WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 12 01;04;07;12 Исследование плазмы тлеющего и контрагированного разряда в азоте методами спектроскопии КАРС, оптической интерферометрии и численного моделирования 2 © В.А. Шахатов,1 О.А. Гордеев 1 Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, 119991 Москва, Россия e-mail: shakhatov@ips.ac.ru 2 Московский государственный авиационный институт, 125993 Москва, Россия e-mail: perminov@mail.ru (Поступило в Редакцию 16 марта 2005 г.) Методами спектроскопии КАРС (когерентное антистоксово рассеяние света) и оптической интерферометрии измерена поступательная температура в плазме тлеющего и контрагированного разряда. Плотность тока в разряде определена из измерений концентрации электронов методами оптической интерферометрии и эмиссионной спектроскопии. Функции распределения молекул азота по колебательным и вращательным уровням в основном электронном состоянии и электронов по энергии, а также зависимость температуры газа от времени определялись численно на основе модели, включающей однородное уравнение Больцмана и уравнения баланса для концентраций заряженных и возбужденных частиц и температуры газа. Исследована динамика установления квазистационарного распределения молекул азота по колебательным уровням.

Введение в четыре раза [5]. Разброс значений констант скоростей колебательно-колебательного обмена энергией Молекулярный азот широко используется в различ- (VV-обмена) и колебательно-поступательной релаксации ных плазмохимических технологических процессах, а (VT-релаксации) достигает по данным разных работ также в качестве небольшой добавки к различным газам порядка величины [6]. В этой ситуации, с одной стодля определения параметров плазмы газового разряда.

роны, является актуальным развитие средств диагноПлазма тлеющего разряда в азоте представляет собой стики плазмы. С другой стороны, разработка средств сильно неравновесный слабоионизованный газ. Фактора- диагностики неизбежно сталкивается с изучением элеми неравновесности, влияющими на характер кинетики ментарных процессов в плазме и выбором адекватных процессов в плазме разряда, являются нарушение равно- моделей, обосновывающих развиваемые методы контровесия между колебательными, вращательными и посту- ля. Разумный синтез экспериментальных и численных пательными степенями свободы молекул, а также откло- исследований позволяет получить экспериментальное нение функции распределения электронов по энергии подтверждение применимости выбранного численного (ФРЭЭ) от распределения Максвелла [1–3]. Замедлен- метода, кинетической модели и восполнить недостаная колебательная релаксация молекул азота в разряде ющие сведения о константах скоростей и сечениях обусловливает высокую степень колебательного возбу- элементарных процессов. Это позволяет с наименьшиждения молекул. При этом заселенности колебательных ми материальными затратами провести оптимизацию уровней молекул не описываются формулой Больцма- технологических процессов, использующих в качестве на [4]. Это значительно усложняет экспериментальные активной среды плазму неравновесного газового разряда и теоретические исследования динамики нагрева газа, и выполнить всестороннее исследование ее свойств в формирования ФРЭЭ и функции распределения молекул широком диапазоне определяющих ее параметров.

по колебательно-вращательным уровням энергии (ФРК). Существенным вопросом с точки зрения исследования Численное моделирование кинетики процессов в формирования ФРЭЭ и ФРК в плазме азота является неравновесной плазме газовых разрядов, даже с самым вопрос о кинетических механизмах, обусловливающих подробным их описанием, а тем более упрощенным, их взаимосвязь [7–9]. Кроме того, важной величиной в требует сравнения с экспериментом для проверки до- плазме разряда является поступательная температура, стоверности результатов расчетов. Имеющиеся в ли- от значения которой зависят направление протекания тературе константы скоростей и сечения элементар- и константы скоростей многих плазмохимических проных процессов в газовом разряде, входящие в ки- цессов.

нетические уравнения, далеко не всегда известны с Основными процессами, определяющими взаимосвязь приемлемой точностью, поскольку трудно поддаются между ФРЭЭ и ФРК, являются столкновения перрасчетам или измерениям. Так, приводимые в различ- вого и второго родов электронов с колебательноных работах сечения возбуждения колебательных уров- возбужденными молекулами в основном электронном + ней молекул азота электронным ударом различаются состоянии N2(X1, v). Кроме того, при рассмотрении g Исследование плазмы тлеющего и контрагированного разряда в азоте... формирования ФРК необходимо учитывать процессы VV-обмена и VT-релаксации. В данной работе этот вопрос исследован с привлечением зондовых измерений ФРЭЭ [10,11] и совместного решения уравнения Больцмана и уравнений баланса для ФРК [7–9]. Входные данные для расчетов, такие как поступательная и колебательная температура, приведенная напряженность электрического поля и концентрация электронов, были измерены методами эмиссионной спектроскопии, оптической интерферометрии и спектроскопии КАРС.

В данной работе основное внимание уделено определению низкоэнергетической части ФРЭЭ. Надежность определения констант скоростей процессов с высокими порогами требует дополнительного исследования высокоэнергетической части ФРЭЭ.

Экспериментальному исследованию динамики нагрева азота в газовом разряде посвящено большое количество работ [12–19]. Трудности сопоставления результатов измерений и расчетов обусловлены несколькими причинами. Во-первых, при исследовании нагрева азота необходимо учитывать взаимосвязь между ФРЭЭ и ФРК, а также многочисленные процессы, которые могут оказывать влияние на их формирование в условиях плазмы разряда.

К этим процессам относятся столкновения первого и второго родов между электронами и возбужденными частицами, релаксационные процессы, дезактивация возбужденных молекул и рекомбинация атомов, тепловые Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — Nd+потери за счет наличия пространственного градиента YAG лазер; 2 — лазер на красителе; 3 — источник питания;

поступательной температуры газа и т. д. В данной работе 4,5 — контроллеры; 6,14 — ФЭУ; 7 — компьютер; 8 — поступательная температура Tg измерялась методами монохроматор; 9 — разрядная кювета; 10 —фильтр; 11 — оптической интерферометрии и спектроскопии КАРС.

линза; 12 —линза f = 150 cm; 13 —клин; 15 — фотокамера;

Особо важную роль в условиях данного эксперимента 16 — делители; 17 — источник питания; 18 —He–Ne лазер;

играет канал VV-обмена энергией между молекулами 19 — осциллограф.

азота. Надо отметить, что вид ФРК, получаемый в результате расчетов, является чувствительным к изменению значений констант скоростей VV-обмена энергией сечению разрядной кюветы, вращательной температуры между молекулами [15].

и ФРК в тлеющем разряде в азоте методами эмиссионВыбор в качестве объекта исследования тлеющего ной спектроскопии, интерферометрии и спектроскопии разряда оправдан, во-первых, тем, что плазма положиКАРС.

тельного столба характеризуется заметным нарушением В эксперименте использовался продольный тлеющий равновесия между колебательными, вращательными и разряд постоянного тока. Разряд создавался в кварцевой поступательными степенями свободы молекул азота. Вокювете в диапазоне давлений p = 3-30 Torr. Кювета вторых, характеристики тлеющего разряда, такие как имела водяное охлаждение, что позволяло в процессе напряжение на электродах, катодное падение потенциала измерений поддерживать температуру стенки Tw равной и сила тока, необходимые для определения концен300 K. В кювете осуществлялся слабый проток газа, трации электронов Ne и приведенной напряженности предварительно очищенного в азотных ловушках. Кольэлектрического поля E/N, можно достаточно надежно цевые титановые электроды помещались внутри кюветы измерить. В-третьих, для него существует возможность и заделывались заподлицо в кварцевую стенку трубки.

использовать уже имеющиеся экспериментальные данВнутренний радиус трубки R равнялся 1.8 cm. В завиные для ФРЭЭ, полученные из зондовых измерений.

симости от применяемых средств оптической диагностики для торцевых отверстий кюветы использовались Экспериментальная установка окошки, изготовленные из различного материала. При применении методов оптической интерферометрии и и методики измерений эмиссионной спектроскопии использовались кварцевые На рис. 1 приведена схема экспериментальной уста- окна, прозрачные для ближнего ультрафиолетового и новки для измерений динамики нагрева газа, распре- видимого излучения длин волн = 300-700 nm. При деления плотности газа и концентрации электронов по измерениях поступательной температуры и заселенноЖурнал технической физики, 2005, том 75, вып. 58 В.А. Шахатов, О.А. Гордеев стей колебательных уровней молекул азота в разряде луча через кювету применялась для увеличения чувметодом спектроскопии КАРС в качестве входного и ствительности установки при низких давлениях. Линза выходного окошек кюветы применялись абсорбционные с фокусным расстоянием 150 cm, расположенная перед светофильтры ЖС-17 и СС-5. Фильтр ЖС-17 служил для делительной пластиной, позволяла согласовывать разустранения сигнала КАРС, возникающего в результате мер интерференционной картины с размерами кадра нелинейного взаимодействия пучков излучения лазеров фотокамеры и щелью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Фотографирование интерференционной картины в атмосфере на пути к кювете. Фильтрация полезного сигнала КАРС из фонового излучения разряда и излу- давало информацию о распределении Tg по радиусу гачения лазеров осуществлялась с помощью светофиль- зоразрядной трубки. Максимальное смещение интерференционной полосы на оси разряда составляло 3.2-8 в тра СС-5.

Измерения значений поступальной температуры Tg величинах ширины полосы. Погрешность в определении смещения полосы была в пределах 0.2 ширины полосы.

и заселенностей колебательных уровней молекул азота Смещение интерференционных полос на оси разряда во проводились на двух стадиях горения тлеющего разряда.

времени регистрировалось с помощью ФЭУ. Перед катоНа первой стадии в интервале времени от 3 до 15-20 ms дом ФЭУ размещалалась щель размером 0.3 4.5mmпроводились измерения Tg методом оптической интертаким образом, что центр интерференционной картины ферометрии. Эта стадия соответствовала режиму горесовпадал с центром щели. Полосы ориентировались ния разряда, при котором происходило формирование параллельно щели. Сигнал с ФЭУ записывался на осцилего основных параметров — силы тока, Tg и ФРК при лограф. Временное разрешение ФЭУ составляло 5 µs.

постоянном давлении. Инициирование тлеющего разряТипичные сигналы с ФЭУ и интерферограммы приведеда осуществлялось ступенчатым увеличением напряжены в ранее опубликованных работах [22,23]. Обработка ния на электродах кюветы высоковольтным стабилизирезультатов измерений смещений интерференционных рованным источником питания. Синхронно с поджигом полос проводилась по методике, изложенной в [20,21], разряда в разрядном промежутке с использованием омиКонцентрация электронов Ne от времени на оси ческих делителей на осциллографе измерялись падение разрядной кюветы рассчитывалась из зависимости силы напряжения и сила тока в зависимости от времени.

тока от дрейфовой скорости электронов и площади На промежутках времени t > 20-25 ms, при которых сечения разряда Se (Se = · R2, где Re — эффективный низкочастотные вибрации установки увеличивали по- e радиус токового шнура, определяемый аналогично рагрешность интерферометрических измерений, для опреботе [14]). Дрейфовая скорость определялась на основе деления Tg и ФРК использовался метод узкополосной решения уравнения Больцмана для ФРЭЭ. В качестве спектроскопии КАРС. Кроме того, дополнительно исследовались распределения Tg, плотности газа N и Ne исходных параметров для ее определения использовались измеренные параметры плазмы тлеющего разряда.

по сечению кюветы методами оптической интерфероЭкспериментально установлено [14], что для p метрии и эмиссионной спектроскопии. Данная стадия 15-20 Torr в контрагированном разряде имеет место соответствовала квазистационарному режиму горения корреляция между радиальными распределениями по тлеющего разряда. Ток в разряде поддерживался равным сечению кюветы интенсивности излучения второй полоIL = 20-50 mA.

жительной системы азота и концентрации электронов.

Измерения значений p и Tg, а также напряжения Поэтому для определения Re исследовались распрена электродах позволили определить E/N. Значение деления интенсивностей излучения I(r) по радиусу напряженности электрического поля E в положительклюветы r на длинах волн = 337, 354, 358, 380 nm ном столбе тлеющего разряда определялось с учетом второй положительной системы азота. Для измерений падения напряжения в катодном слое [2]. Концентрация I(r) использовался метод двух диафрагм (2 2mm2).

молекул N на оси разряда определялась с учетом падеПри измерениях использовался спектральный комплекс ния плотности в результате нагрева газа. Значения E/N с фотоэлектрической регистрацией. Пространственное изменялись в диапазоне от 80 до 40 Td. Для измерений разрешение по радиусу кюветы составляло 2 mm. Зназависимости Tg на оси кюветы от времени и ее расчение эффективного радиуса Re определялось из соотпределения по сечению в тлеющем разряде применялся ношения [14] двухпроходовый интерферометр Майкельсона [20,21].

R В качестве источника монохроматического излучения I(r) R2 = 2 r · dr. (1) e интерферометра использовался одномодовый He–Ne лаI(0) зер с длиной волны излучения 632.8 nm и мощностью 50 mW. Луч лазера расширялся с помощью телескопа В стационарном режиме тлеющего разряда для опредо 4 cm в диаметре и клином делился на два пучка:

деления значений вращательной температуры и засепредметный и опорный. Предметный пучок через окош- ленностей колебательных уровней v = 0-4 молекул ки кюветы направлялся к зеркалу, отражался обратно и азота в основном электронном состоянии применялся после совмещения с опорным пучком на клине попадал спектрометр КАРС („Sopra“, Франция).

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.