Диссертация (1150867), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

При высоких температурах стенок(большие концентрации молекул воды) увеличение катодного падения моглодостигать ~ 100 В.29o20 Co30 Co40 Co50 Co60 Co70 C11010090Uelectrodes, V80706050403020050010001500200025003000PAr, PaРис. 1.8. Катодное падение потенциала Uelectrodes кaк функция давления аргона PArпри различных температурах стенок разрядной трубки [11]. Разрядный ток i =0.3 A.Присутствие молекул воды в плазме способно также существенно увеличитьнапряженность продольного электрического тока Е. Этот эффект с точки зренияэффективной работы источника света может быть как положительным, так иотрицательным.

Увеличение напряженности поля может привести к росту среднейэнергии электронов и, таким образом, интенсифицировать процессы возбужденияатомов, что может привести к увеличению интенсивности излучения плазмы. Сдругой стороны, это дает увеличение рассеиваемой в плазме электрическоймощности, что может уменьшить световую отдачу. На следующем Рис.1.9приведены результаты измерения напряженности поля Ев положительном столберазряда в смеси паров воды с аргоном при варьировании давления аргона и30температуры стенок разрядной трубки.

В целом полученные зависимости весьмасходны с тем, что было получено для катодного падения потенциала. Однако, естьи различия. Зависимость Е от давления аргона также имеет минимум, которыйпроявляется сильнее при добавлении молекул воды. Наблюдаемый при низкихдавления аргона резкий спад напряженности поля с увеличением давления связанс уменьшением стеночных потерь; рост при увеличении давления аргона – суменьшение подвижности электронов из-за столкновений с молекулами воды.o20 Co30 Co40 Co50 Co60 Co70 C3025E, V/cm20151050050010001500200025003000PAr, PaРис. 1.9.

Напряженность продольного электрического поля Е как функциядавления аргона PAr при варьировании температуры стенок разрядной трубки[11]. Разрядный ток i = 0.3 A.Динамический диапазон изменения Е оказывается существенно большим, чемдля катодного падения потенциала: при изменении температуры стенок от 20 оС до70оС напряженность поля растет больше, чем на порядок, в то время как длякатодного падения потенциала изменение составляет 2-5 раз. При оптимальных для31генерации УФ-излучения гидроксила условиях рост напряженности поля являетсявполне приемлемым.

По всей видимости, это связано с тем, что в разряде при этихусловиях ионизация атомов аргона по-прежнему является главным процессомрождения заряженных частиц. Заметим также, что при 20оС, когда эффект отдобавления молекул воды несущественен, напряженность поля близка к известнымзначениям [44, 45], что повышает достоверность полученных данных.Большое внимание в работах [10, 11] было уделено вопросу о времени жизниразрядных источников света, создаваемых с использованием смеси инертного газаи паров воды. Во-первых, как уже отмечалось, пары воды могут губительно влиятьна оксид электродов.

Дополнительный прогрев электродов внешним током, какпоказали исследования, устранял эту проблему. Более того, прогрев был необходимтолько при включении (для облегчения зажигания) и выключении разряда, чтобыдать возможность молекулам воды быть поглощенными люминофором, а неоксидом электродов. В процессе работы нагрев электродов собственным токомлампы был достаточен, чтобы препятствовать реакциям взаимодействия оксида смолекулами воды, и его можно было выключить.Во-вторых, в разряде с парами воды должен существовать процессвосстановления молекул воды после их диссоциации в условиях плазмы.

Впротивном случае, как показывают оценки, за весьма малое время (<<1 c) всемолекулы воды, насыщающие люминофор, были бы диссоциированы. Вэксперименте разряд с парами воды стабильно горел сотни часов. Более того,специально изготовленная отпаянная от вакуумной установки лампа, наполненнаясмесью аргона с парами воды при оптимальных условиях, работала в течение болеемесяцабезсущественногоизмененияхарактеристик[10].Процессомвосстановления молекул воды могла бы быть объемная рекомбинация. Однако,объемная рекомбинация молекул гидроксила и атомарного водорода в тройныхстолкновениях при оптимальных условиях генерации УФ-излучения ОН 306.4 нммаловероятна в силу сравнительно низких давлений.

Более вероятным на нашвзгляд является процесс рекомбинации на стенках разрядной трубки. В силубольшого дипольного момента молекул гидроксила [46] весьма возможно их32«прилипание» к стенкам разрядной трубки. Атомарный водород также может бытьлегко адсорбирован стенками трубки (возможна и абсорбция водорода).НаРис.1.10приведенатоковаязависимостьинтенсивностисвечениялюминофора, которая пропорциональна интенсивности УФ-излучения молекулОН. Эта зависимость чрезвычайно интересна, потому что она, как оказывается,позволяет выявить вклад различных процессов в рождение возбужденных молекулгидроксила.

При низкой температуре стенок (20оС и 30оС) интенсивностьизлучения люминофора слабо зависит от тока, что связано с тем, что в этихусловиях влияние паров воды мало и свойства плазмы близки к свойствам плазмыв разряде в чистом аргоне.400350300oT=20 CoT=30 CoT=40 CoT=50 CoT=60 CoT=70 CI, rel.un.250200150100500050100150200250300350400450500i,mAРис.

1.10. Световое излучение (Ar + H2O)-разряда как функция электрическоготока i при варьировании температуры стенок [11]. PAr = 133 Па.33В этих условиях резонансное излучение атомов аргона «заперто», и основнойвклад в излучение дают переходы с более высоколежащих уровней, которыевозбуждаются ступенчато главным образом из метастабильных состояний атомоваргона. Метастабильные атомы аргона в рассматриваемых условиях рождаются врезультате электронного удара и разрушаются также при столкновениях сэлектронами(«перемешивание» метастабильных состоянийсизлучающимирезонансными состояниями) [44, 45].

Как результат, концентрация метастабильныхатомов слабо зависит от концентрации электронов, т.е. от электрического тока.Увеличение тока приводит к росту интенсивности излучения люминофора ивозникновению практически линейной зависимости интенсивности Iот тока i.Линейная зависимость означает, что процессы возбуждения молекул гидроксилапропорциональны концентрации электроновne в первой степени. Этот фактпозволил проанализировать наиболее вероятные реакции рождения и возбужденияОН и выбрать те, которые действительно пропорциональны ne. Можно выделитьчетыре основных процесса [10]:1) тушение возбужденного атома аргона (в основном метастабильного) молекулойводы:Ar* + H2O → OH(A2+) + H + Ar(1.1)(появляющаяся молекула гидроксила может быть и в основном состоянииX2П; снашей точки зрения это менее вероятно в силе большой доли кинетическойэнергии (~ 5 эВ), которая должна быть при этом передана молекуле гидроксилаили атому водорода);2) электронное возбуждение молекулы OH, появившейся за счет приведенноговыше процесса после ее высвечивания:OH(A2+) → OH(X2П) + h,3) диссоциациямолекулыOH(X2П) + e → OH(A2+) + e;водыэлектроннымударом(1.2)содновременнымвозбуждением молекулы OH:H2O + e → OH(A2+) + H + e;OH(X2П) + e → OH(A2+) + e;OH(A2+) → OH(X2П) + h,(1.3)344) двухступенчатыйпроцесс, состоящий из разрушенияэлектронным ударом и последующего возбуждениямолекулыводыOH(X2П) такжеэлектронным ударом:H2O + e → OH(X2П) + H + e,OH(X2П) + e → OH(A2+) + e.(1.4)Легко видеть, что первый (1.1) и второй (1.2) процессы дают сумму двух членов,первый из которых является константой, а второй пропорционален концентрацииэлектронов.Суммарнаязависимостьбудетлинейнойпоотношениюкэлектрическому току.

Третий процесс (1.3) сложнее для интерпретации.Фактически его можно рассматривать состоящим из двух процессов –диссоциативного возбуждения ОН(A2+)(первые две реакции в (1.3); линейнаязависимость от nе) и последующего возбуждения электронами молекул ОН восновном состоянии X2П, возникающих после радиационного разрушения (третьяреакция в (1.3); квадратичная зависимость от nе). Суммарная зависимость данногопроцесса от концентрации электронов nе будет суммой линейного и квадратичногослагаемых: ~ (ne+ne2), где  и  - константы.

Четвертый процесс (1.4) долженбыть, очевидно, пропорционален ne2. Таким образом, процессы (1.3) и (1.4) даютболее сложную, чем линейная, зависимость излучения ОН от разрядного тока и неудовлетворяют экспериментальным данным, поэтому можно сделать вывод о том,что в исследованных условиях эти два процесса не играют заметной роли впроцессе рождения и возбуждения молекул гидроксила.Рис.1.10 позволяет также разделить вклад в рождение возбужденных молекулгидроксила первого процесса (1.1) – тушения возбужденного атома аргонамолекулой воды, и второго процесса (1.2) – электронного возбуждения молекулыOH, появившейся за счет процесса (1.1) после ее высвечивания. Очевидно, чтоаппроксимация токовой зависимости к нулевому току (пунктир на Рис.1.10) даетвклад первой реакции, которая не зависит от концентрации электронов (разрядноготока).

С ростом тока растет вклад второй реакции, которая при 400-500 мАстановится определяющей.351.3. Моделирование разряда в смеси аргона с парами водыВ основе моделирования разрядной плазмы в смеси инертного газа с парамиводы, наряду с выясненными процессами рождения и возбуждения молекулгидроксила, лежали следующие соображения [11]:- оптимальное давление паров воды, которое может обеспечить измереннуюэкспериментально интенсивность полосы ОН 306.4 nm, составляет (1-2) Ра(температура стенок разрядной трубки T  (30-40) oC);- в условиях разрядной плазмы главным процессом появления молекулгидроксила являются тушащие столкновения молекул воды с возбужденными(главным образом, метастабильными) атомами инертного газа: Rg* +H2O→OH(A2+) + H + Rg, причем этот процесс, как показывают оценки, являетсяглавным для гибели метастабильных атомов инертного газа при давлении паровводы PH2O> 0.1 Pa;- излучение гидроксила 306.4 nm создается столкновениями электронов смолекулами гидроксила, рожденными в вышеупомянутой реакции (это означает,что электронное разрушение молекул воды отсутствует);- подвижность электронов, так же как и в разряде в чистом инертном газе,определяется упругими столкновениями с атомами инертного газа;- потери энергии электронами определяются неупругими столкновениями смолекулами воды;- основными ионами в рассматриваемой плазме являются по-прежнему ионыинертного газа;- в рассматриваемой плазме отсутствуют комплексы, создаваемые с участиеммолекул воды, гидроксила и других частиц.Используя уравнение баланса энергии электронов, тока разряда и балансачисла метастабильных атомов были получены функциональные зависимостинапряженностиэлектрическогополя,концентрацийэлектроновиметастабильных атомов от внешних параметров – концентраций атомовинертного газа Noи молекул водыNH2O, радиуса разрядной трубки R и величинытока i:36ECE (NoNH2O)1/2 , neCn (No/NH2O)1/2 iR–2 , NmCm (ZmiNoR2)–1 .(1.5)Здесь Zmi есть скорость ступенчатой ионизации атома инертного газа изметастабильного состояния (главным образом, 3Р2), коэффициентыCE, Cn и Cmмогут рассматриваться как константы, поскольку являются весьма слабымифункциями средней энергии (температуры) электронов по сравнению стемпературной зависимостью реакций, имеющих энергетический порог(например, Zmi).Уравнения для атомных и молекулярных компонентов плазмы должныучитывать процессы возбуждения атомов аргона электронами, тушенияэлектронами и молекулами воды, диффузионные потери молекул гидроксила иатомов водорода (простые оценки показывают, что это основной процесс ихпотерь в плазме), возбуждение молекул ОН электронами и их излучательноеразрушения [11].

Эти уравнения можно записать следующим образом:Nm/t = NoneZom – NmneZmr−NmNH2OZqu ,NOH/t = NmNH2OZOHqu+N*OHA*OH– NOHneZ*OH – NOH/OH,N*OH/t = NmNH2OZ*qu + NOHneZ*OH – N*OHA*OH,NH/t = NmNH2OZHqu – NH/H .(1.6)Здесь Nm, NH2O, NOH, N*OH, и NHесть концентрации метастабильных атомов аргона,воды, молекул гидроксила в основном и возбужденном состоянии A2+, и атомовводорода соответственно. Кроме того,Zom−скоростьвозбужденияатомааргонаэлектроном(споявлениемметастабильного атома),Zmr, − скорость тушения метастабильного аргона электронным ударом (в основномчерез резонансное состояния с последующим высвечиванием),Z*OH−скорость возбуждения молекулы OH электронным ударом,Zqu– скорость тушения метастабильного атома аргона молекулой воды,37ZOHqu,− скорость тушения метастабильного атома аргона молекулой воды с еедальнейшей диссоциацией на H и OH(X2П),Z*qu− скорость тушения метастабильного аргона молекулой воды с ее дальнейшейдиссоциацией на H и OH(A2+) (т.е.

Характеристики

Список файлов диссертации