Диссертация (1150536), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Области с преобладаниемпространственного заряда (прикатодные и прианодные слои) рассматриваются с18помощью локальных (0D) моделей, самосогласовано связанных с симуляцией дугис одной стороны, и с моделями электродов с другой [105–107]. Обзор исследованийпо неравновесной плазме дуги и сравнение 2T и FNE моделей приведены в работах [108–110]. Необходимо дальнейшее совершенствование подобных моделей дляописания плазмы при рассмотрении множества возбужденных состояний, плазмыс примесями металлического пара [111, 112], а также оптически плотной плазмы,имеющей место в дуговых прерывателях цепей высокого давления [113].Перенос излучения в дуговой плазме представляет интерес в контексте рассмотрения потерь энергии на излучение, а также влияния переноса на распределениевозбужденных атомов по уровням.
Ранее было показано, что в ЛТР-плазме перенос резонансного излучения не оказывает значительного влияния на потериэнергии [68]. Изучение распределений возбужденных атомов по уровням можно осуществлять при помощи неравновесных столкновительно-радиационныхмоделей дуговой плазмы. Под столкновительно-радиационными моделями понимается класс моделей, включающих уравнения баланса частиц различных сортов(электронов, ионов, атомов в различных возбужденных состояниях) с учетом разнообразных элементарных процессов, за счет которых происходит обмен энергиеймежду этими частицами. Классические примеры столкновительно-радиационныхмоделей термической плазмы можно найти в работах [114–116]. Подобный подход дает возможности для понимания и более корректного описания химическихпроцессов и переноса тепла в дуге, а также явлений, характерных для дуговыхприложений – паров металла и эрозии электродов.1.3Измерение заселенностей возбужденных уровней в объёмном источнике плазмы методамиклассической спектроскопииИзмерения концентраций метастабильных и резонансных атомов в стационарной газоразрядной плазме методами аномальной дисперсии, абсорбционной иэмиссионной спектроскопии были начаты в начале XX века.
Существует довольно большое число ранних публикаций, среди которых можно выделить работыЛаденбурга [117,118], на основе которых проводились измерения заселенностей воз-19бужденных атомов при различных условиях. Обзор этих ранних работ приведен вклассической книге [119].Измерения интенсивностей спектральных линий, и, следовательно, плотностейвозбужденных атомов, требуют особого внимания к проблеме переноса излученияв пределах плазменного объёма. Одними из первых исследователей, поднявшихвопрос об уменьшении потока излучения, выходящего из плазмы, вследствие реабсорбции в пределах источника, были Ладенбург c сотрудниками [118], получившиевыражение для соответствующей функции реабсорбции для допплеровского илоренцевского контуров линии.
Впоследствии, в задачах спектроскопии также вводились поправки на интегральные потери излучения через поверхность источника,объединенные термином эскейп-фактора, для которого предлагались различныеинтерпретации: как фактора, описывающего вероятность выхода излучения изобъёма, так и фактора, описывающего реабсорбцию в объёме интегрально. Систематизация данных представлений была выполнена в серии работ [15–17], где былопоказано, что эти интерпретации эквивалентны.
Вопросы, связанные с реабсорбцией, обсуждались в многочисленных книгах по диагностике низкотемпературнойплазмы [120–123].Во второй половине XX века начали активно развиваться методы лазерной диагностики, позволяющие получать распределения возбужденных атомов с хорошимпространственным и временным разрешением. Вопросы, связанные с лазернойдиагностикой, подробно обсуждаются в книгах по спектроскопии [120,121,124–126].Из работ, опубликованных в последние годы, можно выделить исследование реабсорбции и эскейп-факторов в пашеновских 2 → 1 линиях в плазме инертныхгазов с применением лазерной абсорбции [22, 23].
В последнее время активноразвивается разработка диодных лазеров, совмещенных с акустооптическимимодуляторами [127–129], которые позволяют отстраивать частоту лазерного излучения в сравнительно большом диапазоне и, таким образом, имеющих большиеперспективы в диагностике плазмы.В настоящей работе рассматриваются классические методы диагностики, основанные на регистрации световых потоков от объёмных источников плазмы.Проблемы, связанные с регистрацией потоков излучения от объёмных источников обсуждались, например, в следующих ранних работах по спектроскопиикомбинационного рассеяния [130–135]. В этих работах ставилась цель максимизи-20ровать поток фотонов, излучаемых источником, который попадает на детектор навыходе спектрального прибора. Объёмный источник полагался однородным, а реабсорция - пренебрежимой.
Предлагались различные оптические конфигурации:например, схема без линзы, в которой разрядная трубка прямо проецироваласьна входную щель спектрографа, или схема с несколькими линзами. Особое внимание уделялось излучению, отражаемому от стенок разрядной трубки. Болееподробно вопрос о регистрации сигнала от объёмных источников изучался вработах [136, 137].В работе [138] был предложен оригинальный метод, позволявший определятьзаселенности метастабильных и резонансных атомов без измерения поглощения,через отношения интенсивностей спектральных линий (Line Ratios), идущих содного верхнего на разные нижние уровни. Затем строилась система нелинейныхуравнений, где неизвестными являлись заселенности уровней, и решалась по методу наименьших квадратов.
Метод оказался удобен для использования в различныхразрядных конфигурациях, в особенности, в случаях, когда провести абсорбционные измерения не представляется возможным. Этот метод получил применениев ряде работ [139–145]. В [139–141] метод был использован для измерения заселенностей в индуктивно связанном разряде в аргоне и неоне. В работе [142] методбыл использован для определения скоростей ступенчатого возбуждения с метастабильных уровней на 2-состояния в плазме послесвечения радиочастотногоемкостного разряда в аргоне.
В [143] плотности 1-атомов измерялись в негативном свечении тлеющего разряда в смеси Ar-N2 . Также, метод использовался приизучении емкостного разряда в аргоне [144, 145].В упомянутых работах [138–143] перенос видимого излучения описывался спомощью эскейп-фактора в приближении Меве для малых коэффициентов поглощения [146]. Однако, использование эскейп-фактора не отражает реабсорбцииизлучения в направлении наблюдения, и более корректным представляется подход Ладенбурга. Эквивалентное определение мононаправленного эскейп-факторавводится в работе [144]. В работе [145] показано, что использование приближенияМеве систематически занижает полученные значения заселенностей.Представляет интерес сравнение описанного метода соотношений линий склассическим абсорбционным методом в рамках измерений распределений интенсивностей спектральных линий с высоким пространственным разрешением.21Для обеспечения пространственного разрешения немаловажными вопросамиявляются анализ аппаратных искажений и способа регистрации сигнала.1.4Контракция тлеющего разрядаКонтракция - явление стягивания плазмы тлеющего разряда в яркий тонкийшнур на оси разряда при повышении давления и тока.
Наблюдается в разрядахатомарных и молекулярных газов, а также их смесях. Данное явление представляетинтерес, с одной стороны, как нежелательный эффект - например, при возникновении шнура в рабочей среде лазера срывается процесс генерации. Изучениемеханизмов контракции представляется необходимым для борьбы с подобнымнегативным эффектом. С другой стороны, отрыв плазмы от стенок объёма позволяет увеличивать чувствительность на порядки величины при спектральноманализе газовых смесей.Исследования явления контракции положительного столба берут свое началов ранних работах Штарка [147]. Наиболее детально изучалась контракция столбатлеющих разрядов в инертных газах в длинных цилиндрических трубках при давлениях в десятки и сотни Торр.
Инертные газы являются простейшими плазменнымисредами с точки зрения экспериментального и теоретического описания. Примерконтрагированного разряда в неоне при давлении = 96 Торр см приведен наРис. 1.2.Переход разряда из диффузного состояния, когда свечение плазмы заполняетпрактически весь объём разрядной трубки, в контрагированное, происходит скачкообразно и сопровождается явлением гистерезиса, который можно наблюдать, вчастности, на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) столба. Данный скачок осуществляется при почти постоянном токе, и, одновременно с резким уменьшениемрадиуса токового шнура, в приосевой области резко растут концентрация электронов и яркость излучения. Эффект гистерезиса впервые был экспериментальнообнаружен и описан в столбе неона в работе [148].Начиная с 60-х годов прошлого века предлагались различные точки зренияна природу контракции.
Отчасти, явление контракции связано с неоднороднымразогревом газа. В работах [149, 150] приводились качественные соображения орадиальной диссоциации молекулярных ионов. Предполагалось, что на оси столба22Рисунок 1.2: Контрагированный положительный столб разряда в неоне.молекулярные ионы диссоциируют из-за высокой температуры, и скорость рекомбинации в этой точке минимальна. Поскольку температура нейтральных атомовпадает по направлению к стенке плазменного объёма, скорость рекомбинациирастет. Таким образом, заряженные частицы гибнут на периферии столба и формируется узкий шнур вдоль оси разряда.
Однако, данное объяснение контракциитребовало слишком высоких значений температуры газа на оси (порядка 5000 К).Наиболее широко распространенная точка зрения на природу контракцииберет свое начало в теории ЛТР для описания термической (в т.ч. дуговой) плазмы.Она высказывалась во множестве оригинальных работ [151–155]. Основная идеязаключается в росте величины приведенного продольного электрического поля/ из-за высокой температуры газа и низкой плотности нейтральных атомов .Экспоненциальная зависимость скорости ионизации от приведенного электрического поля вызывает сжатие зоны ионизации к оси разряда.
Более того, уравнениетеплопроводности (или уравнение амбиполярной диффузии) сводится к нелинейному дифференциальному уравнению с температурой газа (или, соответственно,плотностью электронов) в экспоненте. Такое уравнение решалось аналитически ипозволяло описать зависимость радиуса шнура от разрядных условий. Недостатоктакого подхода заключался в отсутствии согласия с результатами эксперимента:контракция наблюдалась при слишком малых градиентах температуры газа. Также,модели термической плазмы не объясняли скачкообразных переходов.Альтернативная точка зрения на сжатие зоны ионизации была предложенав [156]. В данной работе анализировалось кинетическое уравнение с учетом упругих, неупругих, и межэлектронных столкновений.
Была разработана аналитическая теория, подобная диффузионной теории Шоттки, и затем обобщена на случайдиффузионно-рекомбинационной гибели заряженных частиц. В то же время, проводились детальные спектроскопические и зондовые эксперименты в контраги-23рованных разрядах [157]. В этих работах был сделан вывод, что во всех инертныхгазах, кроме гелия, основной причиной скачкообразной контракции являетсянелинейная зависимость скорости ионизации от плотности электронов вкупе срекомбинационной гибелью заряженных частиц.Cтоит отметить работу [158], в которой явление контракции изучалось с позиций нелинейной динамики, и был сделан вывод, что его можно рассматривать какфазовый переход первого рода.Более детально, природу контракции можно понять из следующих соображений, образующих сложившуюся современную картину явления.
В положительном столбе тлеющего разряда концентрации заряженных частиц и источниковионизации спадают по радиусу. При невысоких давлениях и токах ионизация пропорциональна плотности электронов, а гибель заряженных частиц происходит настенках разрядной трубки вследствие амбиполярной диффузии. В данном случаеформируются плавно спадающие радиальные профили (близкие к бесселевскому).С повышением давления и тока источники ионизации начинают стягиваться коси. Можно выделить две основные причины:1. Учет межэлектронных столкновений в кинетическом уравнении для функции распределения электронов по энергиям (ФРЭ) демонстрирует наличиеэкспоненциальных зависимостей числа актов ионизации не только от приведенного поля / , но и от степени ионизации / .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
