WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

на линзу, куда приходил и опорный пучок, отраженный Излучение второй гармоники Nd+3 : YAG лазера от зеркала. Оптическая схема с двойным прохождением на частоте, соответствующей волновому числу 1 = Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Исследование плазмы тлеющего и контрагированного разряда в азоте... = 18 797 cm-1 (до 50 mJ в импульсе при длительности импульсов 25 ns и частоте повторения 10 Hz), совместно с излучением перестраиваемого узкополосного лазера на красителе (до 1 mJ в импульсе на частоте 2 = 16 475 cm-1) фокусировалось вдоль оси положительного столба тлеющего разряда линзой с фокусным расстоянием 50 cm. При измерении заселенностей колебательных уровней при p = 3.5 Torr применялась коллинеарная схема взаимодействия пучков, обеспечивающая пространственное разрешение 250 µm 250 µm 4cm.

Для того чтобы повысить пространственное разрешение при измерениях вращательной температуры при p = 11-20 Torr, также использовалась схема острой фокусировки пучков в плоскости (Planar BOXCARS). Эта схема позволяла достигнуть пространственного разрешения 250 250 500 µm. Выделение полезного сигнала на антистоксовой частоте as из фонового излучения лазеров и разряда осуществлялось широкополосными фильтрами и монохроматором с вогнутой дифракционной решеткой. Регистрация полезного сигнала КАРС проводилась в режиме накопления импульсов с помоРис. 2. Блок-схема расчета кинетики в разряде: 1 — сопоставщью оптического спектрального многоканального аналение расчетных и экспериментальных данных для ФРЭЭ, vdr лизатора (OSMA).

и D/µ; 2 — входные экспериментальные данные для ФРЭЭ Для определения заселенностей колебательных уров- E/N, Tg, Tv; 3 — вариация параметра Tv и сопоставление ней регистрировалось распределение интенсивности в с экспериментом; 4 — ФРЭЭ; 5 — коррекция сечения при сопоставлении расчета с экспериментом; 6 — нагрев спектре Q-ветви колебательно-вращательных переходов электронов под действием электрического поля E; 7,21 — от v = 0 v = 1 (Q01) до v = 4 v = 5 (Q45). ФРК колебательное возбуждение молекул электронным ударом;

определялись по спектрам КАРС методом, предложен8 — ионизация молекул и атомов электронным ударом;

ным в [22]. Для определения вращательной температу9 — возбуждение ридберговских состояний молекул элекры Trot в экспериментах использовался колебательнотронным ударом; 10,23 — электронное возбуждение молекул вращательный комбинационный спектр Q-ветви колебаи атомов электроным ударом; 11 — электрон-электронные тельного перехода v = 1 v = 2. По экспериментальстолкновения; 12 — упругие столкновения молекул и атомов ному спектру восстанавливалась зависимость ln(NJ/gJ) с электронами; 13 — диссоциация молекул электронным от значений J(J + 1) (NJ — заселенность вращательного ударом; 14 — вращательное возбуждение молекул электронуровня с вращательным квантовым числом J, gJ —крат- ным ударом; 15 — последовательные итерации определения ность его вырождения). При восстановлении распределе- ФРЭЭ, ФРК, vdr, D/µ, Tg и Tv; 16 — константы скорости реакций Ki; 17 — входные экспериментальные данные для ния учитываются кратности вырождения вращательных уравнения теплопроводности и расчета ФРК (N, R, Ne, v, уровней и вырождения по спину основного электронноa, Tv); 18 — ФРК; 19 — VT-релаксация на молекулах;

го состояния. Вращательная температура определялась 20 — нагрев газа и теплоотвод на стенку кюветы; 22 — VTпо углу наклона прямой релаксация молекул на атомах; 24 — VV-обмен молекул на молекулах; 25 — коррекция констант скоростей VV-обмена Be ln(NJ/gJ) =const + J · (J + 1), (2) при сопоставлении расчета с экспериментом; 26 — диффузия k · Trot возбужденных молекул и атомов с последующей гетерогенной релаксацией на стенке кюветы; 27 — диссоциация молекул построенной с использованием метода наименьших квадэлектронным ударом и через колебательное возбуждение;

ратов в предположении, что заселенности вращатель28 — сопоставление расчетных и экспериментальных данных ных уровней подчиняются распределению Больцмана.

для ФРК, Tv и Tg.

Здесь Be — вращательная постоянная молекулы азота, k — постоянная Больцмана. В условиях данной работы поступательная температура совпадает с вращательной.

достижения наилучшего согласия между экспериментальными и расчетными данными проводилась вариация Кинетическая модель величины суммарного по первым восьми колебательНа рис. 2 приведена схема, поясняющая определение ным уровням сечения колебательного возбуждения ФРЭЭ и ФРК, а также исследование механизмов, обу- и значений констант скоростей VV-обмена. Для того словливающих их взаимосвязь и нагрев газа. При опре- чтобы повысить надежность получаемой количественной делении низкоэнергетической части ФРЭЭ и ФРК для информации о ФРЭЭ и ФРК и значений и констант Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 60 В.А. Шахатов, О.А. Гордеев Таблица 1.

Tg, K Tv, K P, Torr R, cm t, ms Ne, cm-3 E/N, Td Ссылка Эксперимент Теория Эксперимент Теория 530 ± 30КАРС 470 (v = 10-4) 5300 ± 350КАРС 4960 (v = 10-4) 2.0 1.0 11 2 · 1010 80 [28] 420 (v = 10-3) 4250 (v = 10-3) 480 ± 40КАРС 512 (v = 10-4) 3790 ± 350КАРС 3700 (v = 10-4) 3.5 1.8 20 3.5 · 109 470 (v = 10-3) 3475 (v = 10-3) [22] 530 ± 40КАРС 545 (v = 10-4) 4320 ± 350КАРС 4255 (v = 10-4) 7.0 1.8 15 1.2 · 1010 520 ± 50ОИ 530 (v = 10-3) 4200 (v = 10-3) 600 ± 40КАРС 610 (v = 10-4) 4270 ± 350КАРС 4240 (v = 10-4) 9.5 1.8 15 6 · 109 570 ± 50ОИ 605 (v = 10-3) 4240 (v = 10-3) 395 ± 15КАРС 400 (v = 10-4) 2850 ± 100КАРС 2790 (v = 10-4) 12.0 0.7 30 109 < 100 [27] 360 (v = 10-3) 2615 (v = 10-3) 1000 ± 100КАРС 1135 (v = 10-4) 15.0 1.8 30 2 · 1010 1140 ± 110ОИ 1135 (v = 10-3) 1200 ± 110КАРС 1230 (v = 10-4) 20.0 1.8 30 4 · 1010 68 Данная 1230 ± 120ОИ 1230 (v = 10-3) работа 1350 ± 130КАРС 1300 (v = 10-4) 30.0 1.8 30 5 · 1010 1300 ± 350ОИ 1300 (v = 10-3) 1150-1200ОИ 1170 (v = 10-4) 20.0 1.0 30 3.9 · 1010 59 [14] 1170 (v = 10-3) скоростей VV-обмена, в качестве исходных данных для изменения химического состава газа и столкновений их определения использовалось максимальное число второго рода электронов с возбужденными частицами.

измеренных параметров плазмы тлеющего разряда. По рассчитанной ФРЭЭ находились константы скорости реакций Ki, vdr и потери энергии электронами в упругих Для определения ФРЭЭ и ее основных моментов — дрейфовой скорости vdr и характеристической темпера- столкновениях с тяжелыми частицами elas и при вратуры D/µ электронов в плазме разряда численно реша- щательном возбуждении rot молекул. Полученные Ki, vdr, elas и rot использовались для расчета изменения лось уравнение Больцмана. Исходными параметрами для компонентного состава газа в плазме разряда, опреопределения ФРЭЭ являлись измеренные значения E деления Ne и динамики нагрева газа соответственно.

и Tg. Величина E/N определялась с учетом катодного паВажно отметить, что на каждом последующем шаге дения потенциала и изменения концентрации молекул N из сопоставления рассчитанных и измеренных значений в результате нагрева газа. Величина катодного падения ФРК, Tg, ФРЭЭ и ее основных моментов уточнялись потенциала для различных материалов, используемых в значения констант скоростей VV-обмена и сечения.

качестве электродов для поддержания тлеющего разряОписанная выше процедура повторялась до тех пор, да, бралась из [2].

пока не достигалась сходимость для искомых величин.

При сопоставлении результатов расчетов с измеПри определении значений Ne и Tg учитывалось рениями ФРЭЭ [10,11] в диапазоне значений E/N = их неоднородное распределение по сечению разрядной = 40-80 Td, которые являются типичными для экспекюветы. При решении уравнений баланса, описывающих риментальных условий (табл. 1), варьировалась велиизменение компонентного состава, учитывалась диффучина, а также значение колебательной температуры зия частиц на стенку разрядной кюветы с последующей первого колебательного уровня Tv, определяемой как гетерогенной релаксацией (VW). Это позволило оценить Tv = v/ ln(N1/N0), где v — величина колебательного степень их влияния на результаты расчетов ФРК и кванта молекулы азота.

нагрева газа.

ФРЭЭ и ФРК определялись в результате последовательных итераций из решения уравнений Больцмана и системы кинетических уравнений, описывающих баланс Кинетическое уравнение колебательно-возбужденных молекул и изменение химидля определения ФРЭЭ ческого состава газа. В данную систему уравнений было добавлено уравнение, описывающее изменение Tg в При решении однородного уравнения Больцмана исизобарическом приближении. Полученные в результате пользовался метод двухчленного приближения, при корасчетов концентрации возбужденных частиц использо- тором ФРЭЭ раскладывается в ряд по сферическим вались для уточнения ФРЭЭ, меняющейся вследствие гармоникам (полиномам Лежандра), и в разложении Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Исследование плазмы тлеющего и контрагированного разряда в азоте... ограничиваются двумя первыми членами этого ряда, 1 v 10. При расчетах использовался тот же набор определяющими ее изотропную часть f () и токовые сечений, что и в работах [7–9].

характеристики электронов. Первое слагаемое в левой части уравнения описыФРЭЭ f () определялась из решения уравнения с вает увеличение энергии электронов в поле E, второе учетом упругих столкновений электронов с молекулами выражает потери энергии при упругих столкновениях и атомами; возбуждения вращательных, колебательных, электронов с молекулами и атомами, третье описывает + - - электронных A3, B3, C3, B 3, a 1, W, потери энергии на возбуждение вращательных уровней g u u u u u + молекулы азота электронным ударом. Правая часть опиa1, w1, a 1 и ридберговских состояний молекул, g u g 2 сывает неупругие столкновения электрон-тяжелая частиа также возбужденных состояний P и D атомов ца, при которых происходит изменение их энергетичеэлектронным ударом; процессов диссоциации молекул ского состояния (переход из состояния i в состояние j электронным ударом из основного электронного состос изменением энергии i j или -i j для столкновений яния, а также через электронные уровни с переходом второго рода электронов с тяжелыми частицами в возна разлетные термы; процессов ионизации молекул из бужденных состояниях). Запись уравнения предполагает, основного электронного состояния при столкновениях с что столкновения между электронами и ионами не электронами; процесса ионизации атомов из основного учитваются.

состояния S электронным ударом; столкновений втоДля нормировки ФРЭЭ использовалось условие рого рода колебательно-возбужденных молекул в основ+ ном электронном X1 состоянии (только для первых g десяти колебательных уровней) и перечисленных выше · f () · d = 1. (4) электронно-возбужденных состояниях (за исключением + состояния a 1 ) с электронами; столкновений второго g рода электронов с атомами в электронно-возбужденных Уравнение Больцмана для ФРЭЭ решалось методом 2 состояниях P и D.

итераций [9]. В качестве нулевого приближения f () Уравнение для изотропной части ФРЭЭ в пространиспользовалась ФРЭЭ, рассчитанная по методике [24].

ственно однородном приближении имело вид [7–9] Константы скоростей возбуждения электронных состояний молекулы азота без разрешения по колебаE2 · df () m тельным уровням с высоких колебательных уровней + 2 Nl · 2 · ml() + 3 · Nl · ml() d Ml основного состояния X1 вычислялись на основе соl g l отношений из работы [25]. Для остальных констант скоростей взаимодействия электрон-тяжелая частица они Tg df () f () + + N · Be · · rot() получались нормированием сечений соответствующих e d реакций на ФРЭЭ +i j Tg df () f ()+ =- Nl · i j( )· · f ( )·d 2 · e e d Ki = i j() · · f () · d. (5) l i, j m -i j Значения vdr и D/µ определялись на основе соотно- · N · qi j( ) · · f ( ) · d. (3) j шений [26] i, j df () Здесь m, Ml — масса электрона, молекулы (l = 0) и D/µ = f () · d d, (6) атома (l = a); Nl — концентрации молекул и атомов m() m() d 0 в основных состояниях; — энергия электрона; i j — изменение энергии электрона при неупругих столкнове- 2 · e df () ниях с молекулами и атомами; ml() — транспортные vdr = 1/3 E/N - · d. (7) m m() d сечения рассеяния электронов на молекуле (l = 0) и атоме (l = a) азота; rot() — сечение возбуждения вращательных уровней электронным ударом; i j() — Уравнения баланса для расчета сечение диссоциации, ионизации, возбуждения колебательных и электронных уровней молекулы и атома для компонентного состава разряда прямых реакций; qi j — сечения столкновений второго и нагрева газа рода молекул и атомов в электронно-возбужденных состояниях с электронами, которые вычислялись на основе Положительный столб тлеющего разряда характеризупринципа детального равновения; N — концентрации ется сложным компонентным составом, многочисленныj молекул и атомов в электронно-возбужденных состояни- ми кинетическими процессами и неоднородным распреях, а также колебательно-возбужденных молекул в элек- делением параметров (концентраций молекул, атомов и + тронном состоянии X1 для колебательных уровней электронов, температуры газа и т. д.) по своему сечению.

g Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 62 В.А. Шахатов, О.А. Гордеев При обработке экспериментальных результатов данной теплопроводности и диффузии с соответствующими граработы и работ [14,22,27,28] учитывались следующие ничными условиями [29,30] сорта частиц: молекулы азота в основном состоянии 1 Nx + X1 (47 колебательных уровней, при этом колебательr · Dx = -Vx(r), (9) g r r r ный уровень v = 46 предполагался уровнем диссоциации молекул азота через колебательное возбуждение) Nx Nx x · vx + = 0, Dx = Nx, (10) и в электронно-возбужденных состояниях A3, B3, g u r r 4 r=R - - 3 r=0 r=R C3, B 3, a 1, W, a1, w1 ; атомы азота u u g u u u 4 2 1 Tg в основном S и возбужденных состояниях P и D;

r · = -VT(r), (11) электроны e. В работах [7,25] перечислены процессы и r r r константы скорости, которые учитывались при описании Tg = 0, Tg = Tw, = 0 · (Tg/273)a, (12) кинетики в плазме тлеющего разряда.

r r=R r=Кроме этого, в уравнениях баланса для частиц и измегде для молекул азота = 0.84 и коэффициент теплонения Tg необходимо рассматривать явления диффузии проводности 0 = 2.3 · 10-4 W/(K · cm) [31].

Pages:     | 1 || 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.