Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ 12
Введение . 12
Экспериментальная техника 15
Система регистрации оптических сигналов
и временные измерения 18
1.4 Измерение заселенностей электронно-возбужденных
состояний молекулы СО ... 29
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАСЕЛЕНИЯ ТРИПЛЕТНЫХ
СОСТОЯНИЙ СО В РАСПАДАЮЩЕЙСЯ ПЛАЗМЕ 32
Введение 32
Обзор литературных данных 33
2.2.1 Работы по исследованию процессов возбуждения
и дезактивации состояний о!?2%dbA ,е?Л .... 33
2.2.2 Процессы возбуждения электронных состояний
молекул с участием долгоживущих образований 39
Результаты экспериментов по исследованию послесвечения с уровней а!?^. , a A f е3Х 48
Процессы заселения триплетних состояний СО
в области малых давлений СО 69
2.5 Процессы заселения триплетных состояний СО
в области больших парциальных давлений СО 79
Процессы заселения триплетных состояний СО за счет радиационных переходов с вышележащих состояний СО 81
Процессы заселения триплетных состояний СО за счет столкновительных переходов из близ-
~ 3 ~
КС-расположенных долгоживущих состояний .... 88
2.6 Заключение 103
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПРЩЕССОВ В ПЛАЗМЕ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ЛАЗЕРА НА
КРАСИТЕЛЯХ 104
Введение 104
Экспериментальная установка с
перестраиваемым лазером 106
3.3 Исследование влияния лазерной накачки на
послесвечение с триплетных состояний СО 110
3.3.1 Обзор литературных данных 110
3.3.2 Исследование влияния излучения лазера
на послесвечение триплетных полос 113
Анализ спектра флуоресценции 125
Измерение концентраций молекул С
в разряде в смеси Не-СО 130
Обзор литературных данных 131
Измерение концентраций молекул С
в разряде и в послесвечении 136
3.5.3 Процессы образования и разрушения
молекулы Со в разряде и послесвечении 151
3.6 Заключение 162
ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ КОНСТАНТ СТУПЕНЧАТОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
СОСТОЯНИЙ Є32 И #32 МОЛЕКУЛЫ СО 163
Обзор литературных данных 163
Методика измерения констант скоростей ступенчатого возбуждения ,. 164
Измерение КС СВ состояний Є32 и 2 169
Получение информации о сечениях процессов СВ .... 173
Роль процессов СВ в плазме 179
4.6 Заключение 184
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ИК-СПЕКТРА РАЗРЯДА В СМЕСИ Не~СО
И ПОЛУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО МОМЕНТА
ПЕРЕХОДА а?2 —* а3Л ОТ Г - ЦЕНТРОИДЫ 185
Введение 185
Анализ ИК-спектра разряда 189
Получение зависимости электронного момента перехода о!?2—+. а8П от г-центроиды 197
Расчет радиационных времен жизни нижних колебательных уровней состояния 206
5.5 Заключение 209
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 211
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Электронные параметры плаэмы 213
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Газовая температура, колебательная
температура СО, заселенность состояния
С0(а3П) в разряде в смесях Не-СО 226
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Возможные процессы заселения уровней С0*(Т)
в реакциях с участием He*(23S), COCX^/if),
СОх(а8П,\г= 0-3), C0K(a!3I,V= 0) и
в химических реакциях 228
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Поведение заселенностей уровней при наличии
столкиовительных переходов между ними и
под действием лазерного излучения 238
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Анализ кривых распада молекулы Ср
в триплетном состоянии (а3П)
в послесвечении разряда 244
ЛИТЕРАТУРА 248
Введение к работе
Актуальность изучения процессов возбуждения молекул в газоразрядной плазме в смеси окиси углерода с гелием определяется в первую очередь необходимостью более полного исследования плазмы СО -лазеров. Такой лазер был впервые осуществлен в 1964 году на колебательно-вращательных переходах основного состояния молекулы CD Х2. Его отличают высокий к.п.д.(до 40$), высокая выходная мощность, способность работать в непрерывном и импульсном режимах, многообразие методов достижения инверсии (газоразрядное, газодинамическое, химическое, электронно-пучковое возбуждение). Эти качества, а также возможность выбора длины волны в сравнительно широком диапазоне 5-6.5 мкм делают его одной из важнейших молекулярных лазерных систем.
Известны также лазерные переходы между электронно-возбужденными состояниями СО , соответствующие полосам Ангстрема ( X = = 568 - 660 нм) и полосам четвертой положительной системы СО ( А = 206.8 нм).
Несмотря на то, что процессы, происходящие в плазме СО-лазеров, интенсивно изучаются в последнее десятилетие во многих странах, имеющейся информации явно недостаточно для полного и точного описания рабочей среды этого лазера. Трудности, возникающие при изучении этого объекта, обусловлены главным образом многообразием процессов с участием нейтральных и заряженных частиц, протекающих в плазме. Концентрации атомов и частиц, появляющихся в результате разложения исходной смеси, и константы скоростей (КС) реакций с их участием во многих случаях остаются неизвестными. В связи с этим необходимо продолжать исследование плазмы СО-лазеров.
Представляет интерес и дальнейшее изучение элементарных про-
цессов с участием молекулы окиси углерода. Он обусловлен как актуальностью лазерных исследований, так и астрофизическим значением этой относительно простой и чрезвычайно распространенной во Вселенной молекулы. Благодаря интенсивному изучению молекула СО представляет собой довольно хорошо изученный объект. Однако число работ, посвященных элементарным процессам с ее участием, не уменьшается, а, наоборот, с каждым годом увеличивается. Происходит расширение и углубление знаний о вероятностях излучательных и столк-новительных переходов в молекуле, взаимодействии ее энергетических уровней.
Данная работа является продолжением исследований в этой области, ведущихся на кафедре оптики Ленинградского университета, и посвящена дальнейшему изучению плазмы СО-содержащих смесей и молекулы СО.
В диссертации решены следующие задачи: (I) исследованы процессы, обуславливающие интенсивное заселение низколежащих трип-летных состояний СО a!3J, с(.Л,32 в послесвечении положительного столба тлеющего разряда в смесях Не-СО; (2) исследована зависимость концентрации молекулы Cz от условий разряда в СО -содержащих смесях, рассмотрены процессы образования и разрушения этой молекулы в разряде; (3) исследованы процессы ступенчатого возбуждения электронных состояний СО & и Ш : (4) изучен ИК-спектр разряда в смеси Нг-СО и получена зависимость электронного момента перехода а!32—*о?П от межъядерного расстояния.
Рассмотрим подробнее каждую из этих задач.
(I). Измерение распадов возбужденных состояний атомов и молекул является удобным способом исследования процессов их заселения. Это связано с тем, что, в то время как в разряде основным механизмом заселения возбужденных состояний является электронный удар, в распадающейся плазме на первый план выходят процессы, не связанные
_ 7 -
с высокоэнергичными электронами. Такими процессами могут быть, например, столкновительная передача возбуждения, парные столкновения возбужденных частиц. Распадающаяся плазма является поэтому удобным объектом для изучения таких процессов.
Хорошо известно, что подобные процессы, происходящие как в атомах, так и молекулярных системах, всегда вызывают большой интерес. Это связано с их значением для понимания атом-молекулярных взаимодействий, которые еще недостаточно хорошо разработаны. Процессы передачи возбуждения имеют и практическое применение: например, они могут приводить к созданию инверсной заселенности в плазме некоторых лазеров. Поэтому представляло интерес подробно исследовать наблюдающееся в наших условиях послесвечение триплетных состояний СО . Этот интерес усиливался еще тем, что обнаруженное послесвечение было чрезвычайно интенсивным и сравнимым с электронным возбуждением данных состояний.
В центре внимания при анализе экспериментального материала, касающегося послесвечения триплетных состояний СО, был вопрос о механизме заселения этих состояний. Для . его решения были проделаны специальные эксперименты с накачкой плазмы перестраиваемым лазером на красителях.
(2). Плазма СО-лазера характеризуется относительно высокой степенью разложения исходной смеси. В результате диссоциации и химических реакций в разряде появляются различные вторичные продукты -09С ,С02 , Сг (возможно, также С20 ,Сз02). Возникает также целый ряд заряженных частиц сложного состава. Все эти компоненты в той или иной степени влияют на работу СО -лазера. Поэтому представляет интерес выяснить концентрации каждого сорта таких частиц в плазме, основные механизмы их образования и разрушения. Для некоторых из них ( С02,0 ) такие результаты имеются. Для других, в том числе и С2 , экспериментально найденные
концентрации отсутствуют. Неизвестны и основные реакции образования и разрушения этой молекулы.
В данной работе впервые производилось измерение концентрации
С2 в разряде и послесвечении плазмы в смеси Ue-CO . Для этого применялся метод лазерной флуоресценции. Данные о зависимости концентраций Сг от экспериментальных условий использовались для анализа механизмов образования и гибели молекулы Сд в плазме в смеси Не-СО.
(3). Известно, что ступенчатое возбуждение (СВ) электронным ударом может быть важным механизмом возбуждения электронных состояний атомов в плазме. Информация о роли этих процессов для возбуждения электронных состояний молекул до последнего времени практически отсутствовала. Именно это определяет важность изучения процессов СВ молекул. Лишь недавно методика импульсного подогрева распадающейся плазмы была применена для измерения констант скоростей СВ молекул СО и А/^ . В данной работе уже развитая методика была примнена еще к двум состояниям СО - е32 и
в32. Из результатов измерений извлекается информация о сечениях процессов СВ этих состояний.
(4). Спектр испускания молекулы СО, вызванный электронными переходами, достаточно хорошо изучен в спектральной области от 200 до 860 нм. Однако сведения об излучении молекулы в спектральном диапазоне от 860 до 2200 нм в литературе отсутствуют. В то же время в ИК-области спектра, по расчетам, должны находиться интенсивные молекулярные полосы, соответствующие электронным переходам молекулы. Поэтому информация об излучении молекулы СО в этой области представляет интерес.
В диссертации в диапазоне 860-2200 нм были обнаружены полосы двух электронно-колебательных систем СО . Они были идентифицированы и по наименее перекрывающимся полосам системы Асунди полу-
чена информация о зависимости электронного момента перехода от межъядерного расстояния.
Информация о зависимости &е(г) является необходимой для определения вероятности переходов отдельных электронно-колебательных полос. Для системы Асунди молекулы CQ такие сведения до настоящей работы отсутствовали.
Диссертация состоит из введения, 5 глав и приложений.
В первой главе описывается экспериментальная установка и рассматриваются особенности работы применявшейся схемы временного анализа излучения плазмы.
Вторая глава посвящена исследованию процессов заселения низкорасположенных триплетных состояний СО в послесвечении разряда. Анализируются возможные механизмы такого заселения и их адекватность экспериментальным результатам.
В третьей главе рассматривается влияние лазерной накачки на послесвечение с триплетных состояний СО. Это дает возможность уточнить механизм заселения этих состояний в распадающейся плазме.
Кроме этого, приводятся результаты измерения концентраций молекул С^ в разряде и в послесвечении и анализируются механизмы их образования и гибели.
В четвертой главе изучаются процессы ступенчатого возбуждения (СВ) электронным ударом электронных состояний СО а32 и &ъ2 . Извлекается информация о сечениях СВ этих состояний.
В пятой главе анализируется спектр разряда в смеси Це-СО в ИК-области. Производится классификация наблюдаемых линий и молекулярных полос. Определяется зависимость электронного момента перехода а'*2 —>(t] от г-центроиды.
В приложениях помещен вспомогательный материал.
Основные результаты диссертации докладывались на Ш Межвузов-
ском семинаре молодых ученых "Физика процессов в газоразрядной плазме" (Ленинград, 1982), на XI Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск,1983) и изложены в следующих работах:
Блашков В.И. Распад триплетных состояний СО в послесвечении разряда в смеси Не-СО.-Л.,1983,16 с. (Деп.ВИНИТИ 31.08.1983 № 4907-83).
Блашков В.И., Ионих Ю.З. Относительные вероятности полос Асун-ди молекулы СО и процессы их возбуждения в послесвечении разряда. - Тезисы докладов XI Всесоюзного съезда по спектроскопии, Томск,1983, ч.2, с.190-2.
Блашков В.И., Жувикин Г.В. Об использовании многоканального анализатора амплитуд в качестве анализатора временных интервалов. -Л., 1984, 12с. (Деп. ВИНИТИ 21.06.1984 № 4191-84).
Блашков В.И., Ионих Ю.З., Пенкин Н.П. Инфракрасные полосы системы Асунди и электронный момент перехода al^Z —*> a?/7 молекулы СО .- Журн.прикл.спектр., 1984, т.41(3), с.471-5.
Блашков В.И., Ионих Ю.З., Пенкин Н.П. Измерение констант ступенчатого возбуждения состояний молекулы СО в плазме. - Известия ВУЗов, Физика,1984,т.27(9), с.88-92.
Блашков В.И. Лазерная накачка газоразрядной плазмы в смеси
Ме-СО.- Л.,1985, Не. (Деп. ВИНИТИ 25.10.1984 № 6906-84).
Основные положения, выносимые на защиту:
I. Обнаружены интенсивные процессы заселения низколежащих
триплетных состояний в послесвечении поло-
жительного столба разряда в смесях гелия с малыми добавками СО . Доказано, что в области малых парциональных давлений СО (Рсо~ ~1 мтор) существенным является заселение данных состояний в послесвечении разряда в результате диссоциативной рекомбинации с участием иона СО^*. Установлено, что при Рсо^2 мтор заселе-
ниє триплетних состояний СО происходит за счет столкновитель-ных процессов передачи возбуждения с высоких ( V = 7-14) колебательных уровней метастабильного состояния СО а?П .
Измерены концентрации молекул Сх в разряде и в послесвечении в смесях гелия с малыми добавками СО . Для этого использован метод лазерной флуоресценции. Предложена схема процессов образования и разрушения молекул С% в разряде.
Измерены ранее неизвестные КС ступенчатого возбуждения состояний е32 и о 2. . Определены количественные характеристики таких процессов, которые могут быть использованы для расчетов скорости СВ при произвольных условиях.
4. Установлен факт интенсивного свечения разряда в смесях
//е-тСО в спектральной области 860-2200 нм. Доказано, что спектр
разряда в этой области формируется в основном за счет электронно-колебательного спектра молекулы СО на переходах 0и2.-^-о.ъП и (PL --* 0?П .
5. Показано, что в приближении К*-центроиды электронный мо
мент перехода d Z —> а?П не зависит от межъядерного расстоя-
ния в пределах изменения К*-центроиды I.18-1.31 А . Сделаны надежные оценки ранее неизвестных радиационных времен жизни уровней \Г = 0-3 состояния
