научная статья по теме ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАТОДНОЙ ЧАСТИ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА В ВОЗДУХЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАТОДНОЙ ЧАСТИ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА В ВОЗДУХЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2014, том 116, № 4, с. 593-597

СТЕКТРОСКОПИЯ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

УДК 537.52

ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАТОДНОЙ ЧАСТИ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА В ВОЗДУХЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

© 2014 г. А. К. Шуаибов, Г. Э. Ласлов, Я. Ю. Козак

Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина E-mail: shuaibov@univ.uzhgorod.ua Поступила в редакцию 27.06.2013 г.

Исследованы спектры излучения наносекундного разряда в воздухе атмосферного давления между медными электродами при сильном перенапряжении разрядного промежутка. Разряд зажигался между двумя цилиндрическими электродами с малым радиусом закругления рабочей поверхности. Исследовались также осциллограммы импульсов излучения спектральных линий атома меди. По распределению интенсивностей излучения спектральных линий атомов меди определена средняя за импульс температура электронов.

DOI: 10.7868/S0030403414030192

ВВЕДЕНИЕ

Современная микро- и наноэлектроника нуждается в дальнейшем развитии эффективных технологий изготовления наноструктур различного назначения в макроскопическом количестве. В отличие от традиционных химических технологий синтеза наноструктур, лазерные технологи синтеза наноструктур отличаются высокой чистотой конечных продуктов [1]. Несмотря на простоту синтеза наноструктур в лазерном факеле на поверхности твердотельной мишени, установленной в жидкой среде, эта технология характеризуется низким выходом конечных продуктов и требует применения дорогостоящих лазерных установок. Для производства наноструктур оксидов металлов более перспективным является применение им-пульсно-периодичекого дугового или искрового разрядов в дистилированной воде с использованием игольчатых электродов из соответствующих металлов ^п, Си, А1) [2, 3]. При этом в зависимости от длительности и величины тока разряда в дистилированной воде (10—50 мкс, максимальная сила тока в импульсе 60 А, искровой режим; 4 мс, 10 А, дуговой режим) выход наноструктур и их свойства существенно различались.

Синтез наноструктур из оксидов металлов возможен и в искровом разряде в воздухе или кислороде [4]. Размер и концентрация наночастиц контролируется при этом энергией и длительностью импульсов искрового разряда, которые в значительной степени определяют эрозию материалов электродов [5]. Импульсный режим дает возможность с высокой точностью управлять распылением металлических электродов, а размеры наночастиц и скорость распыления материала электродов определяются температурой и концентрацией электронов. Поэтому для оптимизации условий синтеза

наноструктур важным является диагностика параметров плазмы искровых разрядов в кислородсодержащих газовых средах.

Излучение объемного наносекундного разряда в газах атмосферного давления, формируемого при помощи пучка убегающих электронов и сопутствующего рентгеновского излучения, исследовалось в [6, 7] при расстоянии между электродами 12 мм, длительности импульса напряжения ~5 нс и его амплитуде 250 кВ. В спектрах излучения таких разрядов фиксировалось только излучение атомов, молекул и ионов газовой среды, а излучение продуктов эрозии электродов не наблюдалось, хотя на фотографиях разряда, кроме диффузного разряда, около острия катода наблюдалось яркое излучение, которое занимало область длиной примерно 1—2 мм от поверхности катода.

Эмиссионные характеристики и параметры катодной части наносекундных разрядов в условиях генерации пучка убегающих электронов мало изучены. Возможности применения оптической диагностики плазмы искровых разрядов в воздухе, которые по своей природе близки к искровому стримерному разряду в жидкостях, шире, чем для разрядов в электролитах, поскольку возможным становится анализ более коротковолнового излучения (190—270 нм), которое обычно поглощается в жидкой среде.

В настоящей работе приводятся результаты исследования эмиссионных характеристик и параметров катодной части наносекундного разряда с металлическими электродами, перспективного для синтеза наноструктур на основе оксидов меди.

5

593

594

ШУАИБОВ и др.

Таблица 1. Интенсивности излучения у-системы полос радикала NO(2Z —»- 2П) из катодной области наносекундного разряда в воздухе (рис. 1)

№ X, нм S, отн. ед. и' и" Радикал

11 226.3 0.22 0 0 N0

12 226.9 0.24 0 0 N0

13 236.3 0.24 0 1 N0

МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для применения спектроскопической методики определения температуры электронов в плазме газового разряда по распределению заселенно-стей энергетических уровней возбужденных атомов необходимо наличие локального термодинамического равновесия. Время установления равновесного распределения в подобных разрядах атмосферного давления не превышает 1 пс [8], что значительно меньше длительности импульсов напряжения и тока. В этом случае возможно определение температуры электронов с использованием следующего соотношения [9]:

кТе = (е2 - е) / 1п (ТА^/^А&Х2), (1)

где к — постоянная Больцмана, Е1, Е2 — энергии уровней атома, /1, 12 и — интенсивности

спектральных линий и их длины волн, А1, А2 и g1, g2 — вероятности спонтанных переходов и статистические веса уровней.

Для исследования эмиссионных характеристик плазмы наносекундного разряда в воздухе с медными электродами использовалась экспериментальная установка, которая состояла из разрядной камеры (нержавеющая сталь) с двумя кварцевыми окнами, системы электродов, которая устанавливалась на диэлектрическом (винипласт) фланце, источника 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 монохроматора МДР-2 включала фотоумножители ФЭУ-106, импульсный ФЭУ "Фотон", усилитель постоянного тока, электронный потенциометр (КСП-4) и осциллограф С1-99. Излучение плазмы анализировалось в спектральной области 200—630 нм. Система регистрации излучения калибровалась по излучению дейтериевой 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 [10, 11]. Давление воздуха в камере составляло 1 атм.

Исследование излучения разряда проводилось в разрядной области между медными цилиндрическими электродами диаметром 6 мм при расстоянии между ними d = 0.5 мм. Радиус закругления электродов составлял 2—3 мм.

ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ

При амплитуде импульса напряжения 30— 35 кВ напряженность электрического поля в промежутке находилась в пределах 110—700 кВ/см (без учета усиления напряженности поля на микроостриях рабочей поверхности электродов). Передний фронт импульса тока имел длительность 5-7 нс.

Критическая напряженность электрического поля, согласно квазистационарной теории убегания электронов, определяется критерием Драй-сера (локальный критерий), по которому критическая напряженность поля в азоте должна превышать 590 В/см Торр [12]. Применив этот критерий к воздуху атмосферного давления при наших межэлектродных расстояниях, получим, что в условиях настоящего эксперимента локальный критерий Драйсера выполняется, что должно приводить к формированию на переднем фронте импульса тока короткого пучка убегающих электронов, энергия которых может достигать величины еи (и — амплитуда импульса напряжения, которое прикладывается к системе электродов).

Согласно нелокальному критерию убегания электронов и экспериментальным результатам исследования пучка убегающих электронов и разрядов с убегающими электронами, при таких характеристиках разряда в нем возможна генерация пучка убегающих электронов и сопутствующего рентгеновского излучения [13—15]. В условиях настоящего эксперимента также проявляется взрывная автоэлектронная эмиссия электронов (образование электронов на поверхности катода), при которой просходит взрыв микроострий, что сопровождается выбросом капель и паров меди в межэлектродный промежуток [16, 17].

Усредненные по времени спектры излучения наносекундного разряда в воздухе атмосферного давления между медными электродами, у которого отсутствует диффузная слаботочная стадия, представлены на рис. 1 и 2. Результаты идентификации излучения из приэлектродных частей на-носекундного разряда приведены в табл. 1 и 2. За интенсивность излучения полос радикалов оксида азота (8) бралась площадь под соответствующей полосой в спектре с учетом спектральной чувствительности системы "монохро-матор МДР-2 + ФЭУ-106". Интенсивности излучения спектральных линий атома меди (табл. 2) приведены также с учетом спектральной чувстви-

Рис. 1. Коротковолновый участок спектра излучения катодной области наносекундного разряда между медными электродами при частоте следования импульсов тока / = 25 Гц.

тельности системы регистрации. В спектральном диапазоне 200—230 нм спектральные линии излучения наблюдались на фоне континуума, интенсивность которого увеличивалась при уменьшении длины волны (на рис. 2 континуум не приведен).

Линии, обозначенные номерами 1—10 (рис. 1), принадлежат наиболее интенсивным переходам между энергетическими уровнями атома меди. Из-за недостаточно высокого разрешения спектрометра они наблюдались в виде отдельных групп. В этом диапазоне длин волн наблюдались

Рис. 2. Спектр излучения наносекундного разряда в воздухе с медными электродами при / = 25 Гц.

также отдельные полосы у-системы полос оксида азота.

Наиболее интенсивной в спектре излучения плазмы приэлектродных частей наносекундного разряда в воздухе была группа спектральных линий атомов меди в спектральном диапазоне 200— 225 нм, менее интенсивными были резонансные линии атома меди и спектральные линии атома меди в сине-зеленом диапазоне длин волн (в том числе и известные спектральные линии лазера на самоограниченных переходах атома меди) [18].

В работе [19] при исследовании излучения наносекундного искрового разряда в воздухе (р = = 1 атм) между латунными электродами (й = = 5 мм) в этом спектральном диапазоне также наблюдалась интенсивная групп

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