Введение к работе
Актуальность проблемы. Настоящая работа была предпринята вследствие большого интереса к неравновесным процессам с участием возоувденкых частиц, в частности молекул синглетного кислорода (термин "синглетный кислород" яЕляется обдепркнятым для обозначения молекул кислорода, возоукденннх в нижние электронные метастабильные состояния а1Д и ь^*, но чаще всего используется для молекул О (а1д )). Так в последнее время, в связи с проблемой динамического поведения озона в верхнеЯ атмосфере Земли, очень большое внимание уделяется изучению процессов, определяющих кинетику молекул 03, которая, как известно 11,21, в условиях верхней атмосферы тесным образом связана с кинетикой синглетного кислорода (молекулы О,(а1А ) являются основным продуктом УФ фотолиза озона). В работе (31 при исследовании образования 02(а1Д ) в импульсном объемном разряде в смеси кислорода с азотом был сделан следующий вывод: полученные экспериментальные результата можно объяснить только если предполоїить существование канала передачи энергии, запасенная в колебаниях молекул N , на электронный уровень а1Д молекул 0 . Такой канал образования 0 (а'д ; ранее не предполагался (прямая передача возбуждения от H2(vlk) к Ог(а1д ) маловероятна). Поэтому экспериментальное изучение механизма данного процесса является актуалышм как для физики верхней атмосферы, так и разных задач плазмсхимии.
Вопросом, имеющим кроме научного и практическое значение, является вопрос о возможности использования газового разряда в качестве генератора 02(а1Д ) в кислородно - йодном лазере (КИЛ). Для эффективного преобразования энергии синглетного кислорода в лазерное излучение с высокой направленностью, что позволит применять
- 2 -эффективные резонаторкые схемы и решит проблемы сзязанные со смешением, нукка активная среда с коэффициентом усиления большим на порядок, чем в существующих химических КИЛ. Измеренные коэффициентн возбуждения состояния а1А и ь12* в плазме [4,5) предполагают такую возможность. Однако, в вшголнекшх с данной целью экспериментах получены очень разные результаты. В одних - концентрация 02(а1Д ) была в несколько, раз -нихо ожидаемся, так что выполнить требуемое условие для раооты КИЛ 102(.а:Д ) J/l02(X3iT)J > 0.2 при Т = 3G0 К не представлялось возможным, б других - нзооорот, в газовом разряде получена довольно высокая концентрация 02(а1д ), такая, что вышеуказанное условие удовлетворяется. Таким образом вопрос о возможности создания электроразрядного генератора 02(а1д ) для КМЛ является рткритым.
Цель;работы. Настояная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию кинетики молекул 02(а1Д ) и 02(ь12+) в возбуждаемых несамостоятельным и ВЧ разрядами (в том числе раздельное .возбуждение ВЧ разрядами газов с последующим их смешением) смесях кислорода с азотом, аргоном и гелием с целью:
а) выяснить механизм аномально высоких скоростей образования и дезактивации 02(а1Д ) в возбужденной смеси N2:02 и
0) определить условия и параметры газоразрядной плазмы, при которых гипотетически возможно использование . разряда в качестве генератора синглетного кислорода в кислородно - йодном лазере.
Степень новизны и научное значение.
Впервые экспериментально исследован процесс эффективного образования 02(а1Д ) при колеОательном возбуждении молекул озона и азота. Показано, что колебательно возбужденные молекулы N играют роль резервуара энергии, которая расходуется молекулами озона на
- з -возбуждение и дезактивацию 02(а1Д ).
На основании экспериментзльннх данных предложены механизм стимулированных колебательным возоуддением озона процессов образования и тушения Ог(а1Д ), построена самосогласованная медьль колебательной и химической кинетики в среде возбужденных агстз, кислорода и озона. Из соответствия результатов эксперимента и моделирования определены микроскопические параметры дэннкх процессов.
Созданная модель позволила с единой течкі'. зрения интерпретировать некоторые, не получившие в свое время объяснения, экспериментальные факты, касающиеся кинетики молекул Ог(а1л ?. Е свою очередь это далс возможность предложить нову?', однако основанную на результатах лабораторных исследований, интерпретации ночного свечения синтлетного кислорода в верхней атмосфере Земли.
Показано, что для эффективного вклада энергии разряда в возбуждение состояния а1й молекул О требуются разряды в смесях кислорода и благородных газов с очень низкими (оптимальными для каждой из смесей) значениями параметра E/N в области квазинептралыюй плазмы. При этем при определенных условиях в разряде в смеси Ке:02 возможно получить абсолютную и относительную концентрации синтлетного кислорода, соответствукщие необходимым для кислородно - йодного лазера значениям.
Практическая ценность. Полученные результаты расширяют представления о процессах, протекающих в кислород содержащих средах, и таким образом дают возмокность более детального количественного описания поведения различных компонент этих сред.
В частности результаты по кинетике молекул синлетного кислорода в среде возбужденных азота, кислорода и озона позволяют с новой
точки зрения взглянуть на процесса, в особенности неравновесные, в верхней атмосфере Земли и необходимы при создании глобальных моделей атмосферы.
Результаты исследования эффективности образования и кинетики молекул синглетного кислорода в плазме могут быть непосредственно использованы при разработке электрсразрядного кислородно - йодного лазера, а также новых методов субмикронной технологии микроэлектроники - плазмохимичеокогэ травления Фоторезиста, напыления тонких пленок оксида кремния и стимулированного плазмсЯ окисления кремния.
На зашиту выносятся следующие положения:
-
Результаты экспериментального исследования образования и дезактивации молекул синглетного кислорода при возбуждении смесей N2:02 импульсным несамостоятельным разрядом.
-
Результаты экспериментального изучения кинетики молекул
О (а1Д ) И 0 (b'i'*") При ВОЗбуКДеНИИ ЄМКОСТННМ ВЧ разрЯДОМ СМЄСЄЙ
N2:0 и при смешении возбужденных ВЧ разрядами потокок азота и кислорода.
-
Модель механизма сбрагоЕа:шя и тушения о (в14 ) при колебательном возбуждении молекул озона.
-
Результаты моделирования экспериментов: а) по исследованию кинетики молекул синглетного кислорода при смешении раздельно возбужденных ВЧ разрядаьяі потоков N и Q2> б) по изучению тлеющего разряда в чистом 02 методом ВШ спектроскопии и в) по изучению образования молекул 02(а1Л ) в потоке Н2 + 0(3Р) при добавлении б поток молекулярного кислорода.
5. Результаты экспериментального исследования эффективности
образования молекул о (а1 А ) в плагке несамостоятельного разряда в
- 5 -смесях кислорода с аргоном и гелием.
6. Результаты эксперимента и моделирования кинетики метеку." 02(а'д ) и О (ь12+) при возбуждении емкостным ВЧ разрядом смесей Не:Ог.
Апроеаиия работы и публикация. Оснсеннє результати диссертации дскладывздись на. Ill Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1988), на V Всесоюзной конференция по физике газоЕого разряда (Омск, 1990) на VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазми (Млкск, 1991 ), на IX, X. XI Европейских конференциях по атомной и молекулярной Физике ионизованных газов (ESCAMPIG IX, Lisbon, Portugal, 1988; ESCAMPIG X, Огіеагш, France, 1990; ESCAMPIG XI, St.Petersburg, Russia. 1992), a также научншс семинарах СМЭ НИИЯФ, ШТЛК. Содержание диссертации отражено в 15 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. В соответствии с вышеназванными двумя главными целями работы диссертация состоит из введения, двух частей и заключения (в части I - три главы, в части 2 - дзе главы). Диссертация содержит 273 страниц, включая 66 рисунков, 6 таблиц и биолиографию из 162 наименований.
