ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 8, с. 94-96
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 533.92; 535.35
ПЛАЗМА РАЗРЯДА В СМЕСИ АРГОНА И ПАРОВ ВОДЫ КАК СРЕДА ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА
© 2015 г. Д. В. Михайлов1, А. А. Пастор1, П. Ю. Сердобинцев1, Н. А. Тимофеев1*, М. А. Ходорковский2
1Санкт-Петербургский государственный университет 2Санкт-Петербургский государственный политехнический университет *Е-таП: niktimof@yandex.ru Поступила в редакцию 09.11.2014
В статье рассматривается возможность получения инверсной заселенности возбужденных состояний молекулы гидроксила, рождаемых в условиях разрядной плазмы низкого давления в смеси аргона с парами воды. Проанализированы возможности получения инверсии как состояния Л2Е+ по отношению к основному состоянию Х2П, так и внутри колебательно-вращательной структуры уровней возбужденного состояния Л2Е+ молекулы ОН.
Ключевые слова: газовый разряд, плазма, лазер, молекула воды, молекула гидроксила, метастабиль-ный атом аргона, инверсная заселенность.
Б01: 10.7868/80207401X15080142
Газовый разряд с различными молекулярными добавками представляет большой интерес в связи с возможными практическими применениями — источники оптического излучения (света), газовые лазеры, плазмотроны, устройства для плазменных технологий и т.п. В основе практических приложений молекулярной плазмы лежит богатство плазмохимических процессов, характерных для такой плазмы. Например, разрядная плазма в смеси инертных газов с парами воды, в которой одним из главных процессов, определяющих свойства плазмы, является тушение молекул воды возбужденными атомами аргона с образованием молекул гидроксила, перспективна для создания экологически безопасных источников оптического излучения (света) [1—4]. Этот же процесс может быть причиной возникновения инверсной заселенности возбужденных состояний молекулы гидроксила, Л2Х+. Выяснение этой возможности и есть главная цель данной работы.
Тлеющий разряд в смеси аргона с парами воды создавался в цилиндрической кварцевой или стеклянной трубке диаметром 2.5 см. Давление аргона лежало в диапазоне 70—1330 Па, давление паров воды — в диапазоне 1—20 Па. Давление паров воды изменялось нагревом стенок разрядной трубки, внутренняя поверхность которой была покрыта люминофором, предварительно насыщенным молекулами воды [3]. Разрядный ток i изменялся от 0.1 до 0.6 А. Измерялись оптиче-
ские, спектроскопические и электрические характеристики разряда.
В работах [3, 4] было показано, что основными процессами рождения молекул гидроксила в плазме разряда в смеси аргона и паров воды в исследованных разрядных условиях являются два процесса:
1) тушение возбужденных (в основном мета-стабильных) атомов аргона молекулами воды: Аг* + Н20 ^ 0Н(Л2£+) + Н + Аг;
2) электронное возбуждение молекул гидрок-сила, рожденных в первой реакции.
Данное заключение было сделано на основе анализа скоростей возможных реакций рождения возбужденных молекул гидроксила и зависимости интенсивности излучения полосы ОН с X = = 306.4 нм от величины разрядного тока, представленной на рисунке, при различных давлениях паров воды, соответствующих разным температурам [3, 4]. Особенностью этой зависимости является линейный рост интенсивности излучения полосы ОН с X = 306.4 нм с увеличением силы тока при введении паров воды в разряд с ростом температуры стенок, что для данных разрядных условий эквивалентно линейной зависимости от концентрации электронов [5]. Этот факт позволил выбрать вышеприведенные реакции и отбросить другие, характеризуемые нелинейными зависимостями от концентрации электронов.
ПЛАЗМА РАЗРЯДА В СМЕСИ АРГОНА И ПАРОВ ВОДЫ
I, отн. ед.
95
о-
-о-
♦
-о
100
200
300
400
500
;, мА
Интенсивность (I) излучения полосы при 306.4 нм молекулы гидроксила в зависимости от величины разрядного тока I при различных температурах стенок разрядной трубки (разряд в смеси аргона с парами воды, давление аргона — 133 Па: ❖ - 20°С, ♦ - 30°С, О - 40°С, • - 50°С, □ - 60°С, ■ - 70°С.
3
2
1
0
Рождение молекул гидроксила в возбужденном состоянии Л2Х+ при столкновениях молекул воды с возбужденными атомами аргона может привести к возникновению инверсии данного состояния по отношению к основному состоянию ХП. С ростом разрядного тока электронное возбуждение становится превалирующим, что хорошо видно из рисунка: интенсивность полосы ОН с X = 306.4 нм при I > 0.2 А существенно превышает интенсивность при I ^ 0.
В работе [4] была построена модель данного разряда, которая позволяет определить отношение концентрации возбужденных молекул гидроксила к концентрации молекул в основном состоянии:
^н/^он = 21[( + ^и)(Л*нТоы )]-1
+
+ «е^жМ
*
он.
(1)
Здесь ^он и №он есть концентрации молекул гидроксила в основном состоянии и в возбужденном состоянии Л2Х+ соответственно. Далее,
Z*н - скорость возбуждения молекулы гидроксила электроном, Zqu - полная скорость тушения ме-тастабильных состояний атома аргона молекулами воды, г™ - скорость тушения метастабиль-ных состояний атома аргона молекулой воды с
разрушением последней на И и он(Х2П), -скорость тушения метастабильных состояний атома аргона молекулой воды с разрушением по-
следней на н и он(А2£+), т.е. с одновременным возбуждением молекулы гидроксила. Также тон есть характерное время диффузии молекул гид-роксила к стенкам разрядной трубки, и, наконец,
А*н - эффективная вероятность радиационного разрушения состояния Л2Х+ молекулы гидроксила. Первое слагаемое в (1) связано с процессами тушения возбужденных атомов аргона молекулами воды, второе - с возбуждением молекул гидроксила электронами.
Оценка отношения ^он/^он показывает, что в исследованных разрядных условиях оно вряд ли может быть больше единицы. В первом слагаемом в правой части (1) определяющим является
произведение Д*нтон, стоящее в знаменателе.
Эффективная вероятность А**н радиационного разрушения возбужденной молекулы он(А22+) равна ~1.4 • 106 с-1 [5, 6], что дает эффективное время жизни возбужденного состояния ~700 нс, в то время как характерное время диффузии молекул ОН к стенкам на два-три порядка больше [4]. Результатом этого является то, что первое слагаемое в (1) в исследованных условиях <1. Второе
слагаемое, А**н, как показывают оценки с
использованием сечения возбуждения молекулы ОН в состояние Л2Х+ [7] и известных значений концентраций электронов в сходных условиях [8], также много меньше единицы. Следовательно, получение инверсной заселенности всего возбужденного состояния Л2Х+ по отношению к ос-
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА том 34 № 8 2015
96
МИХАЙЛОВ и др.
новному состоянию за счет тушения возбужденных (в основном метастабильных) атомов аргона молекулами воды маловероятно.
Имеется еще одна возможность получения инверсии за счет неравновесности распределения заселенностей по колебательно-вращательным уровням молекулы ОН внутри состояния Л2Х+. Данная возможность обусловлена, во-первых, тем, что рождение возбужденных состояний молекулы ОН в процессах тушения может давать селективное заселение определенных уровней вращательной структуры состояния Л2Х+ и создавать неравновесное распределение заселенностей [9]. Во-вторых, сами уровни вращательной структуры состояния Л2Х+ имеют разные, сильно отличающиеся времена жизни по отношению к переходу 0 ^ 0 из электронно-колебательно-вращательного состояния Л2Х+ в состояние X 2П [10], и более быстрое разрушение нижних уровней состояния Л2Х+ может создать инверсию. В третьих, при низком давлении газа, реализованном в данном эксперименте, скорость V— Г-релаксации ниже, чем скорость селективной накачки верхних возбужденных уровней молекулы гидроксила возбужденными атомами аргона, что характерно для подобных систем [11], — это также может обеспечить возникновение частичной инверсии.
Работа выполнена при поддержке грантом СПбГУ 11.38.203.2014.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Khodorkovsky М.А., Milenin V.M., Kidalov S.V., Timofeev N.A., Vul' A.Ya. // Tech. Phys. Lett. 1999. V. 25. № 4. P. 321.
2. Khodorkovsky M.A., Milenin V.M., Kidalov S.V., Timofeev N.A., Vul' A.Ya. // Ibid. 1999. V. 25. № 1. P. 4.
3. Artamonova E.O., Khodorkovsky V.A., Timofeev N.A. etal. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. P. 155206.
4. Artamonova E.O., Khodorkovsky V.A., Timofeev N.A. etal. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V. 42. P. 175204.
5. Brophy J.H., Silver J.A., Kinsey J.L. // Chem. Phys. Lett. 1974. V. 28. № 3. P. 418.
6. Dimpfl W.L., Kinsey Y.L.// J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1979. V. 21. № 3. P. 233.
7. Joshipuru K.N., Vinodkumar M., Patel U.M. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2001. V 34. P. 509.
8. Грановский В.Л. Электрический ток в газах. Т. 2. М.: Наука, 1971.
9. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. M.: Наука, 1983.
10. Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy. Applications and Fundamentals / Ed. Boumans P.WJ.M. Wiley-Interscience, 1987. Pt 2.
11. Елецкий Л.В. // УФН. 1981. Т. 134. № 2. С. 237.
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА том 34 № 8 2015
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.