ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2011, том 110, № 2, с. 218-227
СПЕКТРОСКОПИЯ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
УДК 537.24:535:23
ЭМИССИЯ ЭКСИПЛЕКСА МОНОБРОМИДА РТУТИ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ НА СМЕСИ ПАРОВ ДИБРОМИДА РТУТИ,
ГЕКСАФТОРИДА СЕРЫ И ГЕЛИЯ
© 2011 г. А. А. Малинина, А. К. Шуаибов
Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина E-mail: ant.malinina@yandex.ru, shuaibov@univ.uzhgorod.ua Поступила в редакцию 08.06.2010 г.
Представлены результаты исследований эмиссии эксиплекса монобромида ртути в газоразрядной плазме барьерного разряда атмосферного давления на смеси паров дибромида ртути, гексафторида серы и гелия. Проведена оптимизация мощности излучения эксиплекса монобромида ртути от парциальных давлений рабочей смеси. Достигнута средняя мощность излучения 0.42 Вт (^макс = 502 нм) в цилиндрическом источнике излучения с малым рабочим объемом (0.8 см3) при частоте следования импульсов накачки 6 кГц. 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 в зависимости от величины отношения напряженности поля к общей концентрации компонент рабочей смеси. Обсуждены процессы, повышающие населенность эксиплекса монобромида ртути. Газоразрядная плазма на смеси паров дибромида ртути, гексафторида серы и гелия может быть применена в качестве рабочей среды источника излучения в сине-зеленой спектральной области для использования в научных исследованиях в области биотехнологии, фотоники, медицины, а также для создания индикаторных газоразрядных панелей.
ВВЕДЕНИЕ
Данные по эмиссии эксиплекса монобромида ртути (ЩВг*) в газораразрядной плазме на смесях паров дибромида ртути с газами представляют интерес для исследований, прежде всего возможности создания эффективных источников когерентного и спонтанного излучения в сине-зеленом спектральном диапазоне с длиной волны в максимуме интенсивности (^макс) 502 нм. Исследования эмиссии эксиплекса монобромида ртути, а также других оптических характеристик газоразрядной плазмы проводились в присутствии в рабочих смесях паров дибромида ртути, дихлори-да и дийодида ртути с инертными газами и молекулярным азотом [1—15]. Добавление в рабочую смесь активного элемента ЩВг-лазера гексафто-рида серы и азота выявило увеличение его энергии излучения [16].
В настоящей статье представлены результаты исследований эмиссии эксиплекса монобромида ртути в газоразрядной плазме барьерного разряда на смеси паров дибромида ртути, гексафторида серы и гелия в зависимости от парциальных давлений компонент смеси, 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 в зависимости от величины параметра Б/Ы (отношения напряженности электрического поля к общей концентрации компонент рабочей смеси). Кроме того, определена эффективность процесса тушения В^+^-состояния молекул монобромида ртути гексафторидом серы. Представлено обсуждение процессов, повышающих населенность эксиплекса монобромида ртути.
ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Газоразрядная плазма на рабочей смеси создавалась барьерным разрядом в малогабаритном излучателе с цилиндрической рабочей апертурой, который изготовлен из кварцевой трубки. Конструкция излучателя была подобна применяемой нами ранее в излучателе на смеси паров диброми-да ртути и гелия [17]. Внешний диаметр трубки толщиной стенки 1 мм равнялся 8.8 мм. Внутри ее по оси расположен молибденовый электрод диаметром 2 мм. Разрядный промежуток 2.4 мм. Внешний электрод изготовлен из вольфрамовой сетки (коэффициент пропускания излучения ~0.7) и имел длину 3 см. Объем излучения составлял 0.8 см3. В торце кварцевой трубки имеется ка-
пилляр диаметром 1.5 мм, который служит для уменьшения выноса паров дибромида ртути с излучателя в вакуумную газосмесительную систему.
Возбуждение рабочей смеси в барьерном разряде атмосферного давления осуществлялось источником питания с импульсно-периодической формой выходного напряжения (ГИН) с возможностью перестройки частоты в диапазоне 1—10 кГц и амплитуды импульсов напряжения в пределах 2-9 кВ.
Рабочие смеси готовились непосредственно в объеме излучателя. Порошок дибромида ртути (ЩБг2) в количестве 20 мг равномерно насыпался внутрь разрядной кюветы. В исследованиях оптических характеристик излучения газоразрядной плазмы парциальные давления насыщенных паров дибромида 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 обезвоживание источника излучения путем прогрева при температурах 70°С и откачки в течение 2 ч. Значения парциального давления насыщенных паров дибромида ртути определялись по температуре наиболее холодной точки излучателя на основании интерполяции справочных данных работы [18]. В условиях нашего эксперимента они изменялись в пределах 0.1-2 кПа. Парциальные давления гелия и гексафторида серы измерялись образцовыми мембранными манометром и вакуумметром соответственно.
Излучение разряда регистрировалось в направлении, перпендикулярном боковой поверхности кварцевой трубки излучателя, и анализировалось в спектральном диапазоне 400-550 нм. Спектры излучения регистрировались с помощью дифракционного монохроматора (решетка 600 штр/мм). 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 интегрирующей цепи калиброванного пояса Роговского.
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 по-
верхностью источника излучения, определялась из выражения [19]
Ризл ' пр
где Рпр — мощность, регистрируемая фотоприемником, — эквивалентный телесный угол (для цилиндрической поверхности его значение составляет я2 [16]), ^пр = ^,пр//0—телесный угол фотоприемника, ¿Лр — площадь окошка фотоприемника, 10 — расстояние, на котором расположен фотоприемник от источника излучения.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования проводились в тройной смеси ЩБг2 : SF6 : Не. Парциальные давления паров дибромида ртути и гелия составляли 0.1—0.8 кПа и 117 кПа соответственно, а парциальное давление гексафторида серы изменялось в пределах 0— 200 Па. Парциальное давление гелия в экспериментах составляло одно и то же значение, оно было выбрано оптимальным, при котором наблюдается максимальная мощность излучения для двойной смеси ЩБг2 : Не [17].
Сразу после инициации барьерного разряда (БР) атмосферного давления наблюдался фила-ментарный режим горения БР — набор конусообразных микроразрядов с вершиной на металлическом электроде и основанием на внутренней поверхности кварцевой трубки излучателя. Цвет разряда в начальной стадии (первых 30 с) определяется буферным газом гелием, а именно розовым цветом. В последующее время разряд горел сине-зеленым цветом. При этом наблюдался диффузный и однородный характер разряда, заметно сглаживался контраст яркости в объемном разряде.
На рис. 1 представлен спектр излучения газоразрядной плазмы в видимом спектральном диапазоне при парциальных давлениях гексафторида серы и гелия, для которых наблюдается максимальная яркость излучения (спектр 1). Спектральная полоса излучения с максимумом при длине волны X = 502 нм имеет слаборазреженную колебательную структуру и соответствует электронно-
колебательному переходу В2Ху2 ^ ХХщ эк-сипл екса монобромида ртути [20]. Основная часть интенсивности излучения сконцентрирована в диапазоне длин волн 512—450 нм. Форма спектральной полосы, ее ширина на полувысоте (15—16 нм) аналогичны спектральным полосам, соответствующим переходу В ^ X в моногалоге-нидах ртути, которые приведены в работах [5—15, 17]. Наблюдается крутой рост интенсивности в спектре со стороны участка с большими длинами волн и медленный спад в области меньших длин
I, отн. ед 1.0
400
450
500
550 X, нм
Рис. 1. Спектры излучения барьерного разряда для смеси: 1 — ЩВг2 : SF6 : Не = 0.1 : 0.07 : 117 кПа, общее давление смеси Р = 117.17 кПа; 2 — ^Вг2 : Не = = 0.1 : 117 кПа. Общее давление смеси Р = 117.1 кПа. Частота следования импульсов накачки / = 6 кГц, амплитуда напряжения иа = 9 кВ.
P, мВт 40'
30
20
10
100
200 Psf^ Па
Рис. 2. Зависимость мощности излучения эксиплекса HgBr* от парциального давления гексафторида серы для смеси HgBr2 : SFg : He. Парциальное давление паров HgBr2 Р = 0.1 кПа, гелия Р = 117 кПа. Частота следования импульсов f = 6 кГц, амплитуда импульса напряжения Ua = 9 кВ.
волн. На этом же рисунке для сравнения приведен спектр излучения газоразрядной плазмы для двойной смеси HgBr2 : He (спектр 2). Парциальные давления паров дибромида ртути и гелия были такими же, как и в смеси паров дибромида ртути, гексафторида серы и гелия (0.1 и 117 кПа соответственно).
На рис. 2 представлены результаты исследований зависимости мощности излучения эксиплек-
са HgBr* от парциального давления гексафторида серы. Наблюдается резкое увеличение мощности излучения эксиплекса HgBr* от значения 7.5 мВт до величины 42 мВт при возрастании парциального давления SF6 от 0 до 70 Па. Дальнейшее повышение парциального давления гексафторида серы свыше 70 Па приводит к относительно плавному падению мощности излучения эксиплекса монобромида ртути. Подобная зависимость мощности из
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.