ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ ОБЪЕМНОГО НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА В АЗОТЕ И СМЕСЯХ АЗОТА С УГЛЕВОДОРОДАМИ Научный руководитель: к. ф. -м. н, с. н. с. Ломаев М. И. Выполнила: Кривоногова К. Ю. 1
q Изучаются оптические характеристики плазмы разрядов: Ø Например, в [Костыря И. Д. , Скакун В. С. , Тарасенко В. Ф. , Феденев А. В. Оптические свойства плазмы при объемном наносекундном разряде атмосферного давления в неоднородном электрическом поле // ЖТФ. 2004, т. 74(8) с. 35 -40. ] в азоте при давлении 1 атм была получена мощность излучения ~ 36 к. Вт, и КПД излучения (2+)-системы азота составил ~ 0, 01%. q Исследуются механизмы возбуждения CN (B 2Σ+): Ø Например, в [G. Dilecce, P. Ambrico, G. Scarduelli, P. Tosi, S. Benedicts. CN(B 2Σ+) formation and emission in a N 2 -CH 4 atmospheric pressure dielectric barrier discharge // Plasma Sources Sci. Technol. 18(2009), p. 116. ] рассматриваются механизмы образования и излучения CN (B 2Σ+) в смесях N 2 -CH 4 в барьерном разряде при атмосферном давлении. q Применение: Ø Создание мощных источников вынужденного излучения в ВУФ и УФ диапазонах спектра. и спонтанного 2
Цель: исследование временных, энергетических и спектральных характеристик излучения плазмы импульсного наносекундного разряда в азоте и в смесях азота с углеводородами в широком (от 0, 1 до 12 атм и от 0, 1 до 3 атм, соответственно) диапазоне давлений при возбуждении объемным разрядом, инициируемым пучком убегающих электронов, а также определение ne и оценка Te плазмы разряда спектральными методами. 3
Блок-схема экспериментальной установки 4
Конструкция разрядной камеры 5
характеристики плазмы разряда в азоте Спектральное распределение плотности энергии излучения w в азоте при давлении 1 атм (а) и 6, 7, 12 атм (б). а N 2, 1 атм б N 2, 5 атм Фотографии диффузного (а) и контрагированного (б) разряда в азоте 6
характеристики плазмы разряда в азоте. Осциллограммы импульсов напряжения U и тока разряда I при давлении азота 1 атм (а), временной ход мощности импульсов излучения P при реализации диффузного (б) и контрагированного (в) разрядов. 7
характеристики плазмы разряда в азоте. В случае диффузного разряда максимальное значение мощности излучения ~ 120 к. Вт при удельной мощности излучения ~ 50 к. Вт/см 3 достигается при p ~ 0. 8 атм, а величина энергии излучения монотонно уменьшается. 8
Зависимость длительности импульса излучения от давления в азоте. Величину 1/2 можно разделить на две составляющие: Величины 1 и 2 определяются, соответственно, длительностью спада напряжения на промежутке и последующей за ним временной динамикой населенности N 2(C 3 Пu) состояния. 9
Зависимость длительности импульса излучения от давления в азоте. * P. K. Gupta, S. K. Majumder, A. Uppal, “Breast cancer diagnosis using N 2 laser excited autofluorescence spectroscopy”, Lasers in Surgery and Medicine, Vol. 21, No. 5, P. 417 – 422, 7 Dec 1997. 10
Поскольку мощность спонтанного излучения P(t) пропорциональна N 2(C), то величина эфф. экспер. (p) может быть найдена аппроксимацией части осциллограммы, соответствующей спаду импульса излучения функцией вида: 11
Определение концентрации электронов в азоте методом штарковского уширения. Использовалась смесь: 1 атм N 2 + 12 торр H 2 Hα (λ=656. 2 нм) Рабочая формула: n 1, n 2 – верхнее и нижнее главные квантовые числа, соответственно; Ze – ядерный заряд излучающей частицы (Ze=1 для водорода, Ze=2 для ионизованного гелия и т. д. ); Zp - кратность заряда ионов. Точность метода ~ 30% Входная щель MDR-23 Концентрация электронов в канале контракции составила: Ne ~ 3, 6 x 1017 см-3 12
Оценка температуры электронов в азоте. § Оценка температуры электронов в азоте при p ~ 1 атм дает среднее за импульс значение Te ~ 2 э. В. § Быстрый спад Te от ~ 3. 5 э. В до ~ 2 э. В в течение нескольких нс после пробоя промежутка. 13
характеристики плазмы разряда в смесях азота с углеводородами 0, 5 атм. N 2 + 2 Торр CH 4 3 атм. N 2 + 2 Торр CH 4 В диапазоне давлений от 0, 1 до 0, 75 атм реализовывался диффузный разряд, при больших давлениях имел место контрагированый разряд. 14
характеристики плазмы разряда в смеси азота с углеводородами § § Максимальное значение интенсивности достигнуто при давлении смеси порядка 2 атм. Мощность излучения плазмы разряда ~ 8 к. Вт. 15
характеристики плазмы разряда в смеси азота с углеводородами Осциллограммы импульса напряжения U (1) и тока разряда I (3) в азоте, и импульса напряжения (2) в смесях N 2 -CH 4. Осциллограммы импульсов излучения на полосах линий (2+)-системы азота (λ = 337 нм) и фиолетовой системы циана (λ = 388 нм) и осциллограмма импульса напряжения в азоте. 16
Выводы 1. Зарегистрированы амплитудно-временные и спектральные характеристики излучения плазмы разряда в азоте и смесях азота углеводородами (не более 1 -2%) в широком диапазоне давлений (до 12 и 3 атм, соответственно) при возбуждении разрядом, инициируемом пучком убегающих электронов. 2. Достигнута выходная мощность излучения (2+)-системы азота порядка 120 к. Вт. На переходах фиолетовой системы циана была получена мощность излучения плазмы разряда ~ 8 к. Вт. 3. Экспериментально регистрируемое эффективное время жизни N 2(C) состояния при давлениях азота от 0, 1 до 4 атм кореллирует с данными модели, основанной на предположении о короткоимпульсном возбуждении с последующим радиационным распадом и безызлучательным столкновительным тушением. 4. Значение Ne измеренное в канале контракции в азоте при давлении 1 атм составляет 3, 6 x 1017 см-3 ; оценка Te в азоте при давлении азота 1 атм дает значения 2 э. В. 17
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! 18
Статьи: 1. Ломаев М. И. , Рыбка Д. В. , Сорокин Д. А. , Тарасенко В. Ф. , Кривоногова К. Ю. . Излучательные характеристики азота при возбуждении объемным разрядом, инициируемом пучком убегающих электронов // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107. Вып. 1. С. 37 - 44. 2. Сорокин Д. А. , Ломаев М. И. , Кривоногова К. Ю. Концентрация и температура электронов в плазме диффузного разряда, формируемого при высоких перенапряжениях в плотных газах // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – Т. 316. – № 2. C. 80 – 85 Труды конференций: 1. Sorokin D. A. , Lomaev M. I. , Rybka D. V. , Krivonogova K. Yu. Electron concentration measurement of high pressures nanosecond volume gas discharge plasma // Proc. 15 th Int. Symp. оn High Current Electronics. Tomsk, Russia, 21 -26 September, 2008. - PP. 256 - 258. 2. Lomaev M. I. , Sorokin D. A. , Krivonogova K. Yu. , Rybka D. V. , Tarasenko V. F. , Discharge and emitting characteristics of high-current volume nanosecond discharge in nitrogen and it’s mixtures with hydrocarbons // 9 th international conference Atomic and molecular pulsed lasers. Tomsk, Russia, 14 -18 September 2009, P. 26. 3. Sorokin D. A. , Lomaev M. I. , Krivonogova K. Yu. , Rybka D. V. , Tarasenko V. F. , Concentration’s determination and temperature estimation of electrons in plasma of volume nanosecond discharge, formed in dense gases at high overvoltages // 9 th international conference Atomic and molecular pulsed lasers. Tomsk, Russia, 14 -18 September 2009, P. 93. 4. Krivonogova K. Yu. , Lomaev M. I. , Rybka D. V. , Sorokin D. A. , Tarasenko V. F. , Radiative plasma characteristics of glow nanosecond discharge into nitrogen and mixtures of nitrogen with hydrocarbons // // 9 th international conference Atomic and molecular pulsed lasers. Tomsk, Russia, 14 -18 September 2009, P. 95. 19
Методика определения концентрации электронов Согласно Бекефи. Плазма в лазерах; М. , Энергоиздат 1982, выражение для полуширины профиля линии водорода, уширенной вследствие эффекта Штарка в плазме: Где n 1 n 2 – верхнее и нижнее главные квантовые числа; Ze – атомный номер; Zp - кратность заряда ионов. λ 0 выражено в Å, а концентрация N – в см-3. NД - число частиц в сфере Дебая; Где Te - температура электронов, э. В; Ne – концентрация электронов, см-3 Линия Lyα Hα Hβ Hγ Hδ Hε He. II λ 0 , Å 1216 6563 4861 4341 4102 3970 4686 3203 n 1 2 3 4 5 2 7 4 5 n 2 1 2 2 2 6 2 3 3 20
Методика определения концентрации электронов Зависимость уширения Δλ 1/2 от концентрации электронов Ne для различных температур. Рабочая формула: 21
0 x Использовалась смесь: 1 атм N 2 + 12 торр H 2 Hα (λ=656. 2 нм) y Ne ~ 3, 6 x 1017 см-3 Входная щель MDR-23 22
Методика оценки температуры электронов N. Britun, M. Gaillard, A. Ricard, Y. M. Kim, K. S. Kim, J. G. Han, Journal of Physics D: Applied Physics, 40 (2007), pp. 1022 -1029. 1. Максвелловское распределение электронов по энергиям. 2. Возбуждение излучающих уровней прямым электронным ударом. 23
Экспериментальные установки. • РАДАН-220: U ~ 250 к. В, 1/2 ~ 2 нс, ф ~ 0. 5 нс, ~ 20 Ом. • Катод: трубка из нержавеющей стали толщиной ~ 100 мкм, ~ 6 мм. • Анод: плоский из алюминия. • d = 14 мм. • Вывод излучения осуществлялся через кварцевые окна камеры (диапазон пропускания от 160 нм). • Свечение разряда фотографировалось цифровым фотоаппаратом. • Спектрометр EPP 2000 C-25 Stellar. Net Inc. : 200 -850 нм. • Вакуумный монохроматор VM-502 Acton Researcher Corp. : 120 -540 нм. • ФЭК-22 СПУ: спектральная чувствительность 200 -600 нм, временное разрешение ~ 0. 5 нс. • ФЭУ (EMI 9781 B): временное разрешение переднего фронта ~ 3 нс, заднего ~ 30 нс. • Осциллограф TDS-6604: полоса пропускания 6 ГГц, число выборок 20·109 в секунду 24
N 2 Энергия возбуждения N 2(C 3 u) - 11 э. В CN Энергия возбуждения CN(B 2 ) - 3, 1 э. В 25
Скачать презентацию ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ ОБЪЕМНОГО НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА В АЗОТЕ
диплом.pptx