Введение к работе
[.
Актуальность проблемы. Несамостоятельный разряд (HP) в молекулярных газах интересен тек, что позволяет зажигать разряд при таких значениях параметра E/N, приведенной напряженности электрического поля, когда эффективно возбуждаются колебательные уровни молекул. При криогенных температурах значительно легче, чем при комнатных, достигаются большие заселенности высоких колебательных уровней молекул благодаря незначительной скорости VT-релаксапии колебательных квантов, благодаря вымораживанию таких примесей как, например, молекулы воды, на которых идет эффективная VT-релаксация, а также благодаря заметному уменьшению энергии остаточного запаса колебательных квантов, т.к. плато функции распределения молекул по колебательным уровням (т.е. функция распределения на высоких колебательных уровнях) начинает формироваться только после набора энергии остаточного запаса. Как известно, системы с сильно-неравновесной степенью колебательного возбуждения находят широкое применение в мощных молекулярных лазерах, в плазыохимических установках для стимулирования химических превращений. Поэтому исследование криогенного несамостоятельного разряда, позволяющего эффективно возбуждать и получать большие заселенности колебательных уровней молекул, представляет определенный теоретический и практический интерес. Также отметим, что процессы возбуждения, миграции энергии возбуждения и тушения электронно-колебательно-вращательных уровней молекул азота играют большую роль в физике ионосферы, их знание необходимо при моделировании явлений в верхних слоях атмосферы, в том числе при входе в атмосферу летательных аппаратов и при полетах гиперзвуковых самолетов.
Настоящая работа посвящена исследованию эффективности
возбуждения колебательных уровней иолекул, исследование вольт-амперных характеристик и устойчивости горения разряда, установлению процессов с участием колебательно-возбужденных иолекул (КШ) азота и ыоноокиси углерода в несаыостоятельнои разряде в N2 и в СО-лазерной сиеси C0:N2=1:9 при криогенных теипературах и их сравнению с результатаыи при коинатной температуре.
Цель работы заключалась:
1) В исследовании пряного нагрева газа и. соответственно,
эффективности колебательного возбуждения иолекул в HP в N и в
СО-лазерной сиеси C0:N2=1:9 при криогенной и коинатной
теипературах;
-
В экспериментальной исследовании зависимости вольт-амперных характеристик горения разряда в N„ и CO:N =1:9 от начальной температуры газа при ее изменении от криогенных Т0=100К до комнатных Т0=300*К;
-
В исследовании устойчивости горения HP в N2 и C0:N=1:9 при криогенной и коинатной теипературах и установлении основных процессов, приводящих к развитию неустойчивости и контрагированию несамостоятельного разряда;
-
В экспериментальном исследовании свечения ВТ и установлении основных процессов возбуждения и тушения излучающих состояний при криогенных и комнатных теипературах в Н2 н C0:N2=1:9.
. Научная нодизна работы заключается б следующем: 1. Измерена эффективность колебательного возбуждения иолекул азота и ионоокися углерода в HP в N2 и сиеси С0:Н2=1:9. Такие измерения при Т0=100*К проведены впервые. В сиеси C0:N2=1:9 при криогенной температуре впервые экспериментально наблюдали нагрев газа в процессах W-обмена при установлении плато функции
распределения молекул (ФРМ) ионоокиси углерода за счет выделения в тепло энергии дефекта энгармонизма. Показано, что VT-релаксация при комнатных температурах в Ng и С0:Н2=1:9 определяется примесными молекулами воды, которые эффективно тушат колебательное возбуждение молекул N2 и СО.
-
В широком диапазоне изменения таких параметров , как TQ, р, Зв, E/N (начальная температура газа, давление, плотность тока пучка, приведенная напряженность электрического поля) исследованы вольтамперные характеристики и устойчивость горения HP в N2 и С0:Нг=1:9. Установлено, что в смеси С0:Нг=1:Э в исследованной области изменения параметров горения разряда неустойчивость имеет иовизационно-перегревный характер, а в N2 к неустойчивости приводят процессы ассоциативной ионизации с участием КВМ N2 на и=15-1б уровнях. Впервые показано, что при Т=100К в HP в азоте значения коэффициента диссоциативной рекомбинации совпадают с данными экспериментов с идентификацией ионов, а в HP в N2 при Т0=300К и в смеси значения р существенно меньше значений, полученных в экспериментах с идентификацией ионов. Дано возможное объяснение этого расхождения.
-
Экспериментально обнаружено послесвечение HP в азоте при криогенной и комнатной температурах, интенсивность которого в послеразрядной стадии проходит через максимум. Построена модель процессов свечения и предложен механизм заселения верхнего излучающего состояния 1+-системы полос азота В3!! .
Практическая значимость работы.
Результаты, полученные в диссертации, расширяют существующие представления о физических процессах в несамостоятельном разряде при повышенных давлениях и вносят вклад в развитие физики низкотемпературной плазмы. Кроме того, эти результаты могут
оказаться полезший при построении физических и численных моделей разряда и найти применение при конструировании устройств, использующих как рабочую среду системы с сильно-неравновесным колебательным возбуждением молекул. Такими устройствами являются электроионизационные С02-лазеры с раздельным возбуждением молекул N2, СО-лазеры и плазмохимические установки типа установок для синтеза окислов азота также и раздельным возбуждением молекул азота. Результаты исследования по процессам ассоциативной ионизации могут быть полезными при создании новых типов несамостоятельного разряда с начальным возбуждением молекул N„ до появления заметной скорости ассоциативной ионизации (АИ) и последующим смешением с рабочим газон. Результаты исследований процессов свечения газа позволят учесть в физических моделях новые процессы диссипации колебательной энергии, а также могут быть полезными при создании новых типов лазеров.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Зависимости эффективности колебательного возбуждения в N2 и в
C0:N2=1:9 от E/N в диапазоне значений (0,5+2,0)-10-16 В-см2.
Независимость эффективности колебательного возбуждения в азоте
от начальной температуры газа.
-
При криогенной температуре нагрев газа в смеси C0:N2=1:9 в основном происходит за счет выделения энергии дефекта ангармонизиа в процессах W-обмена при установлении плато ФРМ СО. VT-релаксация в Н2 и в С0:Н2=1:Э при комнатной температуре определяется примесью паров воды.
-
длительность времени устойчивого горения HP в азоте определяется процессами ассоциативной ионизации, включающимися при достижении волны возбуждения колебательных уровней до 15-16
уровня азота, а в снеси C0:H„=1:9 механизм неустойчивости имеет ионизационно-перегревную или тепловую природу. Поэтому в смеси длительность времени устойчивого горения разряда определяется временем набора энергии остаточного запаса колебательных квантов и дохоадения волны возбуждения до высоких колебательных уровней (где VT-процессы преобладают над процессами W-обмена), после чего почти вся вкладываемая в разряд энергия начинает поступать на разогрев газа.
-
В азоте после выключения несамостоятельного разряда наблюдается послесвечение 1+-системы полос N2. Это послесвечение вызвано возбуждением колебательных уровней. метастабильного состояния азота N_(A3S+,y') в процессах W-обмена при столкновениях с N2(X,v~30) и последующим столкновительным переходом N2(A3S*,u'=7) на NgC^n ,u*=0).
-
В смеси С0:Н2=1:Э свечение несамостоятельного разряда определяется молекулами (Жив свечении преобладает фиолетовая система полос циана В22+-*-Х22+, причем заселение молекул циана в верхнее соостояние В224 в основном происходит при столкновении с КВМ С0(Х,и=13). При этом главным процессом образования молекул CN является процесс с участием электронно-возбужденных молекул Я^ІТРп ), заселяемых быстрыми электронами пучка.
Апробация результатов.
Основные результаты диссертации докладывались: на XVIII и XIX Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (ICPIG) в Суанси, Англия, 1987 г. и в Белграде, Югославия, 1989 г.,
на X и XI Европейских конференциях по атомным и молекулярным процессам в ионизованных газах (ESCAMPIG) в Орлеане, Франция, 1990 г. и в Санкт-Петербурге, 1992 г.,
на III Всесоюзной конференции по физике газового разряда в
Киеве, 1986 г.,
на VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной
плазмы в Минске, 1991 г.
и обсуждались на семинарах в ТРИНИТИ и НИИЯФ МГУ.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 13 статьях препринтах, докладах и тезисах докладов.
