WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/001.pdf ВЛИЯНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И МИКРОКАПЕЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ НА ИНФРАКРАСНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ В ПЛОТНЫХ ПАРАХ НАТРИЯ Леонов А.Г. (leonov@ape.relarn.ru) (1), Руденко А.А. (1), Старостин А.Н.(2), Таран М.Д (2), Чехов Д.И. (1) (1) Московский физико-технический институт (2) ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований ВВЕДЕНИЕ Актуальность исследования механизмов формирования спектральных линий атомов и ионов и проблемы переноса резонансного излучения в плотных газах и плазме связана, в первую очередь, с необходимостью корректной интерпретации спектров излучения и поглощения плотных плазменных и газовых объектов, в том числе лазерной плазмы, плазмы Z- и X-пинчей и др., плазмы газоразрядных ламп высокого давления и т.д. В случае плотной среды, как было показано ранее [1-4], полная интенсивность ее излучения в значительной мере будет определяться формой контуров далеких крыльев спектральных линий при больших отстройках от резонанса ~ о (= – о, где – текущая частота, а о - частота резонансного перехода). Одной из проблем, возникающих при исследовании далеких крыльев линий, является активно обсуждающийся в настоящее время вопрос о происхождении интенсивного свечения и значительного поглощения в ближней инфракрасной области спектра, неоднократно наблюдавшихся в смесях плотных паров щелочных металлов с буферными газами атмосферного и более высокого давления (за пределами полос поглощения димеров Na2, К2 и др., на длинах волн > 0.9 мкм), в том числе и авторами данной работы [3-12]. Развитая ранее теоретическая модель формирования профиля далекого крыла спектральных линий [1-4], основанная на больцмановском спектральном распределении населенности резонансного уровня, с точностью до порядка величины описывала результаты экспериментов в парах натрия [3,4] в отличие от стандартной теории переноса излучения [13,14], расхождение которой с опытными данными при больших отстройках превышало 4 - 5 порядков.

Как было строго показано в [1,2,4] спектральная интенсивность спонтанного излучения в двухуровневом приближении может быть описана следующим выражением:

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 2 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/001.pdf ~ = (1/ 4)hAo N2(), (1) o ~ где Ао – вероятность спонтанного излучения, N2 () - эффективная спектральная населенность верхнего уровня (подробнее см. [1,2,4]):

~ ~ N2 () = N2a() exp[-h( - o ) / kT], (2) В (2) Т – температура, k = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, a() – формфактор ~ контура линии ( a()d = 1), а N2 - полная эффективная населенность верхнего уровня.

В равновесии будем иметь спектральное больцмановское распределение (g1, g2 – статистические веса уровней, N1 - полная населенность нижнего уровня):

g~ N2()= N1a()exp(- h / kT) (3) g~ (в отсутствие равновесия эффективная населенность N2 может быть найдена из уравнений кинетики, приведенных в [1,2]). Из (3) следует, что, строго говоря, даже в равновесии ~ полная эффективная населенность N не будет удовлетворять соотношению Больцмана и будет совпадать с истинной только в случае узкой линии h << T, где Г – ширина линии.

Следует отметить, что ранее выражения подобные (1) –(2), но с некорректной нормировкой контура линии было получено из простых физических соображений в работах [15,16].

В случае же широкой линии (подробнее см. [2-4]) интенсивность ее далекого крыла из-за наличия экспоненциального множителя может значительно превышать интенсивность, рассчитанную по стандартной теории [13,14], причем большая часть излучаемой в линии энергии может принадлежать именно ее нерезонансному "красному крылу", а не центральной околорезонансной части (при этом даже возможно возникновение дополнительного низкочастотного максимума в спектре свечения [3,4]), что качественно и объясняет полученные в [3,4] результаты измерений интенсивного теплового излучения паров натрия в инфракрасной области в области длин волн 2 – 3 мкм.

Однако теоретическая модель [4], описывавшая свечение паров натрия на больших отстройках, создавалась в предположении, что контур линии формируется квазистатическим уширением буферным газом в приближении ближайшего соседа, а справедливость такого описания в области больших отстроек неочевидна. Более того, в ряде экспериментальных работ (см., например, [17-20]) было показано, что при длинах волн, больших 0,64 - 0.7 мкм (в зависимости от типа уширяющего газа), контур «красного» квазистатического крыла D-линий натрия начинает испытывать экспоненциальный спад, что вполне удовлетворительно согласуется с результатами расчетов потенциалов взаимодействия Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 3 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/001.pdf атомов натрия с атомами различных буферных газов – аргона, ксенона и других. Учет этого эффекта в значительной мере компенсирует влияние больцмановского экспоненциального множителя в (1)-(3) и приводит в рамках модели [4] к существенному отрыву расчетных данных от экспериментально измеренной интенсивности свечения паров натрия при > 0.7 мкм. Тем не менее, следует отметить, что теория формирования контура спектральной линии на больших отстройках ~ о в настоящее время практически не развита.

Таким образом, вопрос о природе интенсивного свечения и значительного поглощения в инфракрасном диапазоне спектра в плотных парах щелочных металлов остается открытым. Анализ имеющихся в литературе данных и совокупности полученных нами ранее экспериментальных результатов показал, что, помимо бинарного квазистатического уширения D-линий натрия буферным газом, наблюдаемые особенности в инфракрасных спектрах излучения и поглощения смесей плотных паров щелочных металлов с буферными газами могут быть вызваны поглощением и излучением кластерной компонентой паров, в том числе поглощением и излучением на инфракрасных переходах димеров, тримеров и более сложных полимеров натрия, а также поглощением и излучением на микроскопических каплях жидкого щелочного металла. Последние в виде тумана неоднократно наблюдались в экспериментах с использованием для создания паров щелочного металла нагреваемых кювет типа «тепловой трубы» [7,8,10,21,22]. Однако влияние кластеров и микрокапель на оптические свойства паров в кюветах ранее не исследовалось, как не исследовались и закономерности возникновения таких микрочастиц, хотя их присутствие априори и выдвигалось в виде причины наблюдавшихся особенностей в спектрах излучения и поглощения. Отметим, что этот вопрос интересен и сам по себе, поскольку кюветы такого типа широко используются в экспериментальной практике [23,24].

Другой возможной причиной наблюдаемых эффектов может быть многочастичное уширение резонансного уровня в совокупности с больцмановским характером спектрального распределения населенностей (3) на резонансном уровне. В этом случае, возможно, с большой вероятностью реализуются такие конфигурации излучающего и нескольких (быть может, многих) возмущающих атомов, при которых каждый возмущающий атом создает лишь небольшой сдвиг уровней энергии излучающего, в то время как совокупность возмущающих атомов создает значительный сдвиг, приводящий к интенсивному излучению на больших отстройках от резонанса. Эта проблема также ранее практически не исследовалась (хотя ее отдельные аспекты и затрагивались в ряде работ – см., например, [25]), в то же время такой механизм вполне может быть существенен при больших давления паров натрия и буферного газа. Этот вопрос будет являться предметом отдельного исследования.

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 4 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/001.pdf Ранее нами уже кратко сообщалось о возможной роли присутствия в парах кластерной и капельной компоненты [5,26]. В данной работе более подробно изложены результаты экспериментов и теоретического моделирования этого эффекта с целью анализа его влияния на инфракрасные спектры излучения и поглощения смесей плотных паров щелочных металлов с буферными газами.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА Для исследования спектров поглощения и теплового свечения плотных паров натрия использовалась установка, основными узлами которой являются специально разработанные нагреваемые цилиндрические кюветы типа "тепловой трубы" с комплексом вакуумной откачки и напуска буферного газа, а также комплекс спектральной диагностики, предназначенный для измерений спектральной интенсивности излучения паров и измерения спектральных коэффициентов поглощения в них.

В данной работе использовалась кювета, аналогичная описанной в [4]. Внутренний радиус кюветы составлял Rp = 10 мм, а расстояние между водоохлаждаемыми фланцами составляло 2L1 = 150 мм. Внутри кюветы размещались 4 слоя сетки из нержавеющей стали, причем концы сетки доходили до охлаждаемой зоны. К водоохлаждаемым фланцам были пристыкованы патрубки, длиной L2 = 7,5 см, на концах которых вакуумно плотно монтировались сапфировые окна, толщиной 2 мм. После откачки кювета наполнялась инертным газом (гелием или аргоном) до давления 0.05 - 1 атм. и нагревалась до требуемой температуры. Распределение температуры по длине кювет Т(z) в нагреваемой области примерно соответствовало параболе 4-ой степени с максимумом в центре трубы (Т(z=0) = Tc,) и температурой на водоохлаждаемых фланцах Т(z= L1) = То, равной температуре охлаждающей воды (To ~ 293 K):

Tc - To T(z) = Tc - (4) z4; (0 z L1).

LПри L1 < |z| L2 T(z) = To.

Плотность паров натрия в кювете N определялась по кривой давления насыщенных паров [27] при температуре, соответствующей температуре стенок кюветы. В области температур до 800 К интегральная вдоль оси кюветы плотность паров измерялась также методом крюков Рождественского [28] с использованием интерферометра Майкельсона и широкополосного лазера на красителе, причем оба метода в указанной области температур дали совпадающие в пределах 20 % значения. Это свидетельствует о том, что, по крайней мере, в горячей зоне кюветы, где величина N максимальна, плотность паров действительно определяется давлением насыщенных паров при температуре стенки кюветы.

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 5 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/001.pdf Для измерений коэффициента поглощения в плотных парах натрия в качестве источника освещения трубы использовалось коллимированное излучение вольфрамовой лампы СИ-8-200. Излучение на выходе кюветы модулировалось механическим прерывателем с частотой около 800 Гц. Модулированный световой поток направлялся на входную щель монохроматора (с дифракционной решеткой 600 штрихов/мм и дисперсией 16/мм).

Калибровка спектра по длинам волн проводилась по спектру неоновой лампы (значения длин волн линий спектра неона брались из [29]). В фокальной плоскости спектрографа сразу за выходной щелью устанавливался приемник излучения - фотоэлектронный умножитель. Сигнал с приемников подавался на узкополосный усилитель и с его выхода поступал на вход синхронного детектора. Постоянное напряжение с выхода синхронного детектора регистрировалось аналого-цифровым преобразователем (АЦП), сигнал с которого поступал в компьютер.

Для определения величины поглощения в нагретых парах в каждом измерении регистрировался уровень сигнала Io, прошедшего через кювету при комнатной температуре, т.е., в отсутствии паров, и интенсивность излучения, прошедшего через кювету с парами натрия различной температуры I = Ir - I v, где Ir –регистрируемая интенсивность излучения, а I v - интенсивность собственного излучения паров (отметим, что величина Iv во всех экспериментах была пренебрежимо мала по сравнению с Ir). Все данные затем строились в виде зависимости относительной доли поглощенной и рассеянной интенсивности излучения К = (Io – I)/Io от параметров среды.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ПЛОТНЫХ ПАРОВ НАТРИЯ На рис. 1 представлены спектры поглощения плотных паров натрия при различных температурах в области 0.35 – 1.1 мкм, а на рис.2 – зависимости поглощенной и рассеянной интенсивности излучения от температуры Tc на длинах волн 0.4 и 1.0 мкм. Отметим, что величины К в области 0.4 и 1 мкм почти во всем диапазоне температур (кроме самых малых) близки друг к другу.

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 6 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/001.pdf 1.0.0.0.0.0.300 500 700 900, нм Рис.1. Cпектры поглощения паров натрия при различных температурах в центре кюветы.

Буферный газ – аргон при давлении 1 атм. 1 – Тc = 903 К, 2 – Тc = 806 К, 3 – Тc = 709 К.

Как следует из графиков на рис. 1, в спектре паров наблюдаются три хорошо выраженных области поглощения. Одна из них, с центром на длине волны = 0.59 мкм, соответствует поглощению на атомарном резонансном переходе натрия 3S - 3P, другая - с центром на 0.49 мкм, обусловлена, главным образом, поглощением на хорошо известном молекулярном переходе димера натрия Na2 X1g+ - B1Пu [30], а также с саттелитами полос поглощения на переходах X1g+ - 21u+ (0.452 мкм) и а3u+ - 23Пg (0.437 мкм) [21,31]. Помимо них, в спектре проявляется широкая полоса поглощения в области 0.6 - 0.82 мкм, соответствующая переходу A1u+ - X1g+ димера натрия [30] (длинноволновый край этой полосы особенно резко проявляется при Т > 850 К – см. рис.1). Кроме указанных полос, на коротковолновом краю спектра при < 0.38 мкм наблюдается увеличение поглощения, связанное с саттелитами полос поглощения на переходах X1g+ - 31u+ (0.38 мкм) и X1g+ C1Пu (0.367 мкм) [21,31], а также с близостью атомарного перехода 3S - 4P ( = 0.мкм).

o o (I – I)/I Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 7 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/001.pdf 1.0.0.600 700 800 900 ТС, К Рис. 2. Зависимость величины К = (Io – I)/Io от температуры центра кюветы Tc для длины волны излучения 1 мкм (1,3,4) и 0.4 мкм (2) для аргона (1,2,4) и гелия (3).

Давление буферного газа 1 атм (1-3), 0.2 атм (4).

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.