На протяжении длительного периода низкотемпературная плазма представляет собой интересный объект для физических исследований. Такой интерес обусловлен, прежде всего, широким распространением этого состояния вещества. С низкотемпературной плазмой связано большое число явлений и процессов, наблюдаемых в природе, технических устройствах, лабораториях. Так, например, межзвездный газ, не смотря на малую концентрацию заряженных частиц, представляет собой плазменную среду, поскольку его характерный пространственный масштаб на много порядков превышает дебаевский радиус. Плазма присутствует и в ближнем космосе. Она заполняет магнитосферу Земли и образует ионосферные слои. В лабораторных условиях и технических устройствах плазма образуется в различных видах газовых разрядов (дуговом, искровом, тлеющем и др.), в процессах горения и взрыва. Газоразрядные источники плазмы — плазмотроны — получили широкое распространение во многих технологических устройствах. Электрические разряды давно используются в радиотехнике, для коммутации токов, для обработки материалов. При этом наряду с традиционными электродными разрядами стали широко применяться высокочастотные и сверхвысокочастотные разряды, а также плазма, образующаяся под действием излучения лазеров. В настоящее время отработаны многие плазмохимические процессы получения различных веществ и соединений, нанесение упрочняющих покрытий, плазменная обработка материалов. По сути дела сформировался новый самостоятельный раздел химии и химической технологии — плазмохимия [1,2]. Широко используется неравновесная газоразрядная плазма в качестве активной лазерной среды, поэтому ее исследования находят свои приложения в квантовой электронике.
Уже из этого краткого перечисления видно, какое применение находит низкотемпературная плазма в различных областях науки и техники. Кроме практической важности исследования низкотемпературной плазмы имеют общефизический интерес. Они позволяют получать информацию о большом числе элементарных процессов: упругие и неупругие столкновения электронов с тяжелыми частицами, столкновения возбужденных атомов и молекул между собой, процессы ассоциативной ионизации, диссоциативной рекомбинации и многие другие.
Перспективы применения и направление дальнейших исследований низкотемпературной плазмы связаны с двумя обстоятельствами. Первое состоит в переходе к неравновесным состояниям. Так, в лазерных приложениях неравновесные состояния позволяют реализовать среду с инверсной населенностью. Успехи неравновесной плазмохимии обусловлены возможностью сосредоточения вкладываемой в плазму энергии в определенных степенях свободы молекул. Это обстоятельство создает условия для протекания быстрых селективных реакций для получения необходимых веществ. Отметим, что реализация разрядов с параметрами, обеспечивающими протекание определенных селективных процессов, представляет собой сложную задачу, которая решена на сегодняшний день лишь в отдельных частных случаях. Баланс энергии в низкотемпературной плазме определяется средней энергией электронов и степенью ионизации плазмы. Средняя энергия электронов зависит от рода плазмообразующего газа и параметра Е/Ы, где Е — напряженность внешнего электрического поля, а ТУплотность нейтральных частиц плазмообразующего газа. В свою очередь, сам параметр ЕМ определяется типом разряда и родом плазмообразующего газа. Принимая во внимание, что именно колебательная энергия молекул наиболее эффективна в преодолении энергетических порогов реакции [2], для решения значительной части плазмохимических задач параметр Е/.N должен соответствовать оптимуму для возбуждения молекулярных колебаний. Значение же Е/Ы для самостоятельных разрядов разных типов (непрерывных, импульсных, ВЧ, СВЧ и пр.), как правило, выше, и при заданной степени ионизации и геометрии разряда оно не может быть изменено внешним вмешательством (скорость ионизации должна компенсировать потери заряженных частиц в плазме). Это обстоятельство и создает основные проблемы при оптимизации плазмохимических процессов. Говоря о возможных путях решения этой задачи, выделим развивающееся в последнее время направление, связанное с применением комбинированных разрядных систем с управляемыми параметрами электронной компоненты плазмы [3−5]. К электродам разрядной камеры в таких системах прикладывается постоянное напряжение, меньше напряжения горения самостоятельного разряда, а внешним ионизатором служат повторяющиеся 10 — 40 кГц) высоковольтные импульсы. Скважность импульсов достаточно высока (~ 100), для того, чтобы их средняя мощность была заметно меньше мощности, вносимой постоянным полем. Указанные разрядные системы позволяют:
— При одной и той же степени ионизации плазмы менять параметр Е/Ы для управления средней энергией электронов в плазме и, таким образом, локализовать значительную часть разрядного энерговклада на выделенных степенях свободы молекул для последующей реализации селективных процессов.
— Создавать пространственно однородные плазменные области больших размеров с оптимальными свойствами для реализации выделенного плазмохимического процесса за счет заметного расширения области устойчивости плазмы, т.к. компенсация потерь заряженных частиц в несамостоятельном разряде происходит за счет внешнего источника, не подверженного влиянию плазменных процессов. Это существенно облегчит решение задач масштабирования при создании мощных плазмохимических систем.
Второе обстоятельство состоит в переходе от чисто атомарной к молекулярной плазме. Число исследований неравновесной молекулярной плазмы в настоящее время заметно возрастает. Поскольку молекулы имеют большое число степеней свободы, процессы энергообмена в молекулярной плазме значительно сложнее, многообразнее и в настоящее время менее изучены, чем в атомарной плазме. Если основные представления о кинетике атомарной плазмы уже сложились (см., например, [6]), то многие вопросы, касающиеся физико-химических процессов в неравновесной молекулярной плазме еще требуют своего решения.
Говоря об экспериментальных исследованиях низкотемпературной молекулярной плазмы, отметим, что на первый план выдвигается проблема разработки методов ее диагностики. Измерения, проводимые в неравновесной плазме, практически никогда не дают непосредственно требуемые величины. Как правило, измеряемая величина зависит от целого ряда параметров и для интерпретации полученных значений требуются определенные представления о состоянии плазмы, об особенности процессов, протекающих в ней. Другими словами, необходим выбор адекватных моделей, обосновывающих применение тех или иных диагностических методов. Таким образом, развитие представлений о свойствах плазмы и методологии ее исследований тесно связаны.
К наиболее перспективным и информативным относятся спектральные методы диагностики [7], базирующиеся на анализе молекулярных спектров. Если представить себе все многообразие процессов, происходящих в молекулярной плазме, их воздействие на виды движения молекул, то на первый взгляд задача описания и детальной спектроскопической диагностики такой плазмы кажется неразрешимой. Тем не менее, для целого ряда случаев можно описать состояния плазмы относительно просто.
Чем больше видов взаимодействия необходимо учитывать, и чем чаще они происходят, тем ближе состояние плазмы к равновесию. Чем интенсивней происходит энергообмен между различными степенями свободы, тем ближе соответствующие функции распределения к максвелл-больцмановским. Это означает, что такие функции распределения можно характеризовать одним параметром — локальной температурой. Диагностические методы в этом случае должны позволять проводить измерения этого параметра. К настоящему моменту методики измерения локальной температуры плазмы, находящейся в состоянии близком к равновесному, достаточно хорошо разработаны (см. например [7,8]). Для проведения подобных измерений, в основном, необходима лишь спектроскопическая информация об атомах или молекулах, а сведения о конкретных процессах взаимодействия, их эффективных сечениях в данном случае не нужны.
Противоположным является случай, когда плазма далека от равновесия. В такой плазме, как правило, можно выделить ограниченный ряд наиболее важных процессов взаимодействия, и снова появляется возможность получить сравнительно простую модель состояния плазмы. При этом для проведения диагностики неравновесной молекулярной плазмы необходимо располагать сведениями о закономерностях элементарных процессов возбуждения и дезактивации состояний исследуемых молекул. В этой связи в плане общей постановки проблемы развития и применения спектральных методов для исследования неравновесной молекулярной плазмы необходимо решить две группы взаимосвязанных задач:
1) Установить закономерности формирования энергетических распределений молекул, находящихся в основном электронном состоянии, по поступательным, вращательным и колебательным степеням свободы. Эти задачи связаны со спектроскопией основного электронного состояния молекул. Их решение необходимо для детальной интерпретации колебательно-вращательных молекулярных спектров, возбуждаемых в неравновесной плазме, что в свою очередь позволит исследовать физико-химические процессы в плазме, идущие с участием молекул в основном электронном состоянии. Перечисленные вопросы важны, т.к. такие молекулы образуют доминирующую компоненту нейтрального газа плазмы и в значительной мере определяют её свойства.
2) Исследовать закономерности трансформации энергетических распределений по поступательным, вращательным и колебательным степеням свободы при переходе молекул из основного в возбужденные электронные состояния. Эти задачи связаны со спектроскопией как электронно-возбужденных, так и основного состояний молекул. Их решение даст возможность интерпретировать электронные спектры молекул, что в свою очередь позволит получить информацию о процессах, идущих в неравновесной плазме с участием электронно-возбужденных молекул. Помимо научного интереса эта информация полезна и в практическом отношении. Ее важность состоит, прежде всего, в том, что она позволит указать диапазон условий в плазме, когда характеристики энергетических распределений молекул в основном электронном состоянии могут быть определены по спектрам, соответствующим переходам из электронно-возбужденных состояний. Успешное решение данного вопроса привело бы к существенному расширению возможностей спектральных методов исследования неравновесной плазмы.
Цель настоящей работы — совместное решение указанных задач. Такой подход может выявить всю цепь основных энергетических и физико-химических превращений, происходящих в неравновесной плазме с участием молекул. На этой основе возможна интерпретация молекулярных спектров, возбуждаемых в плазме, и использование их для целей диагностики.
В работе исследовались спектры молекул и атомов, возбуждаемых в неравновесной плазме разрядов в молекулярных газах. Для возбуждения спектров применялись самостоятельные тлеющие разряды, несамостоятельные разряды с управляемыми параметрами электронной компоненты плазмы, мощные СВЧ-разряды. Все вышеперечисленные типы разрядов нашли практическое применение.
Тлеющие разряды используются при создании газовых лазеров, как традиционных, так и волноводных, а на основе СВЧ-разрядов создают плазмохимические реакторы.
Давления плазмообразующих газов в исследуемых условиях изменялись в пределах р = 0,1 — 300 Тор, значения приведенной напряженности электрического поля — Е/Ы= 10 — 50 Тд. Величины средней энергии электронов в плазме составлялие~ — ЗэВ, значения температуры нейтрального газа — 7^=100 — 2000К. В указанных условиях молекулярная плазма характеризуется низкой степенью ионизации 7.
НО'3 — 10″) и малой долей электронно-возбужденных частиц. Из-за высокого уровня возбуждения колебательных и вращательных степеней свободы, характерного для молекул в неравновесной плазме, они заселяют большое число энергетических уровней и, как следствие, обладают чрезвычайно развитыми спектрами. Для надежных прямых спектральных измерений необходимо обеспечить высокое разрешение, позволяющее регистрировать отдельные колебательно-вращательные компоненты спектра. Для этого при работе в видимой и ближней ультрафиолетовой (УФ) областях спектра (исследования возбужденных электронных состояний молекул и основного электронного состояния свободных радикалов) в зависимости от конкретных молекул требуется разрешение на.
1 1 ' 1 уровне Ак ~10″ - 10″ (¿-/у=1 — 0,1см'). Для спектроскопических исследований в средней инфракрасной (ИК) области спектра, где лежат колебательно вращательные переходы значительного большинства молекул, необходимо обеспечить спектральное разрешение.
Лу=10~1 — 10'3см1.
Одна из экспериментальных проблем, которые приходится решать при спектроскопических исследованиях молекулярной плазмы, состоит в совмещении требований к разрешению и светосиле экспериментальной техники. Необходимого спектрального разрешения в видимой и ближней УФ областях спектра, можно достичь улучшением традиционных классических методик за счет применения более совершенных оптических элементов (дифракционных решеток, зеркал для интерферометров и т. д.) и использования современной регистрирующей аппаратуры.
При решении задач, связанных с изучением энергетических распределений стабильных молекул в основном электронном состоянии, т. е. при работе в средней ИК области спектра совместить требования к спектральному разрешению и светосиле классической аппаратуры, как правило, не удается. В этой связи для проведения исследований распределений стабильных молекул по энергетическим уровням основного электронного состояния целесообразно применять спектроскопические методики с использованием частотно перестраиваемых лазеров. Методы лазерной спектроскопии позволяют обеспечить необходимое разрешение для проведения прямых измерений при диагностике молекулярных систем с высоким уровнем возбуждения. Кроме того, перестраиваемые лазеры представляют собой источники со спектральными плотностями мощности излучения, которые на много порядков превышают таковые для некогерентных источников. Последнее обстоятельство имеет для диагностики неравновесной плазмы принципиальное значение.
Действительно, при проведении измерений методами поглощения необходимо, чтобы яркостная температура источника Ть в исследуемом частотном интервале была заметно выше, чем эффективная температура возбуждения на исследуемом переходе г—+к.
Те1Г={Ек-Е>) где-постоянная Больцмана, И" giИь — населенности и статистические веса нижнего и верхнего уровней соответственно. В противном случае наличие собственного излучения плазменных объектов, с интенсивностью на переходе заметно превышающей интенсивность зондирующего излучения, существенно усложнит измерения оптического пропускания. кп л** л.
— I.
В.1).
Как уже указывалось, молекулярная неравновесная плазма представляет собой систему с высоким уровнем возбуждения, в частности, значения эффективных колебательных температур могут достигать нескольких тысяч градусов. Это обстоятельство может выступать как серьезное препятствие для методик, использующих некогерентные источники сплошного спектра. Например, несмотря на высокое спектральное разрешение (для лучших образцов на уровне 10″ 3см1) абсорбционные методы Фурье-спектроскопии могут оказаться непригодными для исследований энергетических распределений молекул в неравновесной плазме. Эмиссионная ИК Фурье-спектроскопия также обладает ограничениями, которые связаны с реабсорбцией излучения.
Кроме того, высокая спектральная яркость лазерного излучения позволяет привлечь для диагностики плазмы методы, основанные на использовании нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии лазерного излучения с исследуемой средой. Эти методы позволяют совместить широкие спектроскопические возможности спонтанного комбинационного рассеяния с уровнем сигналов, доступных при вынужденном комбинационном рассеянии.
Не обсуждая на данном этапе конкретные особенности, преимущества и недостатки различных методов диагностики, отметим, что часто только их совместное использование может приводить к всестороннему исследованию процессов, протекающих в неравновесной молекулярной плазме. При этом каждый конкретный объект и процесс требуют индивидуального выбора тех или иных подходов для их диагностики.
Вопросы количественной спектроскопии, как в техническом, так и в методическом планах имеют для молекулярной плазмы свою специфику. Она связана, прежде всего, с заселением большого числа энергетических уровней молекул, что приводит к высокой плотности спектра даже для простых молекулсопоставимым населенностям энергетических уровней, связанных оптическими переходамипространственной неоднородности объектов. В рамках данной работы для решения сформулированных задач развит комплексный метод спектральной диагностики молекулярной плазмы. Он включает в себя классическую спектроскопию видимого и УФ диапазонов спектра, ИК абсорбционную спектроскопию с применением частотно-перестраиваемых лазеров, спектроскопию когерентного антистоксова рассеяния света. Применение такого комплексного метода дало возможность исследовать энергетические распределения дипольно-активных и дипольно-неактивных молекул по поступательным и колебательно-вращательным степеням свободы, как в основном, так и в электронно-возбужденных состояниях с высоким спектральным и пространственным разрешением. Этот метод служит экспериментальной основой, на базе которой в рамках данной работы решаются основные задачи.
Работа состоит из настоящего введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
В первой главе обосновано применение методов излучения, линейчатого поглощения, диодной лазерной спектроскопии и спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) для спектральной диагностики процессов, протекающих в неравновесной молекулярной плазме. Показывается возможность совместного применения вышеуказанных методик для реализации комплексного метода высокого спектрального и пространственного разрешения для исследования физических процессов, идущих в неравновесной молекулярной плазме с участием дипольно-активных и дипольно-неактивных молекул и радикалов, как в основном, так и в возбужденных электронных состояниях.
Здесь же дается описание применяемой экспериментальной техники и созданного программного обеспечения, позволяющего по измерению интенсивностей спектральных линий исследуемых спектров получать значения заселенностей энергетических уровней, величин вращательных и колебательных температур.
При применении спектральных методов, как правило, необходима информация о ширинах спектральных линий. Значительное место в работе занимают спектральные исследования процессов с участием молекул СО2, играющей важную роль в различных устройствах, технологиях (газовые лазеры, плазмохимические устройства и пр.), процессах энергопереноса в атмосфере и др. Во второй главе описаны экспериментальные и теоретические исследования столкновительного уширения ИК спектральных линий молекулы СО2. Приводятся результаты измерения ширин ИК спектральных линий молекулы СО2 в широком диапазоне изменения температур и вращательных квантовых чисел. Анализ полученного материала и имеющихся литературных данных указал на необходимость уточнения существующих расчетных моделей. В рамках данной работы рассмотрен вопрос о влиянии температуры на ударное уширение спектральных линий молекулы СО2. На основе полученных экспериментальных данных предложена модель, удовлетворительно описывающая результаты эксперимента. При расчетах используется небольшое число исходных величин, известных из независимых экспериментов и расчетов — постоянные межмолекулярного потенциала Леннарда-Джонса и постоянные электростатические мультипольные моменты молекул. Предложенная и апробированная модель столкновительного уширения использовалась при разработке программного обеспечения для идентификации и обработки сложных молекулярных спектров.
В третьей главе представлены результаты исследования энергетических распределений молекул в основном электронном состоянии по колебательно — вращательным степеням свободы в неравновесной плазме. Были изучены вращательные распределения легких (Н2) и более тяжелых молекул (СО, СО2), а также радикалов (ОН, СК), установлены границы неравновесности. На примере ортои пара-модификаций молекул водорода рассмотрено влияние симметрии молекулярных систем на процессы энергообмена в неравновесной плазме. Предложена методика измерения температуры нейтрального газа плазмы в отсутствии равновесия между поступательными и вращательными степенями свободы.
Исследована колебательная кинетика молекул СО2 в газовом разряде с высоким удельным энерговкладом, когда энергия, вложенная за время порядка времени релаксации, сравнима с энергией диссоциации молекулы. Полученные результаты позволили построить кинетическую модель активной среды волноводного С02-лазера.
Рассмотрена проблема управления селективными плазмохимическими реакциями на примере процесса разложения двуокиси углерода. Для ее решения впервые была применена разрядная система на основе несамостоятельного разряда с управляемыми параметрами электронной компоненты плазмы. Исследована роль колебательного возбуждения при плазмохимическом разложении С02 в неравновесных условиях.
Четвертая глава посвящена исследованию доплеровских контуров спектральных линий в электронных спектрах атомов и молекул. Рассмотрена общая проблема нахождения распределений по скоростям атомов и молекул по доплеровскому уширению спектральных линий, описано математическое обеспечение обработки результатов эксперимента. На этой основе проанализировано уширение спектральных линий атомов и молекул, возбуждаемых электронами и при нерезонансных взаимодействиях тяжелых частиц. Рассмотрен процесс поступательной релаксации электронно-возбужденных частиц, описана разработанная спектроскопическая методика идентификации каналов возбуждения атомов и молекул в плазме по измерению доплеровских ширин спектральных линий и исследования распределений молекул по вращательным уровням.
В пятой главе описаны результаты исследований неравновесных энергетических распределений электронно — возбужденных молекул по колебательно — вращательным состояниям.
Рассмотрен процесс возбуждения молекул прямым электронным ударом. Исследованы закономерности трансформации вращательного и колебательного движения молекул при их переходе из основного в возбужденные электронные состояния. Выяснен механизм передачи момента импульса при возбуждении электронных состояний молекул. Рассмотрено влияние симметрии молекулярных систем на процессы возбуждения в неравновесной плазме. Проанализированы вопросы о соответствии вращательных и колебательных распределений молекул в основном и возбужденных электронных состояниях, возможности измерения вращательных и колебательных температур молекул в основном электронном состоянии по интенсивностям вращательных линий и колебательных полос электронных спектров молекул.
Рассмотрен процесс возбуждение электронных состояний молекул при взаимодействиях тяжелых частиц, описана методика измерения температуры нейтрального газа неравновесной плазмы при наличии нескольких параллельных каналов возбуждения электронных состояний молекул.
В заключении подведены общие итоги работы и отмечены наиболее важные ее моменты.
Научная новизна работы:
Впервые предложена и реализована комплексная спектральная методика исследования и диагностики неравновесной молекулярной плазмы, включающую в себя классическую спектроскопию видимого и УФ диапазонов длин волн, ИК абсорбционную спектроскопию с применением частотно-перестраиваемых лазеров, спектроскопию когерентного антистоксова рассеяния света, позволяющая изучать поведение в плазме дипольно-активных, дипольно-неактивных молекул, атомов и радикалов, как в основном, так и в возбужденных электронных состояниях с высоким спектральным и пространственным разрешением. С ее помощью:
1. При исследовании распределений стабильных молекул и радикалов по вращательным уровням основного электронного состояния в газоразрядной плазме впервые установлены границы и характер отклонений от равновесия. Суть этих отклонений для стационарных распределений состоит в увеличении населенности, по сравнению с равновесными значениями, с ростом номера вращательного уровня К.
2. Впервые показано, что разрядная система на основе несамостоятельного разряда, поддерживаемого в устойчивой форме короткими высоковольтными импульсами предыонизации, позволяет локализовать значительную часть разрядного энерговклада на определенных степенях свободы молекул (в рассмотренном случае на антисимметричной колебательной моде СОг) для реализации селективных плазмохимических процессов. В результате становится возможным минимизировать энергозатраты на получении продукта реакций (молекулы СО).
3. Впервые показано, что электронно-возбужденные молекулы, образующиеся в плазме при взаимодействии тяжелых частиц, формируют горячие группы молекул, средние значения поступательной и вращательной энергий которых заметно превышают таковые для молекул в основном электронном состоянии. Как результат.
• Для спектральных линий, обусловленных радиационным распадом горячих молекул, наблюдается аномальное уширение, связанное с неравновесным распределением электронно-возбужденных частиц по скоростям поступательного движения. Величина уширения может в несколько раз превышать нормальное допплеровское. Она зависит от избытка энергии, выделяющегося в процессе возбуждения, энергии связанного состояния излучателя и давления плазмообразующего газа. С ростом давления плазмообразующего газа наблюдается заметное уменьшение аномального уширения, обусловленное поступательной релаксацией.
• Распределения по вращательным уровням горячих молекул в области низких вращательных уровней могут быть описаны как больцмановские с высокой вращательной температурой, зависящей от избытка энергии, выделяющейся в процессе возбуждения молекул (строго вид распределения описывается в рамках статистической модели распада возбужденных атомно-молекулярных комплексов).
4. Впервые исследованы процессы РТ-релаксации для электронно-возбужденных молекул К2(С3П) и СО (Л'П), спектры которых широко используемых в диагностике плазмы. Эффективные сечения этих процессов оказались в 104 — 106 раз больше, чем аналогичные величины для молекул в основном электронном состоянии. Независимость полученных эффективных сечений колебательной релаксации от газовой температуры, в отличие от многочисленных результатов для молекул в основном электронном состоянии, свидетельствует об отличии механизма УТ-релаксации электронно-возбужденных молекул от механизма Ландау — Теллера.
5. Установлен физический механизм передачи значительного момента импульса молекулам при возбуждении их электронных состояний прямым электронным ударом в низкотемпературной плазме. Он состоит в том, что наибольший вклад во вращательное возбуждение молекул в плазме вносят электроны с энергиями, близкими к порогу возбуждения электронных состояний. В припороговой области возбуждение электронных состояний происходит через образование отрицательно заряженных молекулярных ионов в квазидискретных состояниях. «Размер» такой системы существенно превосходит «размер» молекулы в основном электронном состоянии, поэтому при ее распаде улетающий электрон, несмотря на малую величину оставшейся энергии, может передать электронно-возбужденной молекуле значительный момент импульса ~(4−8)/г.
Научная и практическая значимость работы.
Полученные при проведении исследований результаты можно квалифицировать как новое крупное научное достижение. Они создают необходимую основу для развития и применения спектральных методов диагностики молекулярной неравновесной газоразрядной плазмы. Разработанные экспериментальные методики используются для проведения поисковых научно-исследовательских работ по изучению свойств молекулярной неравновесной низкотемпературной плазмы, исследования элементарных процессов, диагностики активных сред газовых лазеров, плазмохимических реакторов и других практически интересных объектов.
В качестве конкретных примеров практических приложений отметим, что:
1) Изученная в работе разрядная кинетика электронно-возбужденных радикалов ОЩА 27) была использована для разработки высокочувствительного спектроскопического метода оперативного контроля герметичности сложных электровакуумных и энергетических установок. Такой метод необходим для решения проблемы технологической безопасности установок типа токамак [9,10].
2) Результаты исследования колебательной кинетики молекул СОг в плазме с высоким удельным энерговкладом, когда энергия, вложенная за время порядка времени релаксации, сравнима с энергией диссоциации молекулы, позволили построить кинетическую модель активной среды С02-ВЛ (см. Гл. 3).
3) Результаты исследования по оптимизации процесса плазмохимического разложения двуокиси углерода в разряде с управляемыми параметрами электронной компоненты плазмы могут быть использованы для получения экологически чистого топлива — водорода с наименьшими энергозатратами (см. Гл. 3).
Результаты работы нашли свое отражение и в образовательном процессе — они использованы для обучения студентов старших курсов кафедры Электрофизики Московского физико-технического института в лекционных курсах «Введение в атомную и молекулярную спектроскопию» и «Спектроскопия низкотемпературной плазмы» .
Личный вклад автора.
В диссертации изложены результаты исследований по спектроскопии неравновесной молекулярной плазмы, проведенные автором и под его руководством с середины 1970;х годов и по настоящее время. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или с его определяющим участием.
На защиту выносятся следующие научные положения.
1. При анализе столкновительного уширения ИК спектральных линий молекул необходим учет столкновений частиц с малыми поступательными энергиями, когда их величины близки к глубине ямы е потенциала, описывающего межмолекулярное взаимодействие. При таких энергиях существенны орбитальные столкновения, которые эффективно уширяют спектральные линии (столкновения называются орбитальными, когда движение сталкивающихся частиц происходит по спиральным траекториям). При высокой газовой температуре, когда кТ «е учет искажения прямолинейной траектории носит характер небольшой поправки, с понижением температуры их роль резко возрастает.
2. Установлено, что в плазме с высоким удельным энерговкладом, когда энергия, вложенная за время порядка времени релаксации, сравнима с энергией диссоциации молекул (активная среда С02 волноводного лазера) существенно возрастает роль плазмохимических процессов. Применительно к активной среде СО2-ВЛ наблюдается возрастание плотностей атомов кислорода, заметно ускоряющих релаксацию антисимметричной моды колебаний СО2, и рост концентрации отрицательных ионов. Амбиполярное поле втягивает отрицательные ионы в центральную зону разряда, как результат плотность электронной компоненты плазмы распределяется по радиусу разрядной трубки существенно более равномерно, чем в случае бесселевского распределения. Учет указанных обстоятельств позволил построить адекватную (фактор значимости Р > 0,85) кинетическую модель активной среды С02-ВЛ.
3. Показано, что разрядная система на основе несамостоятельного разряда, поддерживаемого в устойчивой форме короткими высоковольтными импульсами предыонизации, позволяет обойти ключевые ограничения, связанные с применением самостоятельных разрядов. Стало возможным управлять средней энергией электронов, изменяя параметр Е/И. Это позволяет локализовать значительную часть разрядного энерговклада на определенных степенях свободы молекул (в рассмотренном случае на антисимметричной колебательной моде С02) для реализации селективных плазмохимических процессов. Как результатминимизированы энергозатраты на получении продукта реакций (молекулы СО). Компенсация потерь заряженных частиц в несамостоятельном разряде происходит в основном за счет внешнего источника, не подверженного влиянию плазменных процессов, что заметно расширяет область устойчивости плазмы.
4. Установлен физический механизм передачи значительного момента импульса молекулам при возбуждении их электронных состояний прямым электронным ударом в низкотемпературной плазме.
• Он объясняет вращательное возбуждение молекул воздействием электронов плазмы с энергиями, близкими к порогу возбуждения электронных состояний, с образованием отрицательно заряженных молекулярных ионов в квазидискретных состояниях. «Размер» такой системы существенно превосходит «размер» молекулы в основном электронном состоянии, поэтому при ее распаде улетающий электрон, несмотря на малую величину оставшейся энергии, может передать электронно-возбужденной молекуле значительный момент импульса ~(4−8)/г.
• Устанавливает границы применения метода относительных интенсивностей в ЭКВ спектрах молекул, возбуждаемых прямым электронным ударом, для определения температуры нейтральной компоненты плазмы Т8 — метод пригоден, лишь в случае, когда кТе «В1(В1~ вращательная постоянная молекулы в основном электронном состоянии).
5. Установлено, что электронно-возбужденные молекулы, образующиеся в плазме при взаимодействии тяжелых частиц, формируют горячие группы молекул, средние значения поступательной и вращательной энергий которых заметно превышают таковые для молекул в основном электронном состоянии. Соответственно, спектральные линии, обусловленные радиационным распадом горячих молекул, характеризуются аномальными ширинами (в разы превышающие нормальные допплеровские), зависящими от избытка энергии, выделяющегося в процессе возбуждения, энергии связанного состояния излучателя и давления плазмообразующего газа. Распределения по вращательным уровням горячих молекул в области низких вращательных уровней могут быть описаны как больцмановские с высокой вращательной температурой, зависящей от избытка энергии, выделяющейся в процессе возбуждения молекул (строго вид распределения описывается в рамках статистической модели распада возбужденных атомно-молекулярных комплексов). Анализ распределений электронно-возбужденных молекул по поступательным и вращательным степеням свободы с использованием предложенной в работе модели релаксации средней поступательной энергии горячих частиц позволяет.
• Определить избыток энергии, выделившийся в процессе возбуждения, и тем самым идентифицировать каналы образования электронно-возбужденых молекул в неравновесной плазме;
• Определить температуру нейтрального газа плазмы при наличии параллельных каналов возбуждения молекул, когда из общего распределения выделяется вращательное распределение, соответствующее группе молекул, возбуждаемых прямым электронным ударом.
6. Показано, что эффективные сечения процессов УТ-релаксации для электронно-возбужденных молекул Ы2(С3П) и СО (Л1П) (=0,1 — 2.7А), спектры которых широко используют в диагностике плазмы в 104.106 раз больше, чем аналогичные величины для молекул в основном электронном состоянии. Независимость эффективных сечений от газовой температуры, в отличие от многочисленных результатов для молекул в основном электронном состоянии, свидетельствует об отличии механизма УТ — релаксации электронно-возбужденных молекул от механизма Ландау-Теллера.
7. Показано, что если колебательные температуры молекул в основном электронном состоянии определяются по интенсивностям ЭКВ спектров двух видов молекул, возбуждаемых в плазме прямым электронным ударом (в рассмотренном случае >Т2(С3П) и СО^'П)), то дополнительная информация о функции распределения электронов по энергиям /е (е) не требуется. Необходимо лишь знание температуры газа.
Tg. Доказано, что интенсивности колебательных полос системы Ангстрема.
СО могут служить практически идеальным термометром для определения Ту°, причем, если использовать относительные интенсивности переходов с уровней Г'= од), то не требуется и знание температуры газа Tg.
11. Результаты работы нашли свое отражение в образовательном процессе — они использованы для обучения студентов старших курсов кафедры Электрофизики Московского физико-технического института в лекционных курсах «Введение в атомную и молекулярную спектроскопию» и «Спектроскопия низкотемпературной плазмы» .
Практически все представленные здесь результаты получены в отделе Оптики низкотемпературной плазмы ФИАН. Работа поддерживалась Программой фундаментальных исследований Президиума РАН («Исследования вещества в экстремальных условиях», подпрограмма «Фундаментальные проблемы плотной низкотемпературной плазмы», направление «Диагностика плазмы «), Программами фундаментальных исследований Отделения физических наук РАН («Оптическая спектроскопия и стандарты частоты»), грантами Министерства образования и науки Российской Федерации и РФФИ. Результаты работы, опубликованные в ведущих научных журналах, нашли свое отражения в коллективных монографиях [16,24,108,130,163] и разделах Энциклопедии низкотемпературной плазмы [164,165].
Благодарности.
Приношу глубокую благодарность моим учителям Н. Н. Соболеву и.
B.Н.Очкину за постоянную поддержку и внимание, помощь и плодотворное обсуждение результатов работы. Автор благодарен Н. Г. Преображенскому и А. И. Седельникову за помощь в разработке численных алгоритмов решения спектральных некорректно поставленных задач.
Автор искренне признателен своим коллегам и соавторам С. Н. Цхаю,.
C.Н.Андрееву, М. В. Спиридонову, А. А. Кузнецову, Д. К. Оторбаеву, М. А. Керимкулову, Т. Т. Карашевой. Совместная работа с ними легла в основу данного исследования. Автор благодарен всем сотрудникам отдела Оптики низкотемпературной плазмы и отделения Оптики ФИАН за чуткое и доброжелательное отношение, которое он постоянно ощущал, работая в этом коллективе.
Заключение
.
Подводя итоги, отметим наиболее важные и интересные с нашей точки зрения результаты работы:
1. Реализован комплексный спектральный метод исследования неравновесной молекулярной плазмы на базе классической спектроскопии видимого и ультрафиолетового диапазонов, ИК-спектроскопии поглощения с использованием частотно-перестраиваемых диодных лазеров и спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света. Созданная комплексная методика дает возможность исследовать поведение в плазме дипольно-активных, дипольно-неактивных молекул и радикалов, как в основном, так и в возбужденных электронных состояниях с высоким спектральным и пространственным разрешением. Разработано необходимое программное обеспечение, позволяющее.
• По измерению интенсивностей соответствующих спектров получать значения населенностей энергетических уровней, величин вращательных и колебательных температур.
• По измерению уширенных из-за эффекта Доплера контуров спектральных линий получать функции распределения электронно возбужденных атомов и молекул по скоростям поступательного движения.
2. Методом диодной лазерной спектроскопии исследовано влияние температуры на ударное уширение Ж спектральных линий молекул С02. Анализ полученного материала и имеющихся литературных данных указал на необходимость существенного уточнения и дополнения имеющихся расчетных моделей.
• Предложена модель, хорошо описывающая экспериментальные данные. Она учитывает отклонение траектории движения частиц от прямолинейной в поле межмолекулярных сил и увеличение эффективного сечения уширения при столкновениях частиц с малыми поступательными энергиями, когда их величины близки к глубине ямы потенциала, описывающего межмолекулярное взаимодействие. При расчетах используется небольшое число исходных величин, известных из независимых экспериментов и расчетов — константы потенциала межмолекулярного взаимодействия и электростатические мультипольные моменты молекул.
• По результатам исследования столкновительного уширения ИК спектральных линий молекулы С02 разработаны программы автоматизированной обработки спектров.
3. На основе анализа абсорбционных и КАРС спектров были изучены.
О ^ 1 распределения радикалов ОН (Х П), СКГ (Х Е) и стабильных молекул СО (Х Е), С02, Н2(Х!Е) в основном электронном состоянии по вращательным уровням.
• Показано, что отклонения от равновесия для вращательных степеней свободы молекул в основном электронном состоянии наблюдаются в газоразрядной плазме в условиях, когда величина вращательного кванта молекулы 2ВуК сопоставима со средней энергией поступательного движения ~ кТг (молекула Н2, 7^-100К). Характер отклонений стационарных распределений в плазме состоит в увеличении населенности вращательных уровней по сравнению с равновесными значениями с ростом вращательного квантового числа К.
• На примере конверсии ортои пара-модификаций молекул водорода в неравновесной плазме исследовано влияние свойств симметрии молекул на процессы энергообмена и на их распределение по вращательным уровням основного электронного состояния. Показано, что конверсия обусловлена обменом ядер при столкновениях с атомарным водородом. В отличие от газовой фазы в плазме она протекает с высокой скоростью (характерное время конверсии в газе тс~Згода, тогда как в плазме г^Ьб-Ю^с). Установлено, что из-за температурной зависимости константы скорости обменной реакции и влияния диффузии во всем объеме разрядной системы формируется соотношение орто-/парамодификаций Н2, соответствующее температуре ее наиболее горячей части. Величина отношения орто-/пара-модификаций Н2 чувствительна к изменению температуры при 7^<200К. Это обстоятельство предлагается использовать для измерения газовых температур в криогенных разрядах в отсутствии равновесия между вращательными и поступательными степенями свободы молекул.
4. На основе развитой методики исследования абсорбционных КВ спектров изучена колебательная кинетика молекул С02 в плазме с высоким удельным энерговкладом, когда энергия, вложенная за время порядка времени релаксации, сравнима с энергией диссоциации молекулы. Показано, что в этих условиях существенно возрастает роль плазмохимических процессов.
• Применительно к активной среде СО2 волноводного лазера наблюдается возрастание плотностей атомов кислорода, ускоряющих релаксацию антисимметричной моды колебаний С02, и рост концентрации отрицательных ИОНОВ (в ОСНОВНОМ СОз^), приводящий к тому, что плотность электронной компоненты плазмы распределяется по радиусу разрядной трубки существенно более равномерно, чем в случае бесселевского распределения.
• Учет указанных обстоятельств позволил построить адекватную кинетическую модель (фактор значимости Р>0,85) активной среды С02-ВЛ. 5. На примере процесса разложения СОг рассмотрена проблема управления селективными плазмохимическими реакциями. Для ее решения впервые применена разрядная система на основе несамостоятельного разряда с управляемыми параметрами электронной компоненты плазмы. Показано, что такая разрядная система позволяет обойти ключевые ограничения, связанные с применением самостоятельных разрядов. Стало возможным управлять средней энергией электронов, изменяя параметр ЕШ. Это позволило локализовать значительную часть разрядного энерговклада на определенных степенях свободы молекул (в рассмотренном случае на антисимметричной колебательной моде СОг) для реализации селективных плазмохимических процессов. В результате минимизированы энергозатраты на получении продукта реакций (молекулы СО).
6. С использованием методики исследования поступательного движения электронно-возбужденных частиц в неравновесной плазме по контурам спектральных линий изучены случаи возбуждения атомов и молекул прямым электронным ударом и при столкновениях с тяжелыми частицами.
• Показано, что уширение спектральных линий, обусловленных радиационным распадом молекул, возбуждаемых электронами, в большинстве условий, характерных для низкотемпературной плазмы, близко к нормальному доплеровскому, соответствующего температуре нейтрального газа газоразрядной плазмы. Тем не менее, при низких газовых температурах для легких атомов и молекул уширение линий, связанное с процессом возбуждения, может оказаться сравнимым с уширением из-за теплового движения.
• В случае возбуждения тяжелыми частицами обнаружено аномальное уширение линий, которое может в несколько раз превышать нормальное доплеровское. Найдены неравновесные функции распределения э з возбужденных молекул и атомов по скоростям при их возбуждении в столкновениях с метастабильными N2* и Аг*. Обнаружено, что распределение по скоростям электронно-возбужденых молекул л.
N2(0 ПД), зависит от номера вращательного уровня К и давления плазмообразующего газа.
• Предложена аналитическая модель релаксации средней энергии поступательного движения горячих частиц, хорошо описывающих экспериментальные результаты. Определены газокинетические сечения столкновения возбужденных молекул азота с атомами гелия и аргона. Разработана методика определения избытка энергии, выделяющейся в процессе возбуждения, и на этой основе проведена идентификация каналов образования электронно-возбужденых молекул N2(0 П) в низкотемпературной плазме.
7. Выяснен физический механизм передачи момента импульса молекулам при возбуждении их электронных состояний прямым электронным ударом в низкотемпературной плазме.
• Показано, что наибольший вклад во вращательное возбуждение молекул в плазме вносят электроны с энергиями, близкими к порогу возбуждения электронных состояний. В припороговой области возбуждение электронных состояний происходит через образование отрицательно заряженных молекулярных ионов в квазидискретных состояниях. «Размер» такой системы существенно превосходит «размер» молекулы в основном электронном состоянии, поэтому при распаде молекулярного иона улетающий электрон, несмотря на малую величину оставшейся энергии, может передать электронно-возбужденной молекуле значительный момент импульса ~(4−8) й.
• На основе законов сохранения момента импульса и четности установлены возможные каналы образования Н2(с?3Пи, 1Пё). Предложена модель для расчета относительных вероятностей возбуждения вращательных л уровней. Для состояния Н2(с1 Пи) получено хорошее количественное согласие экспериментов и расчетов (фактор значимости Р>0,8). Для состояния Н2(11Пё) наблюдалось удовлетворительное согласие на качественном уровне. Это связано с наличием для данного состояния заметного взаимодействия электронного движения с вращением.
8. Исследованы распределения по колебательным состояниям электронно-возбужденных молекул при их возбуждении в плазме прямым электронным ударом.
• Найдены эффективные сечения УТпроцессов для электронно-возбужденных молекул ЩС3П) и СО (А1П), широко используемых в диагностики плазмы. Их величины оказались в 104−106 раз больше, чем аналогичные величины для молекул в основном электронном состоянии. Независимость полученных эффективных сечений колебательной релаксации от газовой температуры в отличие от многочисленных результатов для молекул в основном электронном состоянии свидетельствует об отличии механизма УТрелаксации электронно-возбужденных молекул от механизма Ландау — Теллера.
• Предложен новый подход для определения колебательных температур молекул в основном электронном состоянии по измерению интенсивностей колебательных полос электронных спектров без дополнительной информации о функции распределения электронов по энергиям /е (е). Он позволяет по известным величинам колебательных температур молекул N2 и СО в возбужденных электронных состояниях Ту.1, Ту,°и значению газовой температуры Тг определить колебательные температуры Т1 и т£° молекул в основном электронном состоянии. Показано, что интенсивности колебательных полос системы Ангстрема СО могут служить практически идеальным термометром для определения Ту" причем, если использовать относительные интенсивности переходов с уровней СО^Е^ОЛ), то не требуется знание и температуры газа Т. е.
9. Исследованы распределения по вращательным уровням электронно-возбужденных молекул, образующихся при взаимодействии тяжелых частиц. Показано, что.
• Эти распределения в области низких вращательных уровней могут быть описаны как больцмановские с высокой вращательной температурой, зависящей от избытка энергии, выделяющейся в процессе возбуждения молекул (строго вид распределения описывается в рамках статистической модели распада возбужденных атомно-молекулярных комплексов).
•. На этой основе предложен способ измерения газовой температуры плазмы при наличии параллельных каналов возбуждения молекул, когда из общего распределения выделяется вращательное распределение, соответствующее группе молекул, возбуждаемых прямым электронным ударом.
10. Полученные при проведении исследований результаты создают необходимую основу для развития и применения спектральных методов ^ диагностики молекулярной неравновесной газоразрядной плазмы. Разработанные экспериментальные методики используются для проведения поисковых научно-исследовательских работ по изучению свойств молекулярной неравновесной низкотемпературной плазмы, исследования элементарных процессов, диагностики активных сред газовых лазеров, плазмохимических реакторов и других практически интересных объектов.
