ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 2, с. 211-214
СПЕКТРОСКОПИЯ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
УДК 537.52
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА С КОМПОЗИТНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
© 2015 г. Г. Э. Ласлов, М. П. Чучман, А. К. Шуаибов
Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина
E-mail: lgeza@ukr.net
Поступила в редакцию 24.03.2014 г. В окончательной редакции 07.07.2014 г.
Исследованы спектры излучения наносекундного разряда в воздухе атмосферного давления между электродами на основе соединения CuInSe2 при разных расстояниях между электродами. Разряд зажигался между двумя цилиндрическими электродами с малым радиусом закругления рабочей поверхности. По распределению интенсивности излучения спектральных линий атома меди определена средняя за импульс температура электронов при разных межэлектродных расстояниях.
DOI: 10.7868/S0030403415020117
ВВЕДЕНИЕ
Результаты исследования характеристик и параметров искрового наносекундного разряда находят все большее применение при синтезе нано-частиц в плазме воздуха атмосферного давления. Основными параметрами, которые непосредственно влияют на размеры наночастиц и скорость распыления материала электрода, являются электронная температура и концентрация электронов [1—3]. Поэтому для оптимизации условий синтеза наночастиц необходимо контролировать вышеуказанные параметры плазмы.
В настоящей работе приводятся результаты исследования эмиссионных характеристик и параметров наносекундного разряда с электродами на базе поликристаллического соединения Си1п8е2, перспективного для синтеза халькопиритных наноструктур.
МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для применения спектроскопической методики определения температуры электронов в плазме газового разряда по распределению заселенностей энергетических уровней возбужденных атомов необходимо наличие локального термодинамического равновесия. Время установления равновесного распределения в подобных разрядах атмосферного давления не превышает 1 пс [4], что значительно меньше длительности импульсов напряжения и тока. В этом случае возможно определение температуры электронов с использованием следующего соотношения [5]:
кте = (Е - ЯО/ВДАg2^l/ЬА81*.2), (1)
где к — постоянная Больцмана, Е1, Е2 — энергии уровней атома, /1, 12 и Х1, Х2 — интенсивности и длины волн спектральных линий, А1, А2 и 81, 82 — вероятности спонтанных переходов и статистические веса уровней.
Значение электронной концентрации в плазме искрового разряда определено [6] согласно следующей формуле (выражает нижний предел концентрации электронов, при котором плазма будет в пределах 10% от локального термодинамического равновесия):
пе > 1.2 х 1012Т1/2АЕ3, (2)
где Т — электронная температура в кельвинах, ДЕ — энергия перехода в электронвольтах, соответствующая самой короткой длине волны, которая была использована для определения электронной температуры.
Для исследования эмиссионных характеристик плазмы наносекундного разряда в воздухе с электродами на базе поликристалла Си1п8е2 использовалась экспериментальная установка, которая состояла из разрядной камеры (нержавеющая сталь) с двумя кварцевыми окнами, системы электродов, которая устанавливалась на ди-электричском (винипласт) фланце, источник импульсов высокого напряжения длительностью 10—20 нс и максимальной амплитудой импульса тока до 100—150 А. Высоковольтный модулятор позволял получать импульсы напряжения с частотой следования в диапазоне 10—100 Гц. Система регистрации излучения разряда на основе мо-нохроматоров МДР-2 и ДФС-12 включала фотоумножитель ФЭУ-106, усилитель постоянного
212
ЛАСЛОВ и др.
тока и электронный потенциометр. Излучение плазмы анализировалось в спектральных областях 200—630 и 360—650 нм. Система регистрации излучения калибровалась по излучению дейтери-евой лампы в спектральном диапазоне 200— 400 нм и банд-лампы в диапазоне 400—630 нм, что позволяло измерять относительные интенсивности спектральных линий и молекулярных полос. Отождествление спектральных линий проводилось при помощи справочников [6—8]. Давление воздуха в камере составляло 1 атм. Исследование излучения разряда проводилось в разрядной области между электродами на базе поликристалла СШп8е2 при расстояниях между ними d = 3 и 4 мм.
ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ
Усредненные по времени спектры излучения наносекундного разряда в воздухе атмосферного давления между электродами на базе поликристалла Си1п8е2 включали следующие спектральные линии атомов меди и индия: 324.7, 327.4, 400.3, 407.3, 427.5, 464.3, 510.6, 515.3, 521.8, 570.0, 573.2, 578.2 нм Си I и 283.7, 293.3, 303.9, 325.6, 410.2, 451.1 нм 1п I. Спектральные линии атомов или ионов атомарного селена не обнаружены. В таблице 1 приведены длины волн спектральных линий излучения плазмы искрового разряда при расстоянии между электродами 3 мм, энергии и обозначение верхних уровней.
Усредненный по времени спектр излучения плазмы при межэлектродном расстоянии 4 мм представлен на рис. 1 без учета коэффициента чувствительности регистрирующей аппаратуры.
Кроме спектральных линий материала электродов регистрировали интенсивную спектральную линию атомарного иона азота 500.5 нм N II. Эта линия наблюдалась в наносекундных разрядах в воздухе атмосферного давления в течение первых 50—150 нс, а затем исчезала в результате процессов электрон-ионной рекомбинации. В результате таких процессов в спектрах излучения плазмы на поздних стадиях разряда появляются отдельные интенсивные спектральные линии атома азота в видимой области спектра. Также наблюдали слабые полосы излучения второй положительной системы молекулы азота и '-системы радикала N0.
Интенсивных спектральных линий ионов меди, которые возможно было надежно идентифицировать, в спектре излучения не наблюдали. Вероятно, однозарядные ионы меди образуются в основном состоянии и вступают в реакцию ди-электронной рекомбинации с электронами. В результате чего образуются возбужденные атомы меди, которые распадаются с излучением спектральных линий в видимом и УФ диапазонах длин волн. Как подтверждение этой гипотезы
Таблица 1. Эмиссионный спектр искрового разряда с поликристаллическими электродами
X, нм Атом (ион) I, отн. ед. ^верх, эВ Термах
324.7 Си I 1.82 3.82 4р 2Р1.5
327.4 Си I 1.29 3.79 4Р 2РС.5
400.3 Си I 1.34 8.79 s4d 2Р15
407.3 Си I 0.7 8.02 2А.5
427.5 Си I 0.38 7.74 4£3.5
464.3 Си I 0.68 8.09
510.6 Си I 0.36 3.82 4Р 2Р1.5
515.3 Си I 0.3 6.19 4d 2£>15
521.8 Си I 0.4 6.19 4d 2А.5
570.0 Си I 1.34 3.82 4р 2Р1.5
573.2 Си I 0.43 7.73
283.7 Ш I 0.16 4.64 •5р2 4Р2.5
293.3 Ш I 0.37 4.5 5s27s 2£0.5
303.9 Ш I 0.76 4.07 55 5d 2£>15
325.6 Ш I 1.28 4.081 555d2Б25
410.2 Ш I 1.21 3.02 55265 2£0.5
451.1 Ш I 1.7 3.02 55265 2£0.5
500.5 N II 2.19 23.14 2s22p3d 3F4
возможно привести тот факт, что интенсивность излучения на переходах из электронного состояния с энергией 8.79 эВ находится на том же уров-
400
500
600 X, нм
Рис. 1. Эмиссионный спектр плазмы искрового наносекундного разряда с электродами на основе композитного соединения Си1пВе2.
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА
213
Таблица 2. Атомные константы, которые использовались для построения распределения заселенности возбужденных состояний частиц по энергиям
X, нм отн. ед. отн. ед. A х 108, с-1 g ТермВерх E эВ ^ниж' J±J Еверх, эВ
510.5 0.36 1.03 0.019 4 4p 2P1.5 1.39 3.82
515.3 0.3 0.94 0.6 4 4d 2D15 3.79 6.191
521.8 0.43 0.97 0.75 6 4d 2D2.5 3.81 6.192
578.2 0.3 0.42 0.019 2 4P 2P0.5 1.64 3.79
не, что и для переходов из нижних энергетических состояний.
Электронная температура в разряде опереде-лялась по формуле (1) с использованием констант, приведенных в табл. 2, при разных расстояниях между электродами. Зависимость заселенности возбужденных атомов меди и индия от энергии их верхнего энергетического уровня при межэлектродном расстоянии 3 мм представлена на рис. 2. Из нее следует, что электронная температура в плазме составляет примерно 0.59 и 0.6 эВ. Аналогичным методом определена электронная температура плазмы наносекундного разряда при межэлектродном расстоянии 4 мм. Так, согласно данным рис. 3, электронная температура составляет 0.63 эВ.
Концентрация электронов определялась по формуле (2). Электронная концентрация (опре-
делена из заселенностей возбужденных атомов меди) в плазме искрового разряда при расстоянии 3 мм между электродами составляет 1.9 х 1015 см-3. Аналогичным образом определена концентрация электронов на основе возбужденных состояний атомов индия, которая составляет 1016 см-3.
Таким образом, распыление композитных электродов в наносекундном искровом разряде в воздухе атмосферного давления показало, что спектр излучения плазмы определяется в основном спектральными линиями атомов меди и индия, средняя температура электронов в активной фазе разряда составляет ~0.59 эВ при плотности электронов на уровне 1.9 х 1015 см-3. При длительной работе реактора (более 4-5 ч) наблюдалось выпадение на дно камеры мелкодисперсного осадка черного цвета, который вероятно состоит из набора халькогенидных наночастиц.
ln(N/g) [отн. ед.]
6
E, эВ
Рис. 2. Распределение заселенности возбужденных состояний атома меди (1) и индия (2) при расстоянии между электродами 3 мм. Те(Си) = 0.59 эВ, Те(1п) = = 0.6 эВ.
ln(N/g) [отн. ед.] 10- т
2 3 4 5 6
Е, эВ
Рис. 3. Распределение заселенности возбужденных состояний атома меди при расстоянии между электродами 4 мм. Те(Си) = 0.63 эВ.
8
6
8
4
6
2
4
214
ЛАСЛОВ и др.
Это исследование было поддержано Европейским Союзом и Венгрией, софинансировано Европейским социальным фондом в рамках TAMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 "National Excel-ence Program".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Burakov V.S., Nevar E.A., Nedel'ko M.I., Savastenko N.A., Tarasenko N.V// J. Appl. Spectr. 2009. V. 76. № 6. P. 856-863.
2. Diwakar P.K., Kulkarni P. // J. Analyt. At. Spectrom. 2012. V. 27. P. 1101-1109.
3. Xia Fen Li, Wein-Dong Zu, Zhi-Feng Cui // Front. Phys. 2012. V. 7. P. 721-727.
4. Бабич Л.П., Лойко Т.В., Цукерман В.А. // УФН. 1990. Т. 160. Вып. 7. С. 49-81.
5. Методы исследования плазмы / Под ред. Лохт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.