ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 9, с. 858-866
ДИАГНОСТИКА ^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 621.373.826.038.823
ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ НА СМЕСИ ПАРОВ ДИБРОМИДА РТУТИ, АЗОТА И ГЕЛИЯ © 2010 г. А. А. Малинина, Н. Н. Гуйван, Л. Л. Шимон, А. К. Шуаибов
Ужгородский национальный университет, Ужгород, Украина Поступила в редакцию 28.12.2009 г. Окончательный вариант получен 12.04.2010 г.
Представлены результаты исследований оптических характеристик и параметров газоразрядной плазмы барьерного разряда атмосферного давления на смеси паров дибромида ртути, азота и гелия, которая использовалась в качестве рабочей среды малогабаритного (площадь излучения 8 см2) эк-сиплексного газоразрядного излучателя. Достигнута средняя мощность излучения 87 мВт (X тах = 502 нм). Рассчитаны 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 Е/Ы.
Газоразрядная плазма на смеси паров дибромида ртути, азота с гелием может быть применена в качестве рабочей среды малогабаритного источника излучения в сине-зеленой спектральной области. Такой источник излучения может быть использован для научных исследований в области биотехнологии, фотоники, медицины, а также для создания индикаторных газоразрядных панелей.
1. ВВЕДЕНИЕ
Газоразрядная плазма на смеси паров дибромида ртути с газами является рабочей средой источников когерентного и спонтанного излучения в сине-зеленой спектральной области с длиной волны в максимуме яркости спектральной полосы Xтах = 502 нм ЩВг (В —»- X). Создание газоразрядной плазмы и возбуждение компонент рабочей смеси осуществлялось в объемном тлеющем, барьерном и поверхностном разрядах при атмосферном общем давлении. Исследования оптических характеристик проводились в объемах рабочих устройств больше 200 см3, что в основном было связано с необходимостью получения высоких значений мощностей импульсно-периодического излучения (рекордных в видимой области) для использования в различных научных и прикладных применениях [1—15].
Ряд прикладных задач требуют создания эффективных источников излучения для сине-зеленой спектральной области с малой площадью излучения [16—18]. В наших исследованиях оптических характеристик и параметров газоразрядной плазмы на смеси паров дибромида ртути и гелия было установлено, что такая плазма может быть применена в качестве рабочей среды малогабаритного излучателя в сине-зеленой спектральной области [19].
В настоящей статье представлены результаты исследований оптических характеристик и параметров газоразрядной плазмы барьерного разряда
на смеси паров дибромида ртути, азота и гелия малогабаритного источника излучения с повышенной средней мощностью излучения по сравнению с источником на смеси только паров дибромида ртути и гелия.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Газоразрядная плазма на смеси паров дибро-мида ртути, азота и гелия создавалась барьерным разрядом в малогабаритном излучателе с цилиндрической рабочей апертурой, которая изготовлена из кварцевой трубки. Конструкция излучателя была аналогична примененной нами в излучателе на смеси паров дибромида ртути и гелия [19]. Внешний диаметр трубки толщиной стенки 1 мм равнялся 8.8 мм. Во внутренней части излучателя, вдоль его оси установлен молибденовый электрод диаметром 2 мм, длиной 5 см. Внешний электрод изготовлен из сетки из нержавеющей стали (коэффициент пропускания излучения ~0.7). Длина его составляет 3 см. Разрядный промежуток — 2.4 мм. В торце кварцевой трубки имеется капилляр диаметром 1.5 мм, который служит для уменьшения выноса паров дибромида ртути с излучателя в вакуумную газосмесительную систему.
Экспериментальные исследования спектральных и электрических характеристик осуществля-
лись системой регистрации, блок-схема которой представлена на рис. 1.
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—10 кВ.
Рабочие смеси готовились непосредственно в объеме излучателя. Порошок дибромида ртути (ЩВг2) в количестве 20 мг равномерно насыпался внутрь разрядной кюветы. В отличие от экспериментов, описанных в работе [20], в наших исследованиях оптических характеристик излучения газоразрядной плазмы парциальные давления насыщенных паров дибромида ртути создавались в большинстве экспериментов путем саморазогрева рабочей смеси за счет диссипации энергии разряда. После загрузки соли производилось обезвоживание источника излучения путем прогрева его 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 [21]. В условиях нашего эксперимента они изменялись в пределах 0.1—2 кПа. Парциальные давления гелия и азота измерялись образцовым, мембранным манометром и вакуумметром соответственно.
Излучение разряда регистрировалось в направлении, перпендикулярном боковой поверхности кварцевой трубки излучателя, и анализировалось в спектральном диапазоне 250—800 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 поверхностью источника излучения, определялась из выражения [22]
Ризл ^0Рпр/^пр,
1
ГИН
ГИ
Д л
М
ФП
ПР
СП
У
О
В
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: ГИН — генератор импульсных напряжений; ГИ — газоразрядный излучатель; Д — диафрагма; Л — линза; М — дифракционный монохроматор СД-7; ФП — фотоэлектронный умножитель ФЭУ-106; У — усилитель У5-9; СП — самописец КСП-4; О — осциллограф С1-72; ПР — пояс Роговского, В — вольтметр.
где Рпр — мощность, регистрируемая фотоприемником; — эквивалентный телесный угол (для цилиндрической поверхности его значение составляет п2 [16]); ^пр = £пр/10 — телесный угол фотоприемника, — площадь окошка фотоприемника; 10 — расстояние, на котором расположен фотоприемник от источника излучения.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования проводились в тройной смеси ЩВг2 : N : Не. Парциальное давление паров дибромида ртути и гелия составляло 0.1—0.8 кПа и 120 кПа соответственно, а парциальное давление азота изменялось в пределах 1—10 кПа. Парциальное давление гелия в экспериментах составляло одно и то же значение, оно было выбрано оптимальным, при котором наблюдается максимальная мощность излучения для двойной смеси ЩВг2 : Не [19].
Сразу после инициации барьерного разряда атмосферного давления наблюдался филаментар-ный режим горения БР, набор микроразрядов конусообразной формы с вершиной на металлическом электроде и основанием на внутренней поверхности кварцевой трубки излучателя. Цвет разряда в начальной стадии (первые 30 с) был розовым, поскольку определяется буферным газом гелием. В последующее время разряд горел сине-зеленым цветом. При этом наблюдался в основном диффузный и однородный характер разряда,
P, мВт 9
U, кВ 8
4
0
7
0 2 4 6
PN2, кПа
Рис. 2. Зависимость мощности излучения эксиплекса HgBr* от парциального давления азота для смеси HgBr2 : N2 : He. Парциальные давления дибромида
ртути и гелия p = 0.1 и 120 кПа соответственно. Частота следования импульсов f = 6 кГц.
200
I, A 10
5
0
-5 -10
400 600
t, нс
800
1000
Рис. 3. Осциллограммы импульсов тока и напряжения на электродах излучателя для смеси ЩВг2 : N2 : : Не = (0.1 : 4 : 120) кПа. Частота следования импульсов / = 6 кГц.
8
0
число филаментов не превышало трех, заметно сглаживался контраст яркости в объемном разряде (свечение по длине трубки имеет однородный характер, а по радиусу — более яркое на поверхности внутреннего электрода).
В полученных спектрах в видимом диапазоне существенно выделяется спектральная полоса с максимумом при длине волны X = 502 нм, которая имеет слаборазреженную колебательную структуру и соответствует электронно-колебательному переходу В^+/2 ^ Х^+/2 эксиплекс-ной молекулы ЩВг* (эксиплекс ЩВг*) [23]. Основная часть интенсивности излучения сконцентрирована в диапазоне длин волн 512—475 нм. Форма полосы и ее ширина на полувысоте (15— 16 нм) аналогична полосам, соответствующим переходу В ^ X в моногалогенидах ртути, приведенных в работах, в которых создание барьерного разряда осуществлялось в кварцевых трубках, как больших, так и малых размеров источников излучения [5—15, 19]. Наблюдается крутой рост интенсивности в спектре со стороны участка с большими длинами волн и медленный спад в области меньших длин волн.
На рис. 2 представлены результаты исследований зависимости мощности излучения эксиплекса ЩВг* от парциального давления азота. Наблюдается увеличение мощности излучения эк-сиплекса ЩВг* при возрастании парциального давления азота от величины 1 до 4 кПа до величины 8.7 мВт (парциальное давление паров дибромида ртути составляло 0.1 кПа). Дальнейшее повышение парциального давления азота приводит к падению мощности излучения эксиплекса мо-
нобромида ртути. Подобная зависимость мощности излучения эксиплекса HgBr* от парциального давления азота наблюдается и для смеси, в кот
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.