Диссертация (1150536), страница 12
Текст из файла (страница 12)
3.7. Рис. 3.14 демонстрирует распределения атомов по уровням дляаксиальных позиций = 1 мм и = 4 мм в центре дуги и на расстоянии 5.85 ммот центра по радиусу. В центре дуги выполняется больцмановское равновесиемежду всеми возбужденными состояниями и нейтральными атомами. Температура возбуждения совпадает с температурами нейтралов и электронов (Таблица801 01 0(b )(a )5/g 0)/g 0)500001 /k T/g k/Ne xe x-5ln ( Nln ( Nkk/g k/N1 /k T-1 0-5-1 0r = 0 m m , z = 1 m mr = 0 m m , z = 4 m m-1 502468E1 01 21 4-1 51 6th081 0th1 21 41 6, e V(d )(c )01 /k T1 /k Te xe x-5/g 0)-50-1 0-1 0/g k/N/g k/N/g 0)65004E5k-1 5-1 5ln ( Nln ( Nk2, e V-2 0-2 0-2 5-2 5r = 5 .8 5 m m , z = 1 m mr = 5 .8 5 m m , z = 4 m m-3 002468Eth1 0, e V1 21 41 6-3 002468E1 0th1 21 41 6, e VРисунок 3.14: Распределения атомов по уровням в аксиальных позициях = 1мм (,) и = 4 мм (,) как функции энергии возбуждения.
Точки - расчет вприближении эффективной вероятности перехода. Контурные фигуры - расчетыс переносом излучения. Тангенс отмеченного угла (,) описывает температурувозбуждения.3.3), и осуществляется состояние, близкое к ЛТР. В радиальной позиции 5.85 мм(Рис.3.14c,d) основное состояние выпадает из равновесного распределения, чтоособенно ярко выражено в случае = 1 мм. Температура возбуждения в этомслучае близка к температуре электронов.
Можно полагать частичное ЛТР (ЧЛТР)между возбужденными состояниями. В этих радиальных позициях влияние пленения излучения весьма мало. Так как концентрация электронов достаточно высока,процессы формирования и разрушения возбужденных состояний носят локальный характер. Наблюдаемая картина хорошо соответствует критериям равновесияГрима [186] и Дравина [187]. Введем безразмерный параметр = /0 , где 0- заселенность уровня, рассчитанная в предположении равновесия с ионами по811 .21 .2(a )(b )1 .01 .0r = 0 m mk/Nkk0 .60 .6b k= NNk/Ne qr = 0 m m0 .8e q0 .8r = 5 .8 5 m m0 .40 .40 .2r = 5 .8 5 m m0 .21 m m0 .002468Eth1 01 21 44 m m0 .01 6024, e V68Eth1 01 21 41 6, e VРисунок 3.15: Распределения атомов по уровням в позициях = 1 мм () and = 4мм (), нормированное на равновесные значения.Таблица 3.3: Макроскопические параметры плазмы в различных радиальныхпозициях в = 1 мм и = 4 мм.z, ммr, мм , эВex , эВgas , эВ , м−3gas , м−3105.8510.1515.311.800.410.260.201.800.43-1.810.200.030.031.74 × 10235.23 × 10205.49 × 10184.56 × 10152.03 × 10213.29 × 10242.34 × 10252.41 × 1025405.8510.1515.311.310.700.310.221.310.70-1.310.700.120.032.01 × 10235.65 × 10211.10 × 10204.87 × 10187.50 × 10228.90 × 10235.88 × 10242.00 × 1025Саха:(︂)︂−3/2(︂)︂)︀2−2ion00 = ionexp,2ionℎ2(︀(3.19)00где ion- ЛТР-плотность ионов.
ion= на оси дуги, а в позиции = 5.85 ммона на 30% выше, чем плотность электронов.На Рис. 3.15 приведены распределения атомов по уровням с использованиемпараметров . Равновесие между плотностью ионов по Саха и возбужденнымиатомами соответствует = 1. Как можно видеть из рисунка, малые отклонения отЛТР для основного состояния могут наблюдаться даже в центре дуги. В плоскости = 1 мм (Рис. 3.15a) это отклонение не превышает 10%, в то время, как при = 48200(b )(a )-1 0/g 0)-2 0-2 0-3 0ln ( Nln ( Nkk/g k/N/g k/N00/g 0)-1 0-4 0-3 0-4 0r = 1 0 .1 5 m m , z = 1 m mr = 1 0 .1 5 m m , z = 4 m m-5 01 11 21 31 4Eth1 5-5 01 61 1th1 51 6(d )-1 0-2 0-2 0/g 0)-1 00-3 0-3 0/g k/N/g k/N/g 0)1 4, e V0(c )01 3E0k-4 0-4 0ln ( Nln ( Nk1 2, e V-5 0-5 0-6 0-6 0r = 1 5 .3 1 m m , z = 1 m mr = 1 5 .3 1 m m , z = 4 m m-7 01 11 21 31 4Eth, e V1 51 6-7 01 11 21 31 4Eth1 51 6, e VРисунок 3.16: Распределения атомов по уровням в позициях = 1 мм (,) and = 4 мм (,) как функции энергии возбуждения.
Точки - расчет в приближенииэффективной вероятности перехода. Контурные фигуры - расчеты с переносомизлучения.мм достигает 40%. Такое различие можно объяснить разницей в температуре электронов: = 1.8 эВ в плоскости = 1 мм, = 0 мм, и = 1.3 эВ в плоскости = 4мм, = 0 мм. В первом случае, скорости электрон-атомных столкновений вышепри близких значениях плотности электронов.
В радиальной позиции = 5.85 ммплотность электронов при = 1 мм (Рис. 3.15a) на порядок ниже, чем при = 4мм (Рис. 3.15b). Вследствие этого, основное состояние в первом случае отклоняетсяот ЛТР гораздо сильнее, чем во втором. Возбужденные уровни демонстрируютслабые флуктуации вблизи равновесного состояния, которые обусловлены процессами излучения (Рис. 3.15a). Эти флуктуации становятся пренебрежимо малы вслучае = 4 мм (Рис. 3.15b).На периферии плазмы, где плотность электронов мала и баланс частиц определяется процессами излучения, атомарные распределения по уровням сильно83отклоняются от ЛТР (Рис.
3.16). Эти распределения также являются хорошей демонстрацией влияния пленения резонансного излучения на пространственноеперераспределение 1- и 2-атомов. Заселенности, рассчитанные в приближенииэффективной вероятности, имеют значительно меньшие порядки, чем результатыматричного метода. Когда учитывается пленение излучения, влияние спонтанныхпереходов сглаживается за счет процессов перепоглощения, и значения плотностейрезонансных и метастабильных уровней сближаются. Для высоковозбужденныхсостояний влияние пленения пренебрежимо мало.
На периферии дуги можно видеть, что некоторые наиболее высоковозбужденные уровни находятся в состоянииЧЛТР.На основе проведенного анализа можно сказать, что свободно горящая дугав аргоне явным образом демонстрирует изменение состояния плазмы в радиальном направлении, вызванное радиационными процессами: переход от близкого кЛТР состояния в центре через частичное ЛТР к сильно неравновесной плазме напериферии.3.3Выводы к главеИзлучение плазмы играет важную роль в балансе энергии дуги. В настоящейглаве выполнен анализ влияния пленения резонансного излучения на параметры плазмы свободно горящей дуги в аргоне.
Использован матричный метод длярешения уравнения Холстейна-Бибермана с учетом неоднородности коэффициента поглощения в цилиндрической геометрии c лоренцевским контуром линии.Разработано две столкновительно-радиационных схемы для вышеупомянутогоанализа.В первой схеме отработана методика учета пленения излучения применительнок сильноточной дуге в рамках самосогласованной модели [105].
Акцент сделан наанализе баланса отдельного резонансного уровня аргона 14 . Можно выделитьследующие особенности. Свободно горящая дуга характеризуется сильными градиентами температуры газа и плотности нейтральных атомов, которые, в своюочередь, определяют пространственную неоднородность поглощения резонансного излучения, в особенности, по радиусу дуги. Анализ выполнялся в цилиндрическом объёме в предположении однородности вдоль оси разряда для параметров,84характеризующих дуговую плазму в определенных аксиальных позициях (вблизикатода и на середине расстояния между катодом и анодом).
Сравнение результатовс самосогласованной неравновесной моделью демонстрирует рост заселенностирезонансного 14 -уровня на периферии дуги вследствие пленения резонансногоизлучения. В этой области дуги девозбуждение резонансного состояния осуществляется преимущественно за счет спонтанного излучения, в то время как столкновительное девозбуждение играет малую роль. Этот эффект показан для однородногопо радиусу коэффициента поглощения а также для поглощения, пропорционального плотности нейтральных атомов и её квадрату. В то же время, в наиболеегорячей центральной области дуги пленение резонансного излучения не играетроли вследствие эффективного столкновительного девозбуждения резонансногоуровня во всех рассматриваемых случаях неоднородности поглощения. В этой области рассчитанные заселенности уровня 14 хорошо согласуются с результатамимодели [105].Вторая столкновительно-радиационная схема включает в себя уравнения баланса различных возбужденных состояний аргона с возможностью учета пленения излучения.
Входные параметры модели, такие, как температуры и плотностинейтральных атомов и электронов, были взяты из самосогласованной моделидуги [104]. Выполнены расчеты плотностей возбужденных атомов в свободно горящей дуге в конфигурации, аналогичной первому случаю. Результаты расчетовс применением матричного метода продемонстрировали значительный рост напериферии дуги плотностей не только резонансных атомов, но и сильно перемешанных с ними метастабильных атомов, а также незначительный рост концентрацийразличных 2-атомов. Влияние резонансного излучения на более высокие энергетические состояния практически отсутствовало. Проанализированы отклоненияот равновесных распределений атомов по энергиям, обусловленные процессамиизлучения в разных радиальных позициях.
Показано изменение состояния плазмыпо радиусу. В центре дуги плазма находится в состоянии, близком к ЛТР, затемчерез состояние ЧЛТР она переходит в резко неравновесный режим на периферии. Показано влияние пленения излучения на распределения атомов по уровнямэнергии.85Глава 4Экспериментальнаядиагностиканеравновесной плазмы по излучениюИзлучение спектральных линий и континуумов является значимым источником информации о компонентах плазмы и их пространственных и временныхраспределениях. Важную роль играет и процесс переноса линейчатого излучения.В отличие от термина пленение излучения, который применяется к наиболее оптически плотным резонансным переходам, перенос в линиях видимого и ближнегоинфракрасного диапазонов ( = 450-900 нм) зачастую именуется реабсорбциейизлучения, которая учитывается при использовании различных методов эмиссионной и абсорбционной спектроскопии.Объектом исследования является неравновесная стационарная плазма длинного положительного столба тлеющего разряда (например, столб длины порядка40 см при радиусе разрядной трубки 1.5-2.5 см).
Этот объект удобен для спектроскопической диагностики, поскольку она цилиндрически симметрична и можнопредположить её однородность вдоль оси столба, что позволяет сконцентрироваться на исследовании радиальных распределений компонент плазмы.864.1Измерения интенсивностей спектральных линий с высоким пространственным разрешениемИзмерения плотностей возбужденных состояний в спектроскопии плазмызачастую осуществляются с использованием классических (не лазерных) методовлучеиспускания и поглощения. Важными вопросами в этих методах являютсякорректный выбор оптической схемы для накопления и регистрации сигнала, анализ пространственного разрешения для различных схем регистрации, и влияниереабсорбции.Особенностью таких измерений является тот факт, что рассматриваемый плазменный объект является протяженным объёмным источником. Поскольку в классической спектроскопии для фокусировки изображения плазмы на плоскостьвходной щели спектрального прибора используется объектив, то в фокусе мынаблюдаем резкое изображение лишь одного из сечений объёмного источника, аостальные сечения расфокусированы.Для получения информации о пространственных распределениях излучающих атомов достаточно регистрировать только поток излучения от источникабез какой-либо калибровки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
