ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 2, с. 168-179
ДИАГНОСТИКА ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ
УДК 533.9
ДОЛГОЖИВУЩАЯ Ar-Hg-ПЛАЗМА В ПОСЛЕСВЕЧЕНИИ ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА С БОЛЬШИМ ТОКОМ
© 2013 г. К. Ф. Сергейчев, Н. А. Лукина, А. А. Фесенко
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия e-mail: kserg@fpl.gpi.ru Поступила в редакцию 24.02.2012 г. Окончательный вариант получен 15.05.2012 г.
Методами оптической спектроскопии и радиофизики показано, что время жизни аргон-ртутной плазмы высокой концентрации n > 1012 см-3, созданной коротким t ~ 20 мкс мощным импульсным разрядом с током ~50 А в аргоне (при давлении ~4 мм рт. ст.) с примесью паров ртути (при давлении ~10-3 мм рт. ст.) после окончания импульса разряда имеет продолжительность до 10-2 с. Показано, что аномально долгое существование плазмы послесвечения по сравнению с разрядом в аргоне (без ртути) связано с длительным пребыванием атомов и ионов как аргона, так и ртути в высоких возбужденных состояниях, которое объясняется протекающими в ней хемоионизационными процессами с участием долгоживущих метастабильных атомов аргона. Высказано предположение об активной роли диссоциативной рекомбинации высоко возбужденных молекулярных ионов аргона в передаче возбуждений атомам и ионам аргона, близких к автоионизационным состояниям.
DOI: 10.7868/S0367292112120050
1. ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] показано, что время жизни аргон-ртутной плазмы в послесвечении, созданной в компактной люминесцентной лампе коротким мощным импульсным разрядом, оказывается значительно более продолжительным (>1 мс), чем в разряде с аргоном (~50 мкс) при равных условиях, а также, что долгоживущая бестоковая плазма в диэлектрической трубке с концентрацией электронов ne > 1012 см-3, может использоваться в роли волновода поверхностной волны с низкими шумами для приема и передачи слабых электромагнитных сигналов сантиметрового диапазона [2, 3]. Указанное многократное возрастание продолжительности жизни плазмы в люминесцентной лампе по сравнению с разрядом в аргоне в [1] было отнесено за счет процессов хемоионизации атомов ртути долгоживущими метастабильными атомами аргона [4].
Свойства долгоживущих состояний возбужденных атомов и молекул используются не только в источниках света, но и во многих приложениях, например, в газовых лазерах, приборах спектро-химического анализа, плазмохимических реакторах. Большое место в литературе занимают измерения и вычисления сечений и коэффициентов неупругого взаимодействия, в котором возбужденные состояния принимают участие.
Цель данной работы — на основе спектральных измерений оптической эмиссии разряда изучить особенности рекомбинационного режима Ar—Hg плазмы, сопровождающегося процессами возбуждения и ионизации, которые протекают в
плазме после окончания импульсного разряда, и понять роль малой примеси ртути в реализации наблюдаемого эффекта. При этом было важно сопоставить продолжительность свечения радиационных переходов с возбужденных уровней атомного и ионного спектра аргона и ртути с общей продолжительностью существования плазмы, которую можно независимо определить радиочастотным методом по отражению радиоволн от решетки из идентичных ламп, питаемых импульсным разрядом.
Процессы, протекающие в рекомбинирующей низкотемпературной плазме инертных газов рассмотрены, в частности, в обзоре [5], в котором особое внимание уделено диссоциативной рекомбинации (ДР) молекулярных ионов, образующихся в результате трехчастичной конверсии атомарных ионов с невозбужденными атомами, и значению ДР в селективном заселении атомных уровней. Рекомбинирующая плазма успешно использовалась в создании импульсных ионных лазеров [6], в которых наряду с рекомбинационны-ми процессами существенную роль в заселении инверсных уровней ионных лазерных переходов играли перезарядка, реакция Пеннинга, резонансная передача возбуждения [7].
Электрический разряд в люминесцентной лампе, наполненной аргоном при давлении 3—6 Тор и
парами ртути при давлении ~ (1 -10) х 10 Тор представляет собой тлеющий разряд, который с повышением тока переходит в дуговой режим. В спектре разряда доминирует ультрафиолетовое излучение, связанное с резонансными радиа-
ционными переходами ртути с длинами волн 184.9 и 253.7 нм, которое в балансе энергии лампы достигает ~80% [8, 9]. Излучение разряда преобразуется полупрозрачным слоем люминофора в излучение видимой области спектра.
Импульсный разряд с большим током через лампу должен приводить к двум типам неравновесности в заселенности электронно-возбужденных атомов и их ионов [6, 10]: ионизационной неравновесности (ИН) во время протекания тока разряда и рекомбинационной неравновесности (РН) после его окончания.
При ИН электроны сильно перегреты по отношению к газу и ионам, их температура Те велика, а степень ионизации плазмы не достигает равновесного значения для данной электронной температуры. Ионизация плазмы при протекании тока продолжает нарастать до перехода в стационарный режим (плато), когда устанавливается баланс между рождением и потерями частиц. ИН обычно используется в газовых лазерах, работающих на переднем фронте импульса или в непрерывном режиме. "Здесь преимущественный поток электронов по возбужденным состояниям направлен снизу вверх по уровням энергии, и, таким образом, усиление света наблюдается в процессе ионизации газа" [6].
РН наступает после окончания импульса тока разряда и охлаждения электронов. Рекомбинаци-онное завершение разряда сопровождается продолжительной оптической эмиссией радиационных переходов возбужденных атомов, которая может даже усиливаться по отношению к излучению плазмы в ионизационном режиме. Рекомби-национное излучение после обрыва импульса тока часто называют послесвечением разряда.
После выключения поля, поддерживающего плазму, основная масса электронного газа быстро, за несколько десятков микросекунд, остывает за счет неупругих соударений, распределение электронов по энергии становится максвеллов-ским со средней температурой ~0.1 эВ, затем темп охлаждения электронов замедляется при соударениях с тяжелыми компонентами газоразрядной плазмы, которые в разряде почти не нагреваются по сравнению с электронами и, спустя время <1 мс, температура электронов сравнивается с газовой температурой [11]. Однако в распадающейся низкотемпературной плазме инертных газов в результате протекания процессов с участием возбужденных атомов А*
Л* + Л* ^ Л + + Л + е(ер), Л* + Л* ^ Л + + е(ер), Л* + В ^ Л + В+ + е(ер), Л* + е ^ Л + е(е1)
на функции распределения тепловых электронов по энергиям появляются "хвосты" быстрых электронов [12]. Здесь Л и В — разные взаимодействующие атомы, б р — энергия, приобретенная быстрыми электронами в пеннинговской или ассоциативной ионизации и б1 — энергия, приобретенная в сверхупругих столкновениях. Концентрация быстрых электронов по порядку величины меньше, чем концентрация основной массы электронов. В [12] исследованы реакции хемоионизации ртутных атомов в основном состоянии возбужденными атомами неона и аргона. Ионизация при столкновениях №(3Р2) + Ы§(^0) и Лг(3Р210) + Ы§(^0) изучалась как зондовым методом, так и по изменению плотности возбужденных атомов в плазме послесвечения, определены сечения и коэффициенты ионизации. Наличие нескольких максимумов в "хвосте" функции распределения электронов в диапазоне энергий от 5 до 7 эВ при ионизации ртути метастабильными атомами №* обязано процессам передачи энергии электронам, таким как сверхупругое столкновение электрона с Ыб(3Р2), пеннинговская ионизация и, наконец, ассоциативная ионизация вида
М(3Р2) + Ыб(^) ^ МеЫБ+ + е(бр). В случае аргон-ртутной плазмы электроны получают сравнительно малую добавку энергии из-за небольшой разницы между уровнями энергии метаста-бильных состояний Лг (3Р20) и потенциалом ионизации ртути 1Ы%. В общей массе тепловых электронов такие электроны малозаметны.
В процессах рекомбинации плазмы преимущественный поток возбуждения электронных состояний атомов переходит с верхних на нижние уровни энергии, что отличает режим рекомбинации от процессов заселения уровней атомов в разряде [6, 10].
Усиливающееся свечение после импульса тока во многих статьях часто приписывали электрон-ионной рекомбинации, что не подтверждалось количественно в численных экспериментах из-за слишком низких электронных и ионных плотностей и коэффициентов скорости рекомбинации. В соответствии с [5] и результатами численного анализа [13], ведущая роль в образовании всплеска рекомбинационного свечения после окончания импульсных разрядов принадлежит диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов, а в
плазме аргона — рекомбинации ионов Лг2+ .
В данном эксперименте проводились спектральные исследования излучения атомов и ионов аргона и ртути для получения характеристик рекомбинационной неравновесности аргон-ртутной плазмы в послесвечении сильноточного разряда. Работа состояла в том, чтобы идентифицировать линии долгоживущего рекомбинацион-
Рис. 1. Схемы экспериментов: по изучению послесвечения импульсного сильноточного разряда (а); по определению продолжительности "жизни" импульсного плазменного зеркала для радиоволн в послесвечении разряда (б). Обозначения а: 1 — люминесцентная лампа; 2 — генератор высоковольтных импульсов разряда; 3 — осциллограф TDS-2014; 4 — блок синхронизации запуска импульса разряда с разверткой осциллографа (таймер); 5 — датчик импульсного тока (пояс Роговского); 6 — монохроматор МДР-23; 7 — фотоэлектронный умножитель ФЭУ-79; б: 1 — рефлектор ("плоское плазменное зеркало") для радиоволн, образованный шестью люминесцентными лампами FT4-8W/54 при их одновременном пробое импульсным напряжением генератора высоковольтных импульсов (см. 2 на рис. а); 2 — СВЧ-генератор сигналов Г4-82; 3 — рупор, направляющий на "зеркало" поток СВЧ-радиоволн (вектор электрического поля коллинеарен осям ламп); 4 — рупор с волноводно-коаксиальным адаптером для приема отраженного сигнала; 5 — анализатор СВЧ-спектра СК4-64 с преобразователем Я4С-64 в качестве приемника излучения.
ного спектра с переходами на диаграммах Гротри-ана, по энергетике которых можно определить виды
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.