WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

(3) – взаимодействие с фотонами ( – матрица вероятностей фотопереходов, r r F0, F – вектора скоростей фотоионизации и фоторекомбинации) Xi X + h, Ai j ;

j (4) + Xi + h X + e, F0i ;

(5) + X + e X + h, Fi ;

j (6) r – образование и распад молекулярного иона M+ X2+ (1 – вектор скоростей r ассоциативной ионизации, – вектор скоростей диссоциативной рекомбинации, – константа скорости образования молекулярного иона, реакция конверсии) + Xi + X1 M + e, (1) ; (7) i + M + e X + X1, (2) j ; (8) j + + X + 2X1 M + X1, (3) ; (9) + X где Х1 – концентрация атомов в основном состоянии, – концентрация молекулярных ионов или М+ и диссоциативной рекомбинацией.

В [1] подробно рассматривается система уравнений многоуровневой кинетики для тяжёлых инертных газов в матричном представлении. Заселённости всех состояний атома (основного и возбуждённых) записываются в виде вектора r состояния X. На этот искомый вектор воздействует релаксационная матрица, а в правой части собраны рекомбинационные процессы как функции источника.

В работе [19] и последующих расчётах решалась система кинетических уравнений для концентрации ионов r r Ne X1(1 X), + 1X = 1+ r 2 Ne r r Ne X1(1 X), + r + M = (10) 1+ r 2 Ne r r r r Ne VX = (F + NeT + r2), 1+ r r r где V = + Ne + Ne ZO+ FO+ X1(1 - a 1) 3 Xи r =.

2 Ne Особенность записи системы состоит в том, что удалось исключить r + + концентрации X и X и получить уравнение только для вектора заселенностей X.

r “Источниками” для вектора X в этом уравнении являются рекомбинационные r ) процессы, а матрица V - оператором, учитывающим силу их влияния на X.

Результатом решения квазистационарных уравнений многоуровневой кинетики (10) являются диаграммы метаравновесных состояний, рис.6, которые принципиально отличаются от рассматриваемых ранее диаграмм параметров, рис.3.

Появляется нетрадиционная область гистерезисного характера. Из решения (10) заселённости многих состояний просуммированы и получены достаточно ”физичные” зависимости концентраций электронов от суммы искомых решений и температуры электронов (ФРЭЭ), которые в [19] названы диаграммами метаравновесных состояний. Ранее подобные задачи с таких позиций не рассматривались.

Наш расчет квазистационарной многоуровневой кинетики, позволил впервые объяснить классический эксперимент [20] В.Н. Колесникова - спектроскопические исследования плазмы постоянной дуги в аргоне при атмосферном давлении в широком диапазоне изменения силы тока (концентрации электронов). По спектрам аргоновой дуги были измерены температуры (рис.7 д): температуры электронов Te по сплошному спектру (тормозное излучение) – кривая 1; температура возбуждения, определенная по распределению заселенностей низколежащих уровней аргона (относительно основного состояния) – кривая 2; температура, определенная из формулы Саха (известны давление и ток) – 3; температура возбуждения из распределений высоколежащих уровней – кривая 4.

Иными словами, из графика следует, что до концентраций Ne > 6.1015 см-(токах, больших 20 А) разные спектроскопические методы определения температуры электронов дают одинаковый результат (одна кривая), при меньших концентрациях кривые расходятся, а стало быть, температуры, определяемые по возбуждённым состояниям разных групп уровней возбуждения, различны.

В работе произведён детальный расчет определяемых в эксперименте температур (рис. 7 д) согласно нашей модели. Для этого задавались незначительно изменяющие температуры электронов: а) Te = 1.1; б) Te = 1.05; в) Te = 1.0; и г) Te = 0.97 эВ (при этом температура газа оставалась комнатной), а также концентрации электронов. Из расчета многоуровневой кинетики аргона (n = 64) построены РВС (рис. 7 а, б, в, г). На каждом из них имеем по два РВС. Верхние РВС на рис. 7 а, б, в, г (прямые 1, красный цвет), дают температуры, определяемые по наклону, Твозб. = 1.1; 1.05; 1.0; 0.97 эВ. Эти температуры нанесены на рис. 7 д (правая красная кривая). Левые кривые (синие пунктирные) на рис. 7 д соответствуют распределениям СИМР, ломаная 2 на рис. 7 а, б, в, г: верхняя кривая – температура по тормозному спектру (в нашем случае заданная температура электронов); средняя кривая определялась по первому отрезку ломаной 2; нижняя кривая определялась по второму отрезку ломаной 2. Сплошные черные кривые повторяют эксперимент В.Н.

Колесникова.

Такое объяснение является неоспоримым доказательством равноправного существования двух кинетических квазиравновесий: ЛТР при концентрациях электронов Ne > 6.1015 см-3 и СИМР при меньших концентрациях электронов, что соответствует на диаграмме метаравновесных состояний (рис. 6) точкам 1 и 2.

Обратимся к экспериментальной работе [21], которая посвящена спектроскопическим исследованиям сверхзвуковых плазменных струй и измерениям заселённостей уровней атома аргона.

Для определения абсолютных значений интенсивностей линий аргона в струе, излучение струи в этой работе сравнивалось с излучением эталонного дугового источника – аргоновой стабилизированной дуги с силой тока I = 15 А, горящей при атмосферном давлении. При сопоставлении этой дуги с дугой Колесникова отмечается их идентичность (току I = 15 А соответствует концентрация электронов Ne ~ 7.1015 см-3, а температура электронов Те ~ 8.5 кК. Две экспериментальные дуги идентичны. Рассматриваемые параметры эталонной дуги в [21] находятся в области СИМР, рис. 8.г (оранжевая штриховая 5). Что же касается рис. а, б, в, то при незначительном варьировании температуры электронов наклоны РВС заметно меняются. По нашим расчетам плазмы дуги в аргоне [21], рис. 8 г, кривая 2.

температура электронов равна 11200 К, (~1 эВ) и не совпадает с температурой РВС Твозб. = 0.75 эВ = 8700K. Заметим, абсолютные значения заселённостей в эксперименте меньше в 2 раза, чем расчетные.

Прежде, чем перейти к струе, рассмотрим состояние плазмы в сопле, когда измерены ток – 108 А. и давление – 52.6 кПа, Ne ~ 3.1016 см-3.

Учитывая, что в сопле (диаметр сопла 2.5 мм.), для ВУФ излучения плазму можно считать оптически плотной, поскольку коэффициент поглощения в резонансных линиях > 10. Рассмотрим диаграмму метаравновесных состояний в предельном случае, когда параметр Бибермана-Холстейна полагается равным нулю, рис. 9 б. При давлении пол атмосферы концентрация ядер близка к 1018 см-3.

Температуру электронов находим из диаграммы на рис. 9 б, она равна 1 эВ.

В области расширения сопла до диаметра 6.4 мм плазма становится оптически более прозрачной, поэтому с некоторыми допущениями рассмотрим диаграмму на рис. 9 а при Те= 1 эВ. При одинаковой плотности ядер 1018 см-3 и температуре 1 эВ возможны два состояния: с lgNe = 16.18 и lgNe = 15.12 см-3. Экспериментально получены концентрации электронов Ne вблизи среза сопла, измеренные по уширению линий H водорода (малая примесь), Ne = 1.1.1015 см-3. На срезе мы “перескакиваем” в более низкое по Ne состояние СИМР.

В плазме струи измерялись интенсивности линий Ar I (в излучении) на расстоянии 2 мм (60 ПА) и 4 мм (4 ПА). от среза сопла Энергии верхних уровней, с которых происходят фотопереходы, лежат в интервале энергий от 13.33 до 15.32 эВ.

Уровни группы 4s не определены.

Время пролёта расстояния до щели (~ 2, 4 мм.) составляет ~10-7 c. За десятые доли микросекунды атомы “не успевают сбросить возбуждение” – плазма рекомбинационного типа. Заселённости, полученные из спектров в струе, сохраняют характер РВС плазмы на срезе сопла. Рассмотрим РВС для плотности ядер порядка 1018, температур, близких к 1 эВ, и сравним эксперимент с расчетом. Рассчитанные РВС приведены на рис. 8: а) Т=1.1 эВ; б) Т=1.05 эВ; в) Т=1.0 эВ; г) Т=0.97 эВ (синие квадраты). На эти РВС нанесены экспериментальные заселённости: сиреневые точки, x = 4 мм; зеленые точки, x =2 мм). Прямые 3 и 4 – воспроизводят авторский наклон (температуру возбуждения). Наилучшее соответствие расчета и эксперимента (на мм) достигнуто в случае – “в” (Te = 1 эВ и Ne = 1015 см-3).

Авторы [21] полагали, что температура электронов T = 6300 К, а концентрация электронов Ne = 1.1.1015см-3. Нами же выявлено, что температура электронов плазмы на срезе сопла равна Te = 1 эВ = 11 600 К, концентрация электронов – lgNe = 15.12, температура возбуждения Tвозб. = 7000 К.

Отметим, что в случае P = 4 Па, x = 4 мм при Te = 1 эВ при определении наклона авторами проигнорированы переходы 4s[3/2]14p[1/2]0 ( = 7514 A ) и 4s[3/2]24p’[1/2]1 ( = 6965 A) с энергиями верхних уровней 13.27 эВ и 13.33 эВ соответственно. Если учесть эти переходы, то температура возбуждения будет 6300 К (штрихпунктирная сиреневая прямая 1).

Таким образом, нами показано, что температура электронов плазмы на срезе сопла равна Te = 1 эВ, концентрация электронов – lgNe = 15.12, температура возбуждения Tвозб. ~7000 К. Авторы [21] не определена температура и концентрация свободных электронов в этом случае.

Параметры плазмы в эксперименте [22] аналогичны [20, 21]. Объектом исследования была дуга с вытяжкой газа со стороны электродов. Холодный газ втягивался в канал разряда, нагревался, ионизировался и после прохождения через канал вытягивался через сопло на электроды (проточная дуга). При силе тока I = 5 А и атмосферном давлении концентрация электронов, измеренная по ширине линий H -оказалась равной Ne = 3.2 1015 см. На рис. 10 сравниваются расчетные РВС с экспериментальными [22] (табл. 3.3.1). Наиболее удовлетворительное совпадение достигнуто в случае “в”, когда Tвозб. = 0.72 эВ = 8350 К. Отметим, что мы находимся в области СИМР, согласно нашей модели температура электронов Te = 1 эВ = 11600 К.

Авторы [22] отмечают, что температура электронов, определяемая по непрерывному спектру больше на 40 – 50 %, чем температура, полученная из экспериментальных РВС. Это замечание окончательно убеждает в достоверности представленной нами модели.

В четвертой главе речь идет о формировании профилей линий ксенона. При обработке экспериментальных данных удобно пользоваться величинами ширин, приходящихся на один электрон или один атом 4e Ne, v Ne, N, 3 Na.

6 a Значения Ne, Ne,, Na для температур Te = 0.5; 0.7; 0.9 эВ N 4e v 6 a Переход, N, Te, э, N v Ne, 3 Na, 4e e 6 a эВ/см-эВ/см-эВ/см-эВ/см-6s[3/2]17p[1/2]0 4807 0,5 0,007447718 0,010755629 5,68966E-06 3,96401E-0,7 0,007984194 0,010412868 1,2437E-05 3,92607E-0,9 0,008188001 0,009248244 6,74994E-06 3,95826E-6s[3/2]27p[1/2]1 5028.3 0,5 0,01117856 0,028521201 1,05855E-05 3,96401E-0,7 0,012147715 0,028603845 1,18779E-05 3,96401E-0,9 0,106853719 0,236911098 1,22532E-05 3,96401E-6s[3/2]1,27p[1/2]1 5028.3 0,5 0,015602417 0,018752474 1,03242E-05 3,96401E-4611.9 0,7 0,016755037 0,017758148 1,12543E-05 3,96401E-0,9 0,146171709 0,140016012 1,16536E-05 3,96401E-6s[3/2]1,27p[3/2]1 4829.7 0,5 0,018795167 0,041165307 1,07297E-05 3,96401E-4792.6 0,7 0,019570067 0,031279603 1,21289E-05 3,96401E-0,9 0,1724514 0,219430454 1,21358E-05 3,96401E-6s[3/2]1,27p[3/2]2 4843.3 0,5 0,092648495 0,086150903 1,0747E-05 3,96401E-4624.3 0,7 0,09658104 0,092939048 1,17851E-05 3,96401E-0,9 0,86100845 0,896468221 1,22165E-05 3,96401E-6s[3/2]1,27p[5/2]2 4923.2 0,5 0,02315338 0,047737315 1,06247E-05 3,96401E-4697 0,7 0,025705671 0,044573263 1,17851E-05 3,96401E-0,9 0,217368417 0,384807842 1,2041E-05 3,96401E-6s[3/2]27p[5/2]3 4671.2 0,5 0,02576662 0,02585488 1,04997E-05 0,7 0,027611666 0,027040238 1,15105E-05 0,9 0,235319997 0,175581481 1,18523E-05 Основные выводы.

1. Впервые в рамках метаравновесной модели двухтемпературной квазистационарной плазмы поставлена и решена задача моделирования РВС аргона позволяющая объяснить классический эксперимент В.Н. Колесникова, относящийся к спектроскопическим исследованиям дугового разряда при атмосферном давлении (разнозначный характер распределений в плазме аргоновой дуги).

2. Значения заселённостей, полученные в результате решения квазистационарной многоуровневой кинетики в рамках СИМР модели и относящиеся к нетрадиционной области СИМР, при концентрации электронов Ne < 1016, группируются в отдельные отрезки с разными наклонами (температурами), образуя ломаную кривую. Эти распределения подтверждены экспериментально в условиях стационарного дугового разряда в аргоне, в условиях проточной дуги в аргоне и сверхзвуковой плазменной струи Ar.

3. РВС, рассчитанные в рамках СИМР - модели и хорошо согласующиеся с рассмотренными экспериментами, позволяют объяснить существование двух кинетических квазиравновесий: ЛТР при концентрациях электронов Ne > 6.1015 см-3 и СИМР при меньших концентрациях электронов.

4. Результаты расчетов компонентного состава аргона, окиси иттрия и текстолита в рамках статистического подхода представлены на диаграмме параметров как зависимости концентрации электронов от числа ядер. При малых значениях числа ядер Nяд (1016 – 1017 см-3) концентрации электронов имеют близкие значения независимо от химического элемента. Далее – для текстолита и аргона (большие потенциалы ионизации) значения Ne на порядок отличаются от значений для LiH и Y2O3. Характер зависимости для одно–, двух– и трехкомпонентной плазмы не меняется.

5. В рамках статистического подхода рассчитан компонентный состав плазмы окиси иттрия в интервале температур 10 – 35 кК и давлений Р = 0.01; 0.1; 1; 10; 25;

50 МПа, что соответствует предполагаемым параметрам плазмы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС). При температуре Т = 27 кК и давлении Р = 25 МПа в плазме преобладают второй и первый ионы иттрия Y++ и Y+, а также первый ион и атом кислорода O+ и O. Концентрации электронов порядка 6. 1019 см -3.

6. В расшифрованном спектре плазмы окиси иттрия, истекающей из канала сильноточного разряда в КРИС на фоне сплошного спектра в поглощении видны в основном линии атома и первого иона иттрия, а также фиксируются чёткие молекулярные полосы YO. Отсутствуют линии атома кислорода. Линии второго иона иттрия - единичны.

7. В спектре C37H47O16 плазмы струи, истекающей из капилляра в сильноточном разряде, в рекомбинационной области наблюдаются 27 слабых линий, Все линии в рекомбинационной области наблюдаются в излучении и принадлежат, в основном, ионам C+ и O+. Второй ион углерода C++ представлен четырьмя линиями, а O++ – одной линией. Линии атома кислорода отсутствуют. Такой линейчатый спектр согласно расчетам компонентного состава в рамках статистического подхода плазмы текстолита при давлении Р = 105 Па соответствует температуре Т ~ 20 кК. Из водородных линий отмечается необыкновенно яркая и мощная линия H, при этом другие линии серии Бальмера отсутствуют. Обнаружение такой мощной линии в “шубе” струи подтверждает предположение Л.И. Гудзенко о возможности инверсной заселённости и реализации лазера на линии H в струе. Этому способствует состав плазмы текстолита.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»