научная статья по теме АРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА С КОМПОЗИТНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ Физика

Текст научной статьи на тему «АРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА С КОМПОЗИТНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ»

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.

Показать целиком