ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 1, с. 28-39
СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^^^^^ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
УДК 537.24:535:23
ОПТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ И ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ В СМЕСИ КРИПТОН/ГЕЛИЙ С ДОБАВКОЙ ДИБРОМИДА РТУТИ
© 2015 г. А. А. Малинина*, С. М. Стариковская**, А. Н. Малинин*
*Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина **Лаборатория физики плазмы, Эколь политехник, 91128Париж, Франция E-mail: ant.malinina@yandex.ru Поступила в редакцию 05.05.2014 г.
Исследованы спектральные и электрические характеристики плазмы барьерного наносекундного разряда атмосферного давления на смеси HgBr2/Kr/He. Разряд инициировался импульсами напряжения положительной полярности амплитудой 10 кВ с временем нарастания фронта 4 нс и длительностью на полувысоте 28 нс. Исследована эмиссия эксиплексных молекул HgBr (B2Е+/2 - X2Z +/2) и
KrBr (B2Z +/2 - X2Z +/2, С3/2—АП1/2, Di/2—Ani/2). На основе измерения временного поведения спектров B-X-перехода молекулы HgBr, 502 нм и B-X-перехода молекулы KrBr, 207 нм сделаны выводы о механизме образования эксиплексных молекул в наносекундном разряде. На основе численного решения уравнения Больцмана для функции распределения электронов проанализировано распределение энергии и скоростей процессов, ответственных за эмиссию молекул HgBr и KrBr. Исследования подтвердили возможность оптимизации импульса питания для получения максимальной эффективности одновременной эмиссии в ультрафиолетовом и видимом (зеленый свет) спектральных диапазонах в разряде атмосферного давления в смеси HgBr2/Kr/He.
DOI: 1 0.7868/S00304034 1 4 1 20 1 50
ВВЕДЕНИЕ
Эмиссионные характеристики и параметры плазмы являются важными как для улучшения существующих, так и для создания новых источников излучения [1]. Плазма на смесях паров диб-ромида ртути с атомными газами может быть эффективным источником когерентной и спонтанной эмиссии в сине-зеленом диапазоне спектра с максимумом эмиссии на длине волны ^макс = = 502нм [2]. Источники света, работающие на подобных смесях, обеспечивают высокую спектральную мощность излучения, важную для практических применений, таких как источники активного фотосинтетического излучения или лазеры [2—8].
В последние десятилетия эмиссия газовых смесей, включающих пары дибромида и дийоди-да, инертные газы, молекулярный азот или 8Р6, активно исследовалась в сине-зеленом спектральном диапазоне [2—16]. Плазма атмосферного давления в рабочих смесях создавалась в тлеющем и барьерном разрядах при импульсно-пери-одической или синусоидальной форме напряжения питания.
Высокая эффективность излучения продемонстрирована недавно [17, 18] для смесей, содержащих добавки и§бг2. Смеси самонагревались раз-
рядом при высокой частоте следования импульсов накачки. Эксперименты были проведены при синусоидальной форме накачки частотой 120 кГц и при импульсной накачке (длительность импульсов 400-600 нс) при 1-12 кГц [17-20]. Наблюдалась эмиссия эксиплексных молекул ЩБг* и ХеБг* на длинах волн ^макс = 502 нм и ^макс = 281 нм соответственно. Излучение двух длин волн в видимом и ультрафиолетовом спектральных диапазонах может быть эффективно использовано для активации процесса фотосинтеза с одновременным разрушением вирусов и бактерий [9, 10]. Для определения механизма образования эксиплекс-ных молекул, излучающих в ультрафиолетовом спектральном диапазоне, необходимо проведение экспериментов с временным разрешением при условиях скоростного импульсного возбуждения.
Настоящая работа посвящена исследованию оптической эмиссии (200-600 нм) разряда, инициированного наносекундными импульсами высокого напряжения в смеси И§Вг2/Кг/Ие. На основе экспериментов с временным разрешением в ультрафиолетовом и видимом спектральном диапазонах проанализирован механизм образования молекул ЩБг* и КгБг*.
210 мм
/
V .электрод
Кварцевая трубка /Высоковольтный
L
Разрядное ^пространство 4 Заземленный электрод
Рис.1. Схема разрядной трубки.
Шунт 1 K Шунт 2
Нагреватель
=Кт
-Г— $ hv
П Аттенюатер ПАттенюатер Л
Генератор 1
Генератор 2
J
Осциллограф
ПЗС
Спектрометр ПК
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: генератор 1 — высоковольтный генератор импульсов, К — коаксиальный кабель (Я = 50 Ом), шунты: 1, 2 — токовые шунты, Л — кварцевая линза, генератор 2 — генератор синхроимпульсов, осциллограф, эксиплексная лампа (разрядная трубка), внешний нагреватель с термопарой (Т), спектрометр с персональным компьютером (ПК), ПЗС-камера (ПЗС).
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема разрядного устройства приведена на рис. 1. Разряд в смеси паров дибромида ртути с гелием и криптоном (HgBr2/Kr/He) создавался в кварцевой трубке внешним диаметром 10 мм и длиной 210 мм. В качестве высоковольтного электрода использовался вольфрамовый стержень диаметром 2 мм. Расстояние между центральным вольфрамовым электродом и внутренней поверхностью кварцевой трубки составляло 3 мм. В качестве внешнего электрода использовалась металлическая сетка с коэффициентом пропускания 0.7, закрепленная на внешней поверхности трубки.
Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 2. Импульсы высокого напряжения положительной полярности амплитудой 12 кВ, фронтом 3 нс и длительностью на полувысоте 28 нс подавались с высоковольтного генератора FID FPG 10—1MKS20 на высоковольтный электрод разрядного устройства по коаксиальному кабелю RG213 (р = 50 Ом) длиной 26 м. Низкая частота следования разряда (10 Гц) обес-
печивала накопление сигнала в отсутствие разогрева газовой смеси разрядом.
Амплитуда и временное поведение импульсов напряжения и тока измерялись с помощью шунта обратного тока (R = 0.157 Ом), включенного в разрыв оплетки кабеля на расстоянии 13 м от разрядного устройства, и осциллографа LeCroy WR44Xi.
Перед проведением экспериментов кварцевая трубка откачивалась механическим насосом (Edwards XDS-5) в течение 2 ч при прогреве до 70°C. Порошок дибромида ртути (100 мг) предварительно равномерно насыпался внутри газоразрядной трубки. Парциальное давление насыщенных паров дибромида ртути создавалось за счет нагрева исследуемой смеси внешним нагревателем и определялось по температуре наиболее холодной точки кюветы с помощью термопары Т (рис. 2) на основании справочных данных работы [21]. Общее парциальное давление смеси газов криптон/гелий (8.4%/91.6%) измерялось емкостным датчиком давления TPR-280 перед нагреванием газа. Относительные ошибки измерений общего парциального давления газов криптон/ге-
1.5 нс 5.5 нс 9.5 нс
13.5 нс 17.5 нс 21.5 нс 25.5 нс
29.5 нс 33.5 нс 37.5 нс 41.5 нс
Рис. 3. ПЗС-изображения эмиссии разряда для различных промежутков времени. Смесь ЩВг^Кг/Ие = 0.1 Па/ 10 кПа/110 кПа. Время экспозиции 2 нс. Изображение Г = 0 соответствует первой эмиссии, временная задержка для каждого изображения указана в верхнем правом углу.
лий и парциального давления дибромида ртути составляли не более 2%. Парциальное давление паров дибромида ртути в смеси HgBr2/Kr/Hе изменялось в диапазоне 0.1—1.1 Па, а парциальные давления газов криптона и гелия были постоянны и составляли 10 и 110 кПа соответственно.
Интегрированная по спектру (200—800 нм) картина излучения разряда регистрировалась с помощью ПЗС-камеры с усилителем яркости iStar DH-734 (ANDOR) с временным разрешением 2 нс.
Интегрированные во времени спектры оптической эмиссии измерялись с помощью спектрометра Shamrock SR303i (дифракционная решетка 2400 штр/мм) и камеры iStar DH-734. Спектральное разрешение системы регистрации не превышало 0.1 нм. Времяразрешенные спектры излучения регистрировались фотоэлектронным умножителем Hamamatsu H6610 с временным разрешением 0.7 нс. Спектральные полосы выде-
лялись узкополосными фильтрами ((480 ± 10) нм для ЩБг и (210 ± 10) нм для КгБг).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Экспериментальные результаты
При комнатной температуре свечение разряда обусловлено инертными газами и имеет розовый оттенок. По мере разогрева смеси до температуры Т = 70°С цвет разряда становится сине-зеленым.
На рис. 3 приведены изображения свечения барьерного наносекундного разряда в смеси И§Вг2/Кг/Ие = 0.1 Па /10 кПа/110 кПа. Предполагалось, что вследствие высоких скоростей тушения излучающих состояний при Р > 1 атм снимки свечения разряда с короткой (2 нс) выдержкой адекватно отражают пространственную структуру разряда. Первое изображение получено в момент появления свечения в разрядном объеме, второе — через 1.5 нс. Последующие фотографии сняты с интервалом 4 нс. Соответствующие
и, кВ
10
-5
-10
200
400
600
800
t, нс
Рис. 4. Напряжение в кабеле, измеренное шунтом обратного тока в кабеле длиной 13 м от разрядной трубки. 1 — падающий импульс, приходящий от генератора высокого напряжения, 2, 4, 6 — импульсы, отраженные от разрядной трубки плазмой, 3, 5 — импульсы, отраженные от генератора.
числа указаны в правом верхнем углу каждого изображения. Разряд начинается серией микроразрядов (ярких каналов), возникающих у ввода высоковольтного электрода между стержнем электрода и внутренней поверхностью кварцевой трубки. В пределах нескольких наносекунд разряд развивается вдоль трубки до конца высоковольтного электрода, число микроразрядов увеличивается. В течение высоковольтного импульса интенсивность излучения меняется стохастически вдоль трубки; зоны микроразрядов и темные зоны чередуются, появляясь и возникая с характерным временем 4—5 нс. Несмотря на стохастический характер разряда, сигнал излучения, усредненный по нескольким десяткам-сотням импульсов, представляет собой стабильную картину во всех сечениях трубки. Изменение во времени числа микроразрядов (рис. 3) и их пространственное распределение внутри межэлектродного промежутка вызваны накоплением заряда на поверхности диэлектрика и его рассасыванием в процессе протекания тока зарядки и последующей разрядки емкости диэлектрика [22].
Импульсы напряжения в кабеле, измеренные шунтом обратного тока на расстоянии 13 м от высоковольтного электрода, представлены на рис. 4. Длина кабеля позволяет разделить импульсы, идущие от генератора высокого напряжения (импульсы 1, 3, 5 на рис.
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.