны, в смесях N2 H2 зависимости интенсивностей излучения полос переходовN2 C3Πu B3Πg , N+2 B2 Σ+u X2 Σg+и N2 B3Πg A3u+от процентного содержаниямолекулярного водорода различаются.
В ПС ТРПТ, с ростом процентного содержания водородаинтенсивность полос N2 C3Πu B3Πg изменяется незначительно, а N2 B3Πg A3Σu+ заметноуменьшается. В приэлектродной области ТРПТ интенсивности полос N2 C3Πu B3Πg иN+2 B2 Σ u+ X 2Σg+увеличиваются с повышением процентного содержания водорода. Вприэлектродной области СВЧ разряда они изменяются немонотонно: растут в диапазонепроцентного содержания водорода при 0 – 6% (при процентном содержании азота 94%) иуменьшаются в диапазоне процентного содержания водорода 6 – 14% (при процентномсодержании азота в диапазоне 94 – 86%).РассчитанныеN2 B3Πg A3 Σu+спектрыизлученияN+2 B2 Σ+u X2 Σg+ ,N2 C3Πu B3Πgив предположении больцмановского распределения молекул азота повращательным уровням в излучающих состояниях удовлетворительно описывают измеренныеспектры испускания разрядов. В приэлектродной области СВЧ разряда для переходовN2 C3Πu B3Πgс верхним излучающим состоянием C3Πu ,vC =2 функция распределениямолекул азота по ЭКВ уровням заметно отклоняется от распределения Больцмана.
Возмущениечередования интенсивностей обусловлено кинетикой возбуждения и девозбуждения состоянияC3Πu ,vC =2 молекулы азота в приэлектродной области СВЧ разряда.В приэлектродной области СВЧ разряда, ПС и приэлектродной области ТРПТ в смесиN2 -H2 вращательные температуры Trot B2 Σ +u , Trot C3Π uи Trot B3Πg согласуются в пределахпогрешности. Они слабо зависят от компонентного состава смеси N2 -H2 .
Показано, чтовращательные температуры Trot B2 Σ +u , Trot C3Π u и Trot B3Π g совпадают с поступательной.Электронные состояния C3 Π u и B3 Πg молекулы и B 2u иона молекулы азота могут бытьиспользованы для диагностики поступательной температуры приэлектродной области СВЧразряда, ПС и приэлектродной области ТРПТ в смеси N2 -H2 при низких давлениях.В приэлектродной области СВЧ разряда, ПС и приэлектродной области ТРПТ токаФРКУ состояния C3Π u молекулы азота слабо отличается от распределения Больцмана.
Она неизменяется с увеличением процентного содержания водорода в смеси. В ПС и приэлектроднойобласти ТРПТ значение Tv C3 Πu составляет 3500–3800 ( 400 К). Оно меньше, чемC260соответствующее значение, определенное в приэлектродной области электродного СВЧ разряда6700 520 К.Значения колебательных температур Tv X1g основного состояния молекулы азота вобеих областях ТРПТ и приэлектродной области электродного СВЧ разряда, определенные поспектрам излучения N2 C3Πu B3Πg , составляют, приблизительно, 1500–2000 К и 4000 К,соответственно.В ПС ТРПТ и приэлектродной области СВЧ разряда колебательные распределения дляуровней v B =3–12 состояния B3 Πg отличаются от распределения Больцмана. Относительныезаселенности уровней v B =7–11 описываются формулой Больцмана с температурой Tv B3 Πg .BТемпература возбуждения этих уровней не изменяется с увеличением процентного содержанияводорода в смеси N2 -H2 .
В обоих разрядах, значения температур возбуждения Tv B3 Πg лежатBв диапазоне 6100–6600 К (погрешность 11%).Для температур, характеризующих функцию распределения по ЭКВ уровням всостояниях C3 Π u , B3 Πg молекулы азота и B2 Σ +u иона молекулы азота в исследуемых разрядах всмеси N2 -H2 справедлива следующая иерархия температур TvB B3 g TvC C 3u > Tv X 1g > Trot B 2u = Trot B3 g = Trot C 3u = Tg . Различие между температурами возбуждения ипоступательной температурой, отличие ФРКУ молекулы и иона молекулы азота ввозбужденных состояниях от больцмановского распределения свидетельствует о нарушенииравновесия по ЭКВ степеням свободы молекулы и иона азота в газовых разрядах вазотосодержащих смесях.261Глава 3.
Столкновительно-излучательная модель кинетики частиц в электронновозбужденных состояниях для диагностики концентрации электронов, напряженностиэлектрического поля и степени колебательно-поступательной неравновесности в газовыхразрядахВведениеОдной из центральных проблем, связанной с развитием уровневой полуэмпирическойСИМ для оптической диагностики азотной НТП является создание вычислительного модуля(рис. 1), позволяющего адекватно описывать её спектральный и компонентный состав,распределения энергии по внешним и внутренним степеням свободы частиц в электронно возбужденных состояниях.
В диссертации, создание модуля основывается на результатахисследований кинетики атомов, молекул азота и их ионов в электронно-возбужденныхсостояниях, полученных: в дальнем (рекомбинационном, длительном) [123, 133, 141, 184, 1179–1181, 1222, 1246, 1464–1507] и ближнем [133, 141, 667, 712, 734, 754, 1093, 1178–1184, 1215,1222, 1246, 1508–1510] послесвечении газовых разрядов; в проточных реакторах [689, 691, 705,1511–1516]; в газовых разрядах [133, 141, 184, 314, 392, 399, 525, 567, 585, 663, 664, 667, 669,710–712, 734, 1109, 1108, 1115, 1164, 1169, 1176, 1187–1189, 1191, 1196, 1198–1203, 1207, 1213–1215, 1217, 1233, 1246, 1465, 1517–1520].Результаты исследований физико-химических процессов в дальнем послесвечениигазовых разрядов в азотосодержащих смесях в широком диапазоне давлений (от p =0.1 Тор доатмосферного) [123, 133, 141, 184, 1179–1181, 1222, 1246, 1464–1507] показывают, чтокомпонентный состав представлен молекулами N 2 A3u , N 2 B3Π g , N 2 B3u , N 2 a1Π g ,N 2 W 3 uи атомами N 4 S , N 2 P , N 2 D азота.