ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 621.373.826.038.823
ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ НА СМЕСИ ПАРОВ ДИБРОМИДА РТУТИ И НЕОНА © 2013 г. А. А. Малинина, А. Н. Малинин
Ужгородский национальный университет, Ужгород, Украина e-mail: alexandr_malinin@rambler.ru Поступила в редакцию 07.02.2013 г. Окончательный вариант получен 22.05.2013 г.
Представлены результаты исследований оптических характеристик и параметров газоразрядной плазмы барьерного разряда на смеси паров дибромида ртути и неона, которая являлась рабочей средой эксиплексного газоразрядного излучателя, конструкция которого отличалась от коаксиальной. Установлены 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 приведенной напряженности электрического поля. Константа скорости процесса, приводящего к образованию эксиплексных молекул монобромид ртути, составляет 1.6 х 10-14 м3/с для приведенного электрического поля Е/N = 15 Тд, при котором в условиях эксперимента наблюдалась максимальная яркость излучения в сине-зеленой спектральной области (X макс = 502 нм). DOI: 10.7868/S0367292113120068
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 интенсивности Хмакс = 502 нм [1—15]. Создание газоразрядной плазмы и возбуждение компонент рабочей смеси осуществлялось при атмосферном давлении в объемном, тлеющем, барьерном и поверхностном разрядах. Исследования ее оптических характеристик проводились в излучателях с рабочими объемами
>200 х 10-6 м3 и ~1 х 10-6 м3 [16—19]. Такие объемы необходимы для создания источников излучения в сине-зеленой спектральной области с большими и малыми значениями мощности излучения, и которые используются для решения различных научных и прикладных задач [20, 21]. В источниках спонтанного излучения в качестве буферного газа в основном применялся гелий. Конструкция их была коаксиальной, а излучающей зоной служила боковая поверхность. Для ряда научных и технологических применений необходимо обеспечить большую плотность и равномерность излучения по сечению излучателя. Использование в рабочей смеси более "тяжелых" буферных газов, чем гелий, обладающих меньшей проникающей
способностью через стенки излучателя, тем самым обеспечивает больший ресурс работы источника излучения [19].
Целью исследования было выявить закономерности в оптических характеристиках газоразрядной плазмы на смеси паров дибромида ртути с неоном, определить парциальное давление буферного газа неона, при котором достигается максимальная яркость излучения в сине-зеленом спектральном диапазоне в излучателе, конструкция которого отличалась от коаксиальной. Кроме того, целью исследования было определить параметры плазмы: функцию распределения электронов по энергиям, транспортные и энергетические характеристики, доли мощности разряда, приходящиеся на электронные процессы, концентрацию и температуру электронов, а также константы скоростей процессов упругого и неупругого рассеяния электронов на компонентах рабочей смеси в зависимости от величины приведенного электрического поля (Е/Ы — отношения напряженности электрического поля к общей концентрации компонент рабочей смеси), а также установить их величину для Е/Ы, при котором наблюдалась максимальная яркость излучения в эксперименте.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: ГК — газоразрядная кювета (1 — высоковольтный ввод, 2 — кварцевая трубка диаметром 34 мм, 3 — кварцевая трубка диаметром 9 мм, 4 — электроды, 5 — рабочий объем, 6 — патрубок), СОГ — система откачки и напуска газа, ГИН — генератор импульсных напряжений, Д —диафрагма, Л — линза, М — мо-нохроматор СД-7, ФП — фотоприемники (фотоэлектронные умножители ФЭУ-106 и 14 ЭЛУ-ФС), У — усилитель электрических сигналов У5-9, СП — самописец КСП-4, В — вольтметр Щ4300, О — осциллограф С7-10А, ПР — пояс Роговского.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования оптических характеристик газоразрядной плазмы на смеси паров дибромида ртути и неона осуществлялись на экспериментальной установке, блок-схема которой представлена на рис. 1. Основные узлы экспериментальной установки — газоразрядная кювета (ГК), система откачки и напуска газа (СОГ), генератор импульсных напряжений (ГИН) и система регистрации излучения. Регистрирующая система включает в себя монохроматор (М) СД-7, фотоприемники (ФП) фотоэлектронные умножители ФЭУ-106 и 14 ЭЛУ-ФС, усилитель электрических сигналов (У) У5-9, самописец (СП) КСП-4, вольтметр (В) Щ4300, осциллограф (О) С7-10А и пояс Роговского (ПР).
Газоразрядная плазма на смесях паров дибро-мида ртути и неона создавалась барьерным разрядом (БР) в ГК, которая изготовлялась из кварцевой трубки (2, рис. 1) диаметром 34 мм и длиной 200 мм. Вдоль газоразрядной оси излучателя на расстоянии 15 мм располагались два вольфрамовых электрода (4) диаметром 5 мм. Один из электродов помещался в кварцевую трубку (3) диаметром 9 мм. Для уменьшения выхода паров дибро-мида ртути с газоразрядной кюветы в СОГ к газоразрядной кювете приваривался патрубок (6), в середине которого находится капилляр диаметром 0.5 мм.
Возбуждение рабочей смеси в барьерном разряде атмосферного давления осуществлялось генератором с импульсно-периодической формой выходного напряжения частотой 1 кГц, амплитудой импульсов напряжения 30 кВ и длительностью 50 нс.
Излучение разряда исследовалось с торца излучателя после прохождения через диафрагму (Д)
и линзу (Л). Спектры излучения регистрировались посредством дифракционного монохрома-тора СД-7 (решетка 600 штр./мм) в спектральном диапазоне 380—600 нм. 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, а также импульсы излучения регистрировались с помощью осциллографа С7-10А, сигнал на который подавался с делителя напряжения и интегрирующей цепи калиброванного пояса Роговского, а также с выхода фотоэлектронного умножителя 14 ЭЛУ-ФС соответственно.
Рабочие смеси готовились непосредственно в объеме газоразрядной кюветы. Порошок дибромида ртути (ЩВг2) в количестве 60 мг равномерно насыпался внутрь разрядной кюветы. Парциальные давления насыщенных паров дибромида ртути создавались за счет нагрева разрядной кюветы внешним электронагревателем. После загрузки соли производилось обезвоживание источника излучения путем прогрева его при температуре 70°С и откачки в течение 2 ч. Значения парциального давления насыщенных паров диб-ромида ртути определялись по температуре наиболее холодной точки излучателя на основании интерполяции справочных данных работы [22]. Парциальное давление неона измерялись образцовым мембранным манометром (МО, класс точности 0.15).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования проводились в смеси ЩВг2:№. Парциальное давление паров дибромида ртути в экспериментах поддерживалось постоянным и
400
450
500
550 X, нм
Рис. 2. Спектр излучения барьерного разряда для смеси ЩВг2 : Не = 0.8 :100 кПа. Общее давление смеси Р = 100.8 кПа. Частота следования импульсов накачки / = 1 кГц, амплитуда импульса напряжения
120
р, кПа
Рис. 3. Зависимость яркости излучения эксиплекс-ной молекулы ЩВг* (X = 502 нм) от парциального давления буферного газа для смеси: 1 — ЩВг2/Не; 2 — ЩВг2/№. Давление насыщенных паров ЩВг2 равнялось 0.8 кПа. Частота следования импульсов накачки / = 1000 Гц.
иа = 30 кВ.
составляло значение 0.8 кПа — оптимальное значение, при котором наблюдалась максимальная интенсивность излучения в наших экспериментах по исследованию оптических характеристик газоразрядной плазмы на смеси ЩВг2:Не [23]. Давление неона изменялось в диапазоне 10— 120 кПа.
Сразу после инициации барьерного разряда наблюдался филаментарный режим горения БР, набор микроразрядов между металлическим электродом и внутренней поверхности кварцевой трубки (3) излучателя. Цвет разряда в начальной стадии (первых 30 с) определялся буферным газом неоном, а именно, красным цветом. В последующее время разряд светился сине-зеленым цветом. При этом наблюдался в основном диффузный и однородный характер разряда, сечение
которого составляло величину (5 х 14) х 10-6 м2, а протяженность — 0.2 м.
В полученных спектрах в видимом диапазоне существенно выделяется спектральная полоса с максимумом при длине волны X = 502 нм (рис. 2), которая имеет слаборазрешенную колебательную структуру и соответствует электронно-
колебательному переходу В22+/2 ^ X22+/2 эк-сиплексной молекулы ЩВг* [24]. Основная часть интенсивности излучения спектральной полосы сконцентрирована в диапазоне длин волн 512— 475 нм. Форма полосы и ее ширина на полувысоте (15—16 нм) аналогична полосам, соответствующим переходу В ^ Xмонобромида ртути, приведенных в работах, в которых создание барьерного разряда на смесях паров дибромида ртути, гелия и других газов осуществлялось в кварцевых трубках как больших размеров, так и малогабаритных источниках излучения. Наблюдалось резкое увели-
чение интенсивности излучения в спектре со стороны участка с большими длинами волн и медленное уменьшение ее в области меньших длин волн.
На рис. 3 представлены результаты исследований зависимости яркости излучения эксиплекс-ной молекулы ЩВг* от парциального давления неона. Кроме того, на рис. 3 приведена кривая зависимости яркости излучения ЩВг* от парциального давления гелия, которая нами определялась с целью сравнения результатов эмиссии монобромида ртути для двух разных газов. Наблюдается увеличение яркости излучения эк-сиплексной молекулы ЩВг* с повышением парциальных давлений как неона, так и гелия от величины 10 кПа до 117—120 кПа. Дальнейшее повышение парциальных давлений как неона,
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.