Автореферат (1150865), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Прежде всего, обращает на себявнимание временной ход всех трех характеристик. При 30оС форма разрядноготока в импульсе близка к прямоугольной, напряжение на электродах инапряженность поля имеют максимум в начале импульса и затем релаксируют кзначению в разряде постоянного тока с характерным временем порядка 40-50мкс.
Напряжение на трубке к концу импульса (~ 40 В) также становитсяпрактически равным напряжению разряда постоянного тока к концу импульса(~ 40 В [6]). При 60оС в начале импульса ток начинает расти от значения ~130мА, его рост наблюдается в течение 20-25 мкс, достигает слабого максимума изатем медленно уменьшается к концу импульса. Полученные временарелаксации плазменных характеристик при 60оС примерно вдвое меньше (~1520 мкс), чем в разряде в чисто аргоне (40-50 мкс при 30оС).
Наконец, в началеимпульса тока при 60оС напряженность электрического поля примерно в 4 раза(7-8 В/см в пике и 2 В/см в конце импульса) больше значения в разрядепостоянного тока при данной температуре, в то время как при 30оС ростсоставляет примерно 2 раза (2 В/см и 1 В/см соответственно). Это же относитсяи к напряжению на электродах трубки: при 60оС наблюдается рост примерно в3 раза, при 30оС – примерно в 1.5 раза.Заметно меньшая величина тока и более сильный рост напряженностиэлектрического поля в начале импульса могут быть связаны с уменьшениемпроводимости плазмы, т.е. с уменьшением числа свободных электронов.
За счетгибели в результате амбиполярной диффузии их концентрация уменьшается19примерно вдвое (см. Рис. 5 для 30оС), что видно из примерно двукратногоувеличения напряженности поля в начале импульса и величины тока,практически равного току в конце импульса. При 60оС потери электронов засчет диффузии должны быть примерно теми же, что и при 30 оС, посколькуподвижность электронов в обоих случаях определяется столкновениямиэлектронов с атомами аргона.
Однако, низкое значение тока в начале импульсаи значительный рост напряженности электрического поля свидетельствуют озаметно более сильном уменьшении проводимости: полученные данныепозволяют оценить это уменьшение в 7-8 раз. Наиболее вероятной причинойнаблюдаемого явления, с нашей точки зрения, является образованиеотрицательных ионов в послесвечении разряда при уменьшении среднейэнергии электронов. В нашем случае отрицательные ионы могут быть разногорода, и наиболее вероятные из них – это H–, OH–, H2O–. В принципе, возможнообразование и более сложных отрицательно заряженных комплексов на основеэтих ионов.К сожалению, возможное образование отрицательных ионов впослесвечении разряда и связанное с этим уменьшение подвижностиэлектронов (увеличение рассеиваемой в плазме электрической мощности)привело, по нашему мнению, к отрицательному результату увеличениясветовой отдачи в исследованном диапазоне разрядных условий и параметровимпульсной модуляции.
Это подтверждается Рис. 7, на котором приведенасветовая отдача η импульсно-периодического разряда по отношению ксветоотдаче разряда постоянного тока при варьировании температуры стенок иотношения длительности импульса pulse к периоду повторения импульсов Т –pulse/T. Частота повторений импульсов составляла 5 КГц, давление аргона – 1.0Тор.Из рисунка видно, что увеличение скважности (уменьшение отношенияpulse/T) действительно увеличивает эффективность разряда как целого. Принизкой температуре стенок это увеличение заметнее (более, чем в два раза), при40оС рост составляет примерно 1.5 раза, при 60оС роста почти нет.
При низкойтемпературе стенок результат достаточно очевиден, поскольку разрядпрактически протекает в чистом аргоне и в импульсе тока напряженностьэлектрического поля заметно превосходит напряженность поля в разрядепостоянного тока. Увеличение температуры стенок приводит к появлениюотрицательных ионов и уменьшению роста эффективности.Увеличение частоты повторения импульсов и изменение других условийсоздания разряда (увеличение давления аргона до 6 Тор) не меняют сделанныхвыводов.Газовый разряд с различными молекулярными добавками представляетбольшой интерес не только в связи с источниками оптического излучения(источниками света), но и в связи с другими возможными практическимиприменениями – газовыми лазерами, плазмотронами, устройствами дляплазменных технологий и т.п. В основе практических приложениймолекулярной плазмы лежит богатство плазмохимических процессов,20характерных для такой плазмы.
Например, как уже было показано, разряднаяплазма в смеси инертных газов с парами воды, в которой одним из главныхпроцессов, определяющих свойства плазмы, является тушение молекул водывозбужденными атомами аргона с образованием возбужденных молекулгидроксила, перспективна для создания экологически безопасных источниковоптического излучения (света).
Этот же процесс может быть причинойвозникновения инверсной заселенности возбужденных состояний молекулыгидроксила A2Σ+.1.81.6ot=20 C (Wac)ot=30 C (Wac)ot=30 C (W12ot=40 C (Wac)ot=40 C (W12)ot=60 C (Wac)ot=60 C (W12)1.4 rel.un.1.21.00.80.60.40.20.00.20.40.60.81.0pulse/TРис. 7. Относительная эффективность разряда как целого (эти данныеобозначены сплошной линией и отмечены как Wac) и эффективностьположительного столба (W12) (пунктир) импульсно-периодического разряда всмеси паров воды и аргона в зависимости от отношения pulse/T при разныхтемпературах стенок разрядной трубки.
Частота повторения импульсов 5КГц, давление аргона 1 Тор.Построенная модель данного разряда позволила определить отношениеконцентрации возбужденных молекул гидроксила N*OH к концентрациимолекул в основном состоянии NOH:N*OH/NOH = Z*qu[(ZOHqu + Z*qu)(A*OH OH)]–1 + neZ*OH/A*OH .(16)Первое слагаемое в (16) связано с процессами тушения возбужденныхатомов аргона молекулами воды, второе отвечает за возбуждение молекулгидроксила электронами.21Оценка отношения N*OH/NOH показывает, что в исследованных разрядныхусловиях оно вряд ли может быть больше единицы.
В первом слагаемом вправой части (1) определяющим является произведение A*OHOH, стоящее взнаменателе. Эффективная вероятность A*OH радиационного разрушениявозбужденной молекулы OH(A2Σ+) равна ~106 с–1, что дает эффективное времяжизни возбужденного состояния ~10–6 с, в то время как характерное времядиффузии молекул ОН к стенкам, как показывают оценки, на два-три порядкабольше. Результатом этого является то, что первое слагаемое в (1) висследованных условиях << 1. Второе слагаемое neZ*OH/A*OH, как показываютоценки с использованием сечения возбуждения молекулы ОН в состояние A2Σ+и известных концентраций электронов в сходных условиях, также многоменьше единицы.
Следовательно, получение инверсной заселенности всеговозбужденного состояния A2Σ+ по отношению к основному состоянию за счеттушения возбужденных (в основном метастабильных) атомов аргонамолекулами воды маловероятно.Имеется еще одна возможность получения инверсии за счетнеравновесности распределения заселенностей по колебательно-вращательнымуровням молекулы ОН внутри состояния A2Σ+. Во-первых, рождениевозбужденных состояний молекулы ОН в процессах тушения может даватьселективное заселение определенных уровней вращательной структурысостояния A2Σ+ и создавать неравновесное распределение заселенностей [10].Во-вторых, сами уровни вращательной структуры состояния A2Σ+ имеютразные, сильно отличающиеся, времена жизни по отношению к переходу 0→0из электронно-колебательно-вращательного состояния A2Σ+ в состояние X2П[11], и более быстрое разрушение нижних уровней состояния A2Σ+ можетсоздать инверсию.
Далее, при низком давлении газа, реализованном в данномэксперименте, скорость V-T релаксации ниже, чем скорость селективнойнакачки верхних возбужденных уровней молекулы гидроксила возбужденнымиатомами аргона, что также может обеспечить возникновение частичнойинверсии.В Заключении кратко изложены основные полученные результаты.1.
На основе анализа результатов работ по исследованию плазмы разряда всмеси паров воды с инертными газами, и прежде всего моделирования такойплазмы, определены три возможных пути повышения эффективностигенерации излучения гидроксила 306.4 нм: 1) добавление более легкогоинертного газа, 2) использование катализатора, ускоряющего разложениемолекул воды на молекулу гидроксила и атомарный водород, 3) импульснопериодический способ питания разряда.2. Рассмотрена возможность увеличения эффективности генерации УФизлучения гидроксила за счет добавки к смеси паров воды с аргоном болеелегкого инертного газа – гелия и/или неона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
