ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2008, том 105, № 1, с. 39-44
СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^^^^^^^ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
УДК 621.373:539.19
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ТУШЕНИЯ СОСТОЯНИЯ B 2£+/2
МОНОБРОМИДА И МОНОИОДИДА РТУТИ ДИГАЛОГЕНИДАМИ РТУТИ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ НА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЯХ ЭКСИПЛЕКСНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ
© 2008 г. А. А. Малинина, А. Н. Малинин
Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина E-mail: mal@univ.uzhgorod.ua Поступила в редакцию 28.11.2007 г.
Определена эффективность процесса тушения состояния B эксиплексных молекул HgBr* и HgI* парами дигалогенидов ртути (HgBr2, HgI2) в газоразрядной плазме излучателя HgBr/HgI. Дано обоснование применяемой методики измерений. Константы скорости тушения эксиплексных молекул монобромида и моноиодида ртути дигалогенидами ртути составляют 3.4 х 10-10 см3/с и 1.1 х 10-10 см3/с соответственно.
PACS: 52.80.Yr
ВВЕДЕНИЕ
Ряд практических применений - таких, как мониторинг воздушного и водных бассейнов, даль-нометрия морских объектов, подводная связь, обработка материалов электронной техники и др. -стимулируют создание мощных импульсно-пери-одических лазеров и источников спонтанного излучения, генерирующих излучение в зелено-синей области спектра [1-4].
В работе [5] было выявлено, что с увеличением парциального давления паров дигалогенидов ртути в рабочей смеси излучателя И§Вг/И§1 интенсивность излучения молекул монобромида и моноиодида ртути повышается, достигает максимума и падает. Зависимость интенсивности излучения молекул И§Вг* и И§1* от парциальных давлений дииодида и дибромида ртути определяется кинетикой процессов возбуждения и тушения состояний В 2Е|/2 этих молекул, а также константами скоростей этих процессов.
Целью настоящих исследований являлось определение эффективности процесса тушения состояния В 2Е|/2 эксиплексных молекул И§Вг* и И§1* молекулами дигалогенидов ртути (И§Вг2, И§12) в плазме барьерного разряда излучателя И§Вг/И§1, количественной мерой которого являются значения констант скоростей тушения. В работе описаны методика определения эффективности процесса тушения, техника эксперимента, результаты исследований интенсивности излучения газоразрядной плазмы при изменении парциальных давлений паров дигалогенидов ртути, количе-
ственные характеристики эффективности тушения состояния В 2Е|/2 монобромида и моноиодида ртути в рабочей смеси излучателя И§Вг/И§1.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Для определения эффективности процесса тушения состояния В 2х;/2 молекул И§Вг* и И§1* дигалогенидами ртути (И§Вг2, И§12) необходимо применение экспериментального метода измерения константы скорости тушения В-состояний этих молекул галогеносодержащими молекулами, который в максимальной степени учитывал бы процессы в газоразрядной плазме, являющейся рабочей средой излучателя И§Вг/И§1 [6].
Среди известных методов измерения констант скоростей тушения верхних энергетических состояний галогеносодержащими молекулами чаще всего использовались методы, основанные на оптической накачке верхнего энергетического уровня [7-13]. Однако эти методы не учитывают влияние на процесс тушения дополнительных частиц, присутствующих в плазме газового разряда (высоковозбужденные молекулы и ионы, которые образуются за счет "хвоста" функции распределения электронов в плазме, а также электроны) и дающих дополнительный вклад в значение
константы скорости тушения состояния В 2Х+/2. Указанное влияние учитывается в газоразрядном экспериментальном методе, с помощью которого были измерены константы скоростей тушения
состояния В 2£+/2 моногалогенидов ртути в газоразрядной плазме на двухкомпонентных смесях (дигалогенид ртути-гелий) [14-16].
Рассмотрим этот метод применительно к многокомпонентной смеси паров молекул дибромида и дииодида ртути с гелием, являющейся частью рабочей среды излучателя И§Бг/Н§1. Сразу после образования возбужденных состояний моногалогенидов ртути в плазме газового разряда начинается их радиационный распад. Кроме того, они тушатся тяжелыми частицами и электронами (в условиях лазерной генерации они тушатся и за счет вынужденного излучения) [6]. Известно (на основании данных по эффективным сечениям возбуждения
состояния В 2£+/2 молекул Н§Х* (X = Бг, I) [17-21] и результатов последующих работ [22-26]), что основными процессами, приводящими к образованию и разрушению состояний В 2Х+/2 моногалогенидов ртути в плазме разряда в смесях дигалоге-нидов ртути с гелием, являются следующие:
ЩХ2 + е —- ЩХ* + •
й [ ЩХ* ]/йг = кД [ ЩХ2 ] Ме -- т-1 [ЩХ* ] - кт [ЩХ* ][ М],
(5)
Для квазистационарного случая из (5) можно получить связь интенсивности излучения с константой скорости тушения:
где
^ивХ* = У( 1 + ктТт[ М ]),
У = ( к дН \[ И^2 ] Ме ) -
(6)
(7)
[Х + е, (1)
I Х-, (2)
И§Х* —► И§Х + Ну, (3)
И§Х* + М —► И§Х + М + ДЕ, (4)
где М - частицы, которые тушат состояния В 2Х+/2 моногалогенидов ртути, ДЕ - энергия, выделяющаяся в реакции.
Процессы (1)-(4) в основном объясняют зависимости интенсивности излучения эксиплексных молекул моногалогенидов ртути от парциальных давлений дигалогенидов ртути. Вклад процессов (1)-(4) в интенсивность излучения зависит от констант скоростей возбуждения и тушения состояния В 2Х+/2 и концентраций частиц.
Определим выражение для интенсивности излучения эксиплексных молекул моногалогенидов ртути на основании процессов (1)-(4). Для этого составим кинетическое уравнение для населенности состояния В 2Х+/2 молекулы И§Х*:
Выясним условия, при которых режим импульсного разряда можно считать установившимся для смеси паров двух дигалогенидов ртути и гелия. Для этого необходимо, чтобы длительность возбуждающего импульса была больше характерных времени процессов, которые влияют на концентрацию возбужденных молекул И§Х*, а именно она должна превосходить характерное время установления квазистационарной функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), время установления концентрации электронов,
радиационное время жизни состояния В 2Х+/2 молекулы И§Х* и время тушения этого же состояния.
Время установления квазистационарного распределения электронов, т.е. время реакции ФРЭЭ на изменения напряженности электрического поля и концентраций компонент плазмы, приблизительно равно времени релаксации средней энергии электронов [27]. Проведенная нами оценка времени установления ФРЭЭ для смеси паров двух дигалогенидов ртути и гелия выявила, что оно меньше 10 нс при Е/Р < 30 В/см Торр (Е - напряженность поля, Р - общее давление рабочей смеси).
Время тушения (тТ) состояния В 2Х+/2 молекулы И§Х* дигалогенидами ртути оценивалось исходя из выражения
-1
Тт = ( к т[ М ]Г,
(8)
где кД - константа скорости диссоциации молекул И§Х2 электронным ударом; [И§Х*], Ме, [И§Х2], [М] - концентрации эксиплексных молекул моногалогенидов ртути, электронов, дигалогенидов ртути и тушащих молекул соответственно, тр - радиационное время жизни эксиплексных молекул И§Х*, кт - константа скорости тушения эксиплексных молекул И§Х*.
в котором использовались данные по константам кт и концентрациям дигалогенидов ртути из работ [9, 12, 14-16]. Оценка (8) дает для тт значение не более 50 нс.
Радиационное время жизни состояния В 2Х+/2 равно 23.2 и 27.3 нс для молекул И§Бг* и И§1* соответственно [28].
Выясним теперь условия, при которых коэффициент у (7) не изменяется при незначительном (<2%) повышении концентрации тушащих молекул. Повышение концентрации молекул дигалогенидов ртути в плазме смеси с гелием может компенсироваться уменьшением концентрации электронов Ме вследствие процесса диссоциативного прилипания (2). Константа скорости этого процесса составляет приблизительно 10-10 см3/с при низких (до 10 эВ) средних энергиях электро-
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 - электронагреватель, 2 - внешний (сетчатый) электрод, 3 - кювета, 4 - внутренний электрод, 5 - капилляр, ГИН - генератор импульсно-периодического напряжения, СД - дифракционный монохроматор, СОНГ - система откачки и напуска газа, ФЭУ - фотоэлектронный умножитель, У5-9 - усилитель напряжения, Щ4300 - цифровой вольтметр, БП - блок питания фотэлектронного умножителя.
нов в разряде [29]. Однако при повышении концентрации дигалогенидов возможно и увеличение концентрации электронов в процессе ионизации дигалогенидов ртути электронами, но эффективность этого процесса маоа при тех средних значениях энергии электронов, которые характерны для барьерного разряда, применяемого для возбуждения состояния В 2Х;/2 эксиплексных молекул И§Вг* и И§1* в рабочей смеси излучателя И§Вг/И§1 [29]. Константа скорости диссоциации молекул И§Х2 электронным ударом кд может оставаться постоянной, если функция распределения электронов не изменяется. Для этого в эксперименте необходимо обеспечивать квазистационарность напряженности поля Е, которое приложено к электродам излучателя во время импульса накачки. Что касается общей концентрации N, то она задается в основном буферным газом гелием. Концентрация N > 1019 см3, т.е. выше концентрации паров дигалогенидов ртути на два порядка [5]. В связи с этим предполагается, что функция распределения электронов плазмы изменяется незначительно.
Таким образом, если обеспечить в плазме газового разряда постоянство величин, входящих в коэффициент у (7) при введении в смесь галогено-содержащих тушащих молекул, концентрации которых незначительны (<2%), выражение (7) совпадает с известной формулой Штерна-Фоль-мера для тушения люминесценции молекул [30].
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В соответствии с вышеизложенной методикой была создана экспериментальная установка и проведены измерения констант скоростей тушения В-состояний моногалогенидов ртути в рабочей смеси излучателя И§Вг/И§1. Блок-схема представлена на рис. 1. Установка состоит из газоразрядного эксиплексного излучателя (1-5), генератора импульсно-периодического напряжения (ГИН) и системы регистрации - линзы (Л), дифракционного монохроматора излучения (СД), фотоэлектронного умножителя (ФЭУ-106), усилителя напряжения (У5-9), цифрового вольтметра (Щ 4300) и блока питания электродов фотоэлектронного умножителя (БП). В газоразрядный эксиплексный излучатель (ГЭИ) входит газо
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.