Диссертация (1097947), страница 7

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

Текст из файла (страница 7)

Широкополосный способ записи спектров КАРС позволяет измерять за однулазерную вспышку широкую полосу спектра (до 150–200 см-1), необходимого для определенияпоступательной и колебательной температур. Второй способ записи спектров КАРС относитсяк получению спектра КАРС путем последовательной перестройки монохроматическогоизлучения частоты  2 лазера на красителе. Спектр КАРС записывается последовательно, однаспектральная точка за другой, при плавной перестройке частоты лазера на красителе.

Дляобеспечения высокой точности измерения малых значений концентраций возбужденныхмолекул, определения ФРКУ и ФРВУ молекулы в основном состоянии в НТП требуетсязначительное время. Большое время записи спектра является недостатком такого метода. Онприменяется для исследований стационарных газовых разрядов. Возможен иной подход,26совмещающий преимущества методов сканирующей (измерение малых значений концентрациймолекул) и широкополосной (малое время определения искомых параметров и высокоевременное разрешение) спектроскопии КАРС - двухволновая (2  -) спектроскопия КАРС [424–430]. На рис.

2 приведена схема 2  -спектрометра КАРС, разработанного совместно сколлегами из МРТИ РАН и ИОФ РАН при непосредственном участии автора диссертации [424–427]. В диссертации он использован автором, для исследований колебательно-вращательноговозбуждения молекул азота в основном состоянии X 1g в ПС ТРПТ в азоте [424–427, 430].Для определения поступательной температуры и исследования ФРВУ и ФРКУ молекулыметодом двухволновой спектроскопии КАРС целесообразно ограничиться измерениямиинтегральных интенсивностей двух линий в спектре КАРС исследуемой молекулы.

Выбор этихлиний основан на том, что они являются изолированными и их интенсивности наиболеечувствительны к вариациям поступательной температуры в разряде в ожидаемом диапазоне ееизменения. Чтобы учесть изменение интенсивности лазера на красителе от длины волны иуменьшить влияние шумов лазерных источников на сигналы КАРС, требуется использоватьопорный канал (величины, относящиеся к опорному каналу, обозначаются индексом ref).

Впроцессе эксперимента одновременно с основными сигналами I Qsig1 и I Qsig2 из зондируемогообъема (объектный канал обозначен индексом sig) необходимо регистрировать сигналы КАРСI Qref1 и I Qref2 из кюветы в опорном канале, заполненной инертным газом либо при тех же условияхпо давлению и температуре - азотом или воздухом. Измеренное отношениеR=I Qsig1  I Qref2I Qsig2  I Qref1(1.1.6)содержит необходимую спектральную информацию [424–427, 430], для определенияпоступательной и колебательной температур. Случайная ошибка измерения отношения Rможет быть сведена до желаемого уровня соответствующим числом усреднений.1.1.2.

Исследования методами спектроскопии КАРС функций распределения поколебательным и вращательным уровням молекулы азота в основном состоянии вгазовых разрядахМетоды КРС, спектроскопии КАРС, абсорбционной спектроскопии и ЛИФ применялисьдля исследований ФРВУ и ФРКУ молекул азота N2, кислорода O2, моноксида углерода CO,водорода H2, ацетилена C2H2, метана CH4, атомарных ионов алюминия Al и т.д. [431–559]: вударных волнах [431–435]; в среде, в которой химические реакции синтеза алмазовстимулировались посредством термического возбуждения нитью накала [436,437]; в потоке газа27высокой энтальпии [430,438–469]; в среде, в которой образование колебательно-возбужденныхмолекул было обусловлено резонансным поглощением излучения CO-лазера [470–473] илиселективно стимулировалось вынужденным КРС [474–476]; при гармоническом селективномвозбуждении молекул азота [477,478]; в разряде постоянного тока [318,330,334,385,479–500] ипослесвечении [481,485,489,496,499,500]; в приэлектродной области разряда постоянного тока[489]; в разряде с вольфрамовым термоэмиссионным катодом в магнитном поле, используемомдля образования отрицательных ионов атома водорода [408,495,501,502]; в дуге в азоте [503], атакже в дуге, создаваемой в промышленном реакторе, используемом для синтеза углеводородов[504]; в ВЧ разряде [318,464–466,505–511]; в нитевидных (ветвящихся) импульсных разрядах[512–516]; в СВЧ разряде и послесвечении [495,517–531]; в импульсном разряде ипослесвечении [532–553]; в микроразряде [554–556]; в лазерно-индуцированной плазме [557]; вбарьерном разряде [445,558]; в пламени, поддерживаемом тлеющим разрядом постоянного токана конце капилляра-электрода [559]; в гибридных разрядах (ТРПТ в комбинации с дуговымразрядом и ВЧ разрядом) факельного типа при атмосферном давлении [318].

Методыспектроскопии КАРС позволили выполнить прямые измерения напряженности электрическогополя E в газовых разрядах [403,555,556,560–562]. Особый интерес представляет азотная НТП[480, 482, 485, 487–489, 507, 521, 526, 527, 532, 534, 535–537, 538]. В колебательных степеняхсвободы молекулы азота в основном состоянии аккумулируется большой запас энергии врезультате неупругих столкновений с электронами.Рис.4. Результаты исследований ФРКУ молекулы азота в основном электронномсостоянии методом абсорбционной спектроскопии [488]: а) - спектр поглощения молекулыазота. б) - ФРКУ молекулы азота в положительном столбе ТРПТ. Линии - расчет, выполненныйв диссертации по формулам 1 - Больцмана, 2 - Тринора и 3 - уровневой полуэмпирическойСИМ, развитой в диссертации. Точки - экспериментальные данные: E / N = 50 Тд, Tg =710 К,Tv X 1 g =2900 К, p =24 Тор, I =19 мА ( R =1.0 см, время пребывания молекул азота вположительном столбе ТРПТ t p =30 мс).28В [480,482,485,487–489] установлено, что значения колебательнойTv  X 1g ипоступательной Tg температур, измеренные в газовых разрядах постоянного тока в азоте,создаваемых в разрядных трубках радиусом R =0.7–1.35 см, в диапазоне давлений p =0.1–25Тор, концентрации электронов N e =109–1011 см-3, приведенного электрического поля E / N =40–80 Тд и времени пребывания молекул в разрядной области t p =(9–30)  10-3 с лежат в диапазонах2850–5300 К и 395–710 К, соответственно.

Измеренные значения Tv  X 1g  и Tg зависят от t p ,p , N e , E / N и материала поверхности разрядной трубки. ФРВУ молекулы азота в зависимостиот номера колебательного уровняvосновного состоянияX 1 gудовлетворительноописывается формулой Больцмана с одинаковыми вращательными температурами.ФРКУ ( v =0–3) молекулы азота удовлетворительно согласуется с расчетами поформулам Тринора и Гордиеца-Тринора (рис. 3 и 4). Для высоких уровней наблюдаетсярасхождение между результатами измерений и расчетов ФРКУ молекулы азота в состоянииX 1 g .

Вопрос о теоретическом воспроизведении ФРКУ молекулы азота на высоких уровняхостается открытым.Рис.5. ФРКУ молекулы азота в основном состоянии в импульсном тлеющем разряде (а)и послесвечении (б – г) в азоте [534] (плотность тока 0.01–0.1 А/см2, длительность разрядноготока  L = 10-7 с, удельный энерговклад 0.3 Дж/см3, E/N = 130 Тд, p =230.3 Тор). Линии (1) и (2)- расчет, выполненный в диссертации по формулам Больцмана с Tv  X 1g  = 2400 К и29Tv110  X 1g   6000 К, соответственно. Точки - экспериментальные данные: (а) - t p =0.510-6 с;(б) - t p =1.510-6 с; (в) - t p =510-6 с; (г) - t p =1510-6 с.Рис.6.

Зависимость Tv  X 1g  от длительности  L импульсного тлеющего разряда в азоте(плотность тока 0.7–6.4 А/см2, N e = 6  (1011–1012) см-3; Tg = 400 К p =6 Тор) [538]: (а) - 0.2 А;(б) - 0.3 А; (в) - 0.8 А; (г) - 1.8 А.Рис.7. ФРКУ молекулы азота в импульсном тлеющем разряде (ток разряда 260 А, 5 кВ,E/N =200 Тд, p =60 Тор) [535,536]: (а) - t p =40010-7 с; (б) - t p =3.210-7 мкс.Рис.8. Распределение ln(Nv/N0) по уровням v=0–5молекул азота в состоянии X1 g в ИТР для момента времениt p =50 нс.

Значки - эксперимент [532]. Линии (1) и (2) расчет сиспользованием уровневой полуэмпирической СИМ, развитойв диссертации: (1) - расчет с использованием измереннойзависимости концентрации электронов Ne от времени; (2) результат самосогласованного моделирования ФРЭЭ и ФРКУмолекулы азота в основном состоянии.30Рис.9. Распределение ln(Nv/N0) по уровням v=0–5 молекул азота в состоянии X1 g настадии послесвечения ИТР: значки - эксперимент [532]; сплошная линия (1) - расчет сиспользованием уровневой полуэмпирической СИМ, развитой в диссертации; штрихпунктирная линия (2) - расчет по формуле Тринора.

(а) - tp = 6 мкс, Tv(X1 g ) = 1900 K, Tg= 320K, б - tp = 20 мкс, Tv(X1 g ) = 2500 K, Tg= 320 K.ФРВУ молекулы азота для различных колебательных уровней в основном состоянии,измеренные в ИТР, с высокой удельной мощностью, поглощенной НТП, и послесвечении вазоте[532,534–536,538],подчиняютсяраспределениюБольцмана.Эторезультатами [482,485,487,489,488]. Значение вращательной температурысогласуетсясTrot  X 1g висследованном диапазоне средних давлений газа p =60–150 Тор и времени пребываниямолекул азота в области разряда вплоть до t p =1.410-3 с совпадает с поступательнойтемпературой Tg .

Функция распределения по нижним колебательным уровням молекулы азотав основном состоянии, измеренные в ИТР и на ранней стадии послесвечения (рис. 5–9),отличаются от тех, что получены в продольном разряде постоянного тока [482,485,487–489].Они не описываются формулами Больцмана, Тринора и аналитической моделью ГордиецаТринора. Объяснение различия значений Tv  X 1g  , определенное из измеренных методом ЭСспектров излучения второй положительной системы азота N2  C 3u  B3 g  по модели из[73,330,334,389–399] и спектров КАРС, полученное в [538] отсутствует.ФРВУ молекулы азота в основном состоянии, измеренные в газовых разрядах,создаваемыхвпеременномэлектромагнитномполе[507,521,526,527],подчиняютсяраспределению Больцмана.

Результаты определения ФРКУ молекулы азота в основномсостоянии в СВЧ и ВЧ разрядах [507,521,526,527] находятся в согласии с результатами31[480,482,485,487–489]. Значения Tv  X 1g  свыше 6000 К, доложенные в [507] выпадают издиапазона колебательных температур Tv  X 1g  , полученных в газовых разрядах [480, 482, 485,487–489, 521, 526, 527, 532, 534–537, 538]. По-видимому, они являются завышенными.Измеренные значения колебательной Tv  X 1g  и поступательной Tg температур вразличных газовых разрядах в азоте изменяются в диапазонах от 1500 К до 5300 К и от 360 К до1450 К, соответственно. В азотной НТП, величина Tv  X 1g  может быть на порядок больше,чем значение поступательной температуры Tg .

Это свидетельствует о том, что азотная НТПхарактеризуется высокой степенью колебательно - поступательной неравновесности:vib  N 2    Ev  Eveq  / Eveq >>1,(1.1.7)Здесь Evib =  Ev  N v , а N v и Ev - концентрации N 2  X 1g , v  и колебательные энергии уровняv 0eqопределяется при аппроксимацииv основного состояния X 1 g молекулы азота. Величина Evibзаселенностей N v распределением Больцмана с температурой, равной Tg .Рис.10.Схемаэкспериментальной установки дляисследованияФРКУмолекулыазота в основном состоянии 1 gметодом спектроскопии КАРС вбезэлектродномВЧразрядеиндуктивно - емкостного в азоте.При описании гетерогенных и гомогенных процессов в азотной НТП с участием N 2  X 1g , v необходимо использовать приближение неравновесной (обобщенной) уровневой кинетики. Вдиссертации, экспериментальные результаты, полученные в [480, 482, 485, 487–489, 507, 521,526, 527, 532, 534–538], включены в базу данных уровневой полуэмпирической СИМ.32Рис.11.

Характеристики

Список файлов диссертации