ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 3, с. 307-316
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 621.373.826.038.823
ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ НА СМЕСИ ПАРОВ ДИБРОМИДА РТУТИ И АРГОНА
© 2015 г. А. А. Малинина, А. Н. Малинин
Ужгородский национальный университет, Ужгород, Украина
e-mail: alexandr_malinin@rambler.ru
Поступила в редакцию 14.03.2014 г. Окончательный вариант получен 26.06.2014 г.
Представлены результаты исследований оптических характеристик и параметров газоразрядной плазмы барьерного разряда на смеси паров дибромида ртути и аргона, которая являлась рабочей средой эксиплексного газоразрядного излучателя. Установлены парциальные давления паров дибромида ртути и аргона 0.6 кПа и 114.4 кПа соответственно, при которых наблюдалась максимальная средняя и импульсная мощности излучения в сине-зеленой спектральной области (Хтах = 502 нм). Численным моделированием определены: функции распределения электронов по энергиям, транспортные характеристики, удельные потери мощности разряда на электронные процессы, концентрация и температура электронов, а также константы скоростей процессов упругого и неупругого рассеяния электронов на компонентах рабочей смеси и их зависимости от величины приведенной напряженности электрического поля. Константа скорости процесса, приводящего к образованию эксиплексных молекул монобромида ртути, составляет величину 8.1 х 10-15 м3/с для приведенного поля Б/И = 20 Тд, при котором в условиях эксперимента наблюдалась максимальная мощность излучения в сине-зеленой спектральной области.
DOI: 10.7868/S0367292115030063
1. ВВЕДЕНИЕ
Газоразрядная плазма на смеси паров дибромида ртути с газами является рабочей средой источников когерентного и спонтанного излучения в сине-зеленой спектральной области с длиной волны в максимуме интенсивности (Амакс.) 502 нм
[1—15]. Создание газоразрядной плазмы и возбуждение компонент рабочей смеси осуществлялось при атмосферном давлении в объемном, тлеющем, барьерном и поверхностном разрядах. Исследование ее оптических характеристик проводились в излучателях с рабочими объемами >200 х 10—6 м3 и ~1 х 10-6 м3 [16-19]. Такие объемы необходимы для создания источников излучения в сине-зеленой спектральной области с большими и малыми значениями мощности излучения, которые используются для решения различных научных и прикладных задач [20, 21]. В этих источниках излучения в качестве буферного газа в основном применялся гелий и неон. Для ряда научных и технологических применений необходимо использование в рабочей смеси более тяжелых, чем гелий и неон, буферных газов, которые обладают меньшей проникающей способно-
стью через стенки газоразрядной кюветы, тем самым обеспечивая больший ресурс работы источника излучения [19].
Целью настоящей работы было выявить закономерности в оптических характеристиках газоразрядной плазмы на смеси паров дибромида ртути с аргоном, определить парциальное давление буферного газа аргона, при котором достигается максимальная яркость излучения в сине-зеленом спектральном диапазоне в излучателе. Кроме того, целью исследования было определить параметры плазмы: функцию распределения электронов по энергиям, транспортные и энергетические характеристики, доли мощности разряда на электронные процессы, концентрацию и температуру электронов, а также константы скоростей процессов упругого и неупругого рассеяния электронов на компонентах рабочей смеси в зависимости от величины приведенного электрического поля Б/И — отношения напряженности электрического поля к общей концентрации компонент рабочей смеси, а также установить их величину для Е/И, при котором наблюдалась максимальная яркость излучения в эксперименте.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: ГК — газоразрядная кювета (1 — электронагреватель, 2 — внешний (сетчатый) электрод, 3 — кювета, 4 — внутренний электрод, 5 — металлический ввод, 6 — термопара, 7 — капилляр), СОГ — система откачки и напуска газа, ГИН — генератор импульсных напряжений, Д — диафрагма, Л — линза, М — монохроматор СД-7, ФП — фотоприемники (фотоэлектронный умножитель ФЭУ-106), У — усилитель электрических сигналов У5-9, СП — самописец КСП-4, В — вольтметр Щ4300, О — осциллограф С1-72, ПР — пояс Ро-говского.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования оптических характеристик газоразрядной плазмы на смеси паров дибромида ртути и аргона осуществлялись на экспериментальной установке, блок-схема которой представлена на рис. 1. Основными узлами экспериментальной установки являлись: газоразрядная кювета (ГК), система откачки и напуска газа (СОГ), генератор импульсных напряжений (ГИН) и система регистрации излучения. Регистрирующая система включала в себя: монохроматор (М) СД-7, фотоприемник (ФП) фотоэлектронный умножитель ФЭУ-106, усилитель электрических сигналов (У) У5-9, самописец (СП) КСП-4, вольтметр (В) Щ4300, осциллограф (О) С1-72 и пояс Роговского (ПР).
Газоразрядная плазма на смесях паров дибро-мида ртути и аргона создавалась барьерным разрядом (БР) в ГК, в межэлектродном пространстве внутри кварцевой трубки толщиной стенки 1 мм, внешним диаметром 9 мм и длиной 0.07 м (рис. 1). Расстояние между внутренним электродом 4 круглого сечения (диаметром 0.5 мм) и внешним электродом 4 составляло 3.25 мм. Внутренний электрод, который выполнен из молибдена, расположен по оси трубки, а внешний (перфорированный с коэффициентом пропускания излучения 72%) — на поверхности трубки. Торцы трубки заварены, на одном из них вварен металлический
ввод 6, который обеспечивает подвод энергии от источника питания на электрод. Для уменьшения выхода паров дибромида ртути из газоразрядной кюветы в СОГ к газоразрядной кювете приваривался патрубок 7, в середине которого находится капилляр диаметром 0.5 мм.
Питание разряда производилось от генератора наносекундных импульсов. В качестве коммутатора в генераторе использовался тиратрон ТГИ 1-35/3. Накопительная емкость в генераторе набиралась из малоиндуктивных конденсаторов КВИ-3. Перезарядка емкости осуществлялась через первичную обмотку повышающего трансформатора с коэффициентом трансформации 1:3. В процессе экспериментов амплитуда импульсного напряжения и тока на электродах излучателя поддерживались на уровне 2.5 кВ и 8.6 А, соответственно, частота повторения импульсов составляла 6 кГц, накопительная емкость — 1.36 нФ.
Рабочие смеси готовились непосредственно в объеме излучателя. Порошок дибромида ртути (ЩВг2) в количестве 60 мг равномерно насыпался внутрь излучателя. В исследованиях оптических характеристик излучения газоразрядной плазмы парциальные давления насыщенных паров диб-ромида ртути создавались путем саморазогрева рабочей смеси за счет диссипации энергии разряда, а также путем подогрева ее внешним электронагревателем при создании парциальных давлений паров дибромида ртути выше 0.1 кПа. После загрузки соли производилось осушение газоразрядной кюветы путем прогрева при температурах 70°С и откачки в течение 2 ч с помощью системы откачки и напуска газов через капилляр 7. Значения парциального давления насыщенных паров дибромида ртути определялись по температуре наиболее холодной точки излучателя на основании интерполяции справочных данных работы [22]. Парциальное давление аргона измерялись образцовым мембранным манометром (МО, класс точности 0.15).
Излучение разряда регистрировалось в направлении перпендикулярном боковой поверхности кварцевой трубки излучателя и анализировалось после прохождения через диафрагму (Д) и линзу (Л). Спектры излучения регистрировались с помощью дифракционного монохроматора СД-7 (решетка 600 штр./мм) в спектральном диапазоне 380—600 нм. Спектральное разрешение системы регистрации составляло 2.4 нм. Калибровка системы регистрации проводилась с помощью эталонной вольфрамовой лампы СИ 8-200 при температуре нити накала Т = 2173 К. Импульсы напряжения и тока излучателя регистрировались с помощью осциллографа С1-72, сигнал на который подавался с делителя напряжения, и инте-
грирующей цепи калиброванного пояса Рогов-ского, соответственно.
Средняя мощность излучения источника измерялась с помощью прибора "Кварц-01". Оптический сигнал после прохождения диафрагмы площадью 0.25 см2 попадал на светофильтр СЗС-16 с максимумом пропускания на длине волны X = 500 нм, после чего на измерительную головку прибора. Мощность, излучаемая всей поверхностью источника излучения, определяется выражением [23]
Рг = ^0Рph/^ph,
где Рр}1 — мощность, регистрируемая фотоприемником; Q0 — эквивалентный телесный угол (для цилиндрической поверхности его значение составляет п2 [23]); 0,р}1 = 8р}1/Ь2 — телесный угол фотоприемника, Sph — площадь окошка фотоприемника, а Ь — расстояние, на котором расположен фотоприемник, от источника излучения.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Мы имели дело со смесью ЩВг2:Аг. Парциальное давление паров дибромида ртути в экспериментах поддерживалось постоянным 0.6 кПа; оно было выбрано оптимальным, при котором наблюдалась максимальная интенсивность излучения в наших экспериментах по изучению оптических характеристик газоразрядной плазмы на смеси ЩВг2:Не [23]. Давление аргона изменялось в диапазоне 106—123 кПа.
Сразу после инициации барьерного разряда наблюдался филаментарный режим горения БР, набор микроразрядов между металлическим электродом и внутренней поверхностью кварцевой трубки 3 излучателя. Цвет разряда в начальной стадии (первые 30 с) определялся буферным газом аргоном. В последующее время разряд светился сине-зеленым цветом. При этом наблюдался в основном диффузный и однородный характер разряда.
В полученных спектрах в видимом диапазоне существенно выделяется спектральная полоса с максимумом при длине волны X = 502 нм, которая имеет слаборазрешенную колебательную структуру и соответствует электронно-колебательному
переходу В2Х+/2 ^ X2Х+/2 эксиплексной молекулы ЩВг* [24]. Основная часть интенсивности излучения спектральной полосы сконцентрирована в диапазоне длин волн 512—475 нм. Форма полосы и ее ширина на полувысоте (15—16 нм) аналогична полосам, соответствующим переходу В ^ X монобромида ртути, приведенн
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.