Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК И МЕТО ДИК ИЗМЕРЕНИЙ 31
1.1. Экспериментальные установки 31
1.1.1. Установки для создания пучков ионов, атомов и электронов 31
1.1.2. Оптическая система, использовавшаяся для регистрации излучения 36
1.1.3. Фотоэлектрическое устройство, применявшееся для измерения интенсивностей 42
1.2. Методики измерений 46
1.2.1. Методика градуировки относительной чувствительности спектральной аппаратуры 46
1.2.2. Выбор условий проведения экспериментов 47
1.2.3. Методика измерения распределений молекул по уровням вращательной и колебательной энергии 48
1.2.4. Методика измерения распределений интенсивное тей в контуре спектральной линии 52
1.3. Методика обработки распределений интенсивнос тей в контурах спектральных линий 53
1.3.1. Исключение аппаратного уширения. 53
1.3.2. Учет уширения вследствие тонкой структуры уровней 57
1.3.3. Учет теплового движения диссоциируемой молекулы. 61
1.4. Восстановление энергетических распределений излучающих атомов 63
1.4.1. Общий случай 63
1.4.2. Частные случаи 65
1.4.3. Случаи, использовавшиеся в настоящей работе 66
1.5. Погрешности измерений 69
1.5.1. Погрешности определения относительных заселенноетей вращательных и колебательных уровней 69
1.5.2. Погрешности в определении энергетических распределений атомов 70
1.6. Практические приложения методики измерения и обработки контуров спектральных линий .75
ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ АТОМОВ ВОДОРОДА И ДЕЙТЕРИЯ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В ПРОЦЕССЕ ДИССОЦИАТИВНОГО ВОЗБУВДЕНИЯ МОЛЕКУЛ Н2, Г>2 , Н20 И В, О ЭЛЕКТРОННЫМ УДАРОМ 87
2.1. Литературный обзор работ, посвященных исследованиям энергетических распределений осколков диссоциации простых молекул 87
2.I.I. Молекула водорода 87
2.I.I.I. Распределения по скоростям атомов водорода в состоянии 2S 91
2.1.1.2. Высоковозбужденные атомы водорода. Модель "ионного остова" 94
2.1.1.3. Возбужденные атомы водорода в состоянии с п от 3 до 6 96
2.1.2. Молекула воды 98
2.2. Энергетические распределения атомов водорода (дейтерия), образованных при диссоциации молекул водорода (дейтерия) 100
2.2.1. Результаты измерений 100
2.2.2. Идентификация процессов образования медленных атомов 102
2.2.3. Идентификация процессов образования быстрых атомов ИІ
2.3. Энергетические распределения атомов водорода (дейтерия), образованных при диссоциации молекул 1^0 ( Dz О ) Н7
2.4. Применение результатов при диагностике плазмы 125
ГЛАВА 3. ИЗЗГЧЕНЙЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПО РАЗЛИЧНЫМ СТЕПЕНЯМ СВОБОДЫ ОСКОЛКОВ, ОБРАЗОВАННЫХ ПРИ ДИССОЦИАЦИИ МНОГОАТОМНЫХ МОЛЕКУЛ ЭЛЕКТРОН НЫМ УДАРОМ 135
3.1. Обзор литературы 135
3.1.1. Вращательные и колебательные распределения осколков диссоциации многоатомных молекул 135
3.1.2. Распределения осколков диссоциации по скоростям поступательного движения 141
3.2. Экспериментальные результаты и их обсувдение. 144
3.2.1. Энергетические распределения возбужденных атомов водорода, образованных при диссоциации молекул углеводородов. 144
3.2.2. Исследования распределений по уровням вращательной и колебательной энергии осколков диссоциации молекул 152
3.2.2.1. Результаты измерений 152
3.2.2.2. Использование статистической теории для интерпретации результатов. 162
3.2.2.3. Гипотеза, объясняющая независимость вращательных и колебательных распре
делений одних и тех же осколков от природы диссоциируемой молекулы 171
3.3. Практические рекомендации по использованию вращательных и колебательных распределений осколков диссоциации при диагностике неравновесной плазмы 174
ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ И КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ МОЛЕКУЛ, ОБРАЗОВАННЫХ В ПРОЦЕССАХ СТОЛКНОВЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И ТЯЖЕЛЫХ ЧАСТИЦ С МОЛЕКУЛАМИ N? И СО 177
4.1. Обзор работ, посвященных изучению вращательных и колебательных распределений молекул N0 и СО 177
4.2. Изучение заселенностей колебательных и вращательных уровней возбужденных состояний молекул Nz и СО 183
4.2.1. Заселенности колебательных уровней молекул в случае возбуждения электронным ударом 183
4.2.2. Заселенности колебательных уровней в случае возбуждения ударом тяжелых частиц. 88
4.2.3. Распределения по уровням вращательной энергии ионов Л/+ и СО 192
4.2.4. Интерпретация результатов по вращательным и колебательным распределениям двухатомных молекул *95
4.3. Практические рекомендации и использование их при диагностике неравновесной плазмы 205
ГЛАВА 5. ИЗУЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСПРЕЩЕІЕНИЙ ВОЗБУЖДЕННЫХ АТОМОВ КАК МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЗМА ПОСТУПЛЕНИЙ ПРИМЕСЕЙ В ПЛАШУ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК 213
5.1. Физические задачи, для решения которых нужен метод измерения энергетических распределений 213
5.2. Измерение вероятности возбуждения частиц, образованных в процессе распыления твердых тел 217
5.2.1. Состояние исследований по этой проблеме
5.2.2. Изучение энергетических распределений атомов, возбужденных при распылении. 221
5.2.2.1. Исследование влияния типа распыляющей частицы и наличия окислов на поверхности 221
5.2.2.2. Зависимость вероятности возбуждения распыленных частиц от их скорости. 223
5.3. Использование метода для определения механизма поступления примесей в плазму 230
5.4. Сравнение возможностей двух методик - резонансной флуоресценции и метода, основанного на анализе доплеровских контуров излучающих частиц 237
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 240
ЛИТЕРАТУРА
- Установки для создания пучков ионов, атомов и электронов
- Литературный обзор работ, посвященных исследованиям энергетических распределений осколков диссоциации простых молекул
- Вращательные и колебательные распределения осколков диссоциации многоатомных молекул
- Обзор работ, посвященных изучению вращательных и колебательных распределений молекул N0 и СО
- Физические задачи, для решения которых нужен метод измерения энергетических распределений
Введение к работе
Неравновесная плазма электрических разрядов при пониженном давлении находит в последнее время широкое применение для синтеза новых соединений, получения полимерных пленок, износостойких и защитных покрытий и т.д. [1,2]. К числу неравновесных объектов отноояітся также астрофизическая плазма и пристеночная плазма в крупных современных высокотемпературных плазменных установках.
Неравновесные системы нельзя описать при помощи такого важного параметра, каковым является температура. Хотя, строго говоря, о температуре имеет смысл говорить только в случае равновесной системы, тем не менее этим понятием часто пользуются для характеристики состояний неполного равновесия. Особый интерес представляет случай, когда внутри равновесной системы частиц существует неравновесная подсистема. Такая подсистема реализуется, например, в плазме для возбужденных состояний частиц, имеющих время жизни меньшее времени между газокинетическими соударениями. Так как в этом случае нельзя пользоваться понятием "температура", возникает необходимость более сложного описания распределения энергии в системе при помощи функций распределения частиц по различным степеням свободы. В ряде случаев для удобства описания таких систем оставляют понятие"температура'! хотя оно уже и не имеет того смысла, которое вкладывается в него при равновесном распределении энергии. Для тех случаев, когда равновесие в системе отсутствует, но внутри какой-то степени свободы функцию распределения можно описать при помощи распределения Больцмана (или Максвелла), можно ввести понятие "эффективной" температуры, а распределение считать квазиравновесным. Использование квазиравновесных распределений для описания неравновесных систем облегчает в ряде случаев задачу расчета их динамики.
Поскольку в основе процессов, протекающих в неравновесных плазменных и плазмо-химических реакторах, лежат элементарные процессы диссоциации, ионизации и возбуждения рабочего газа, то возникает задача исследования этих процессов с целью выяснения условий, при которых функции распределения образовавшихся в элементарных процессах частиц будет иметь квазиравновесный характер и, следовательно, могут быть описаны при помощи эффективной температуры.
Особое место в исследованиях неравновесной плазмы занимает вопрос о возможности использования для ее изучения широко распространенных методов оптической диагностики /. Это связано с тем, что при диагностике плазмы зачастую используются методы эмиссионной спектроскопии -более удобные и простые, чем методы, связанные с поглощением света. Однако на пути практической реализации этих методов возникают трудности, связанные с тем, что в процессе возбуждающего воздействия ударом электронов и тяжелых частиц может произойти изменение исходных функций распределения, имеющих в ряде случаев равновесный характер и описываемых при помощи температуры. Необходимо провести специальные исследования с целью выяснения связи между исходными функциями распределения и функциями для системы возбужденных состояний частиц. В частности, при измерении температуры газа по вращательным распределениям возбужденных двухатомных молекул необходимо иметь данные об искаже- ний распределений в процессе возбуждения при воздействии электронов или ионов. В случае изучения температуры газа по колебательным распределениям необходимы сведения о том, выполняется ли при возбуждении молекул принцип Фран-ка-Кондона, так как в этом случае возможно использование колебательных распределений возбужденных электронных состояний молекул для измерения температуры газа /V]. Возникает, следовательно, задача исследования вращательных и колебательных распределений молекул, образованных в результате соударений электронов либо тяжелых частиц с этими молекулами.
Особое место среди неравновесных плазменных систем занимает пристеночная плазма современных термоядерных установок. Важными процессами, протекающими в такой плазме, являются процессы диссоциации рабочего газа и процессы, связанные с взаимодействием частиц, покидающих плазму, со стенками этой установки. В таких условиях образование возбужденных частиц, использующихся для диагностики пристеночной плазмы, будет определяться спецификой этих элементарных процессов. Целью настоящей работы явилось исследование функций распределения по кинетическим энергиям частиц, возникающих при диссоциации ряда простых молекул, которые могут присутствовать в пристеночной плазме. В диссертации решается также задача об исследовании распределений по кинетическим энергиям возбужденных атомов, возникающих при взаимодействии пучков тяжелых частиц с поверхностью твердого тела, с целью их использования для определения механизма поступления металлических примесей в плазму современных термоядерных установок. - II -
Программа исследований, вошедших в диссертационную работу, формировалась в то время, когда работ по изучению функций распределения возбужденных частиц, образованных в элементарных процессах столкновения электронов и тяжелых частиц с различными молекулами и поверхностью твердого тела, было мало. Отсутствовала также методика, пригодная для исследования неравновесных функций распределения излучающих частиц по кинетическим энергиям.
Поэтому первоочередной задачей явилось создание такой методики, а также накопление экспериментальных данных, выявление закономерностей и поиски путей их использования при диагностике неравновесной плазмы.
Диссертационная работа состоит из пяти глав, введения, заключения и списка цитируемой литературы.
В первой главе дано описание экспериментальных установок, использовавшихся в работе, и основных методик измерений. Применялись установки, которые обеспечивали получение пучков ионов, атомов и электронов с заданной энергией. Поскольку в настоящей работе использовался оптический метод регистрации, то описаны методики оптических измерений, особенно те, которые позволяли определять неравновесные функции распределения частиц по кинетическим энергиям. В частности, описана оптическая аппаратура высокого разрешения, обеспечивавшая возможность проведения измерений распределений интенсивностей в уширенных из-за эффекта Доплера контурах спектральных линий. Описана методика восстановления из наблюдаемого доплеровского контура линии неравновесной функции распределения возбужденных частиц по скоростям. В эту методику входят, во-первых, процедура исключения искажений, вносимых измерительной аппаратурой, во-вторых, переход от функции распределения для проекции вектора скорости к функции распределения излучающих частиц по скоростям. Рассмотрены три часто встречающиеся в приложениях случая: случай изотропного углового распределения излучакь-щих частиц, случай неизотропного известного углового расб пределения и случай, когда переменные V (скорость) и О (угол вылета частицы относительно какой-либо оси) не разделяются. Приводятся выражения, связывающие измеренное распределение интенсивноетей в контуре спектральной линии с искомым распределением частиц по скоростям (энергиям). В отдельном разделе первой главы проведен анализ погрешностей измерений. Особое внимание уделено оценке погрешностей определения неравновесной функции распределения излучающих частиц по скоростям.
На основе анализа обширного экспериментального материала показана возможность решения задачи об использовании в экспериментальных условиях - доплеровского уширения линий для получения неравновесных функций распределения излучающих частиц по скоростям (энергиям).
Завершает первую главу диссертации описание исследований по диагностике плазмы, в которых была применена предложенная методика обработки распределений интенсивное-тей в контурах спектральных линий. Применение этой методики для анализа контуров линий, излучаемых в плазме, дает возможность разделить доплеровское и штарковское уширения. Это,в свою очередь, позволяет оценить напряженность малых турбулентных электрических полей в плазме и определить энергетические распределения частиц в условиях, когда эти - ІЗ - распределения не являются равновесными.
Во второй главе приведены результаты изучения распределений по кинетическим энергиям атомов Н и D в состояниях с главным квантовым числом п от 3 до 6, образующихся при диссоциации молекул Е^» % &>0 и 13,0 электронным ударом с энергией от 90 до 1000 эВ. Изложению результатов исследований предшествует краткий обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению распределений по скоростям и углам осколков диссоциации молекул. Рассмотрены возможные каналы диссоциации молекулы водорода. Описана модель "ионного остова", широко используемая в настоящее время для описания процессов диссоциативного возбуждения в том числе и при интерпретации результатов настоящей работы.
Изложенные во второй главе диссертации результаты исследований по изучению функций распределения атомов водорода (дейтерия) по скоростям в случае диссоциации молекул &> ( Лг ) свидетельствуют о наличии нескольких групп возбужденных атомов R(D ). На основе анализа полученных распределений и сопоставления их с расчетными распределениями, а также с расчетами скоростей автоионизации и предиссоциации возбужденных состояний молекул ^( Вг) доказана важная роль процесса предиссоциации в образовании атомов Н ( В ). Показана возможность применения модели "ионного остова" для интерпретации экспериментальных результатов по диссоциативному возбуждению молекул с образованием возбужденных осколков с низкими значениями главного квантового числа.
Завершает вторую главу диссертации описание исследований на плазменных установках, в которых для интерпрета- ции результатов по изучению энергетических распределений атомов водорода в пограничном слое плазмы используются результаты исследований, изложенных во второй главе. Предложен способ обнаружения молекулярного водорода в пограничной плазме высокотемпературных установок, основанный на сравнении распределений интенсивноетей в контурах линий водорода, излучаемых в плазме и в элементарном процессе диссоциативного возбуждения молекулы водорода электронным ударом. На основании анализа опубликованных данных и результатов настоящей работы высказано предположение о важной роли процесса диссоциативного возбуждения молекулы водорода в образовании атомов водорода на краю плазмы современных термоядерных установок. Показано, что эти атомы имеют кинетические энергии значительно более низкие, чем кинетические энергии атомов, образующихся при диссоциации молекулы водорода в процессе франк-кондоновского перехода в отталкивательное о 2! молекулярное состояние.
Третья глава диссертации посвящена изложению экспериментального материала по изучению функций распределения по различным степеням свободы осколков, образованных при диссоциации молекул углеводородов электронным ударом. Описанию результатов исследований предшествует краткий обзор с анализом экспериментальных и теоретических работ по изучению функций распределения осколков диссоциации многоатомных молекул.
Исследования, которые были выполнены в настоящей диссертации и вошли в третью главу, показали, что в случае диссоциации большого класса молекул углеводородов (молекулы с2н2, сн4> (. сн2о, OgHg, с6н6, снсг2, нсоон, CHgCOOH) вращательные и колебательные распределения осколочных молекул являются квазиравновесными, причем эффективные вращательные и колебательные температуры не соответствуют температуре газа и значительно отличаются друг от друга. Установлено, что распределения осколочных атомов водорода по скоростям также являются квазиравновесными. Это обстоятельство облегчает задачу использования функций распределения для описания динамики процессов с участием возбужденных частиц, протекающих в неравновесной углеводородной плазме.
Для интерпретации полученных результатов привлекается статистическая теория, на основе которой произведены расчеты вращательных и колебательных распределений молекул ОН, Ср, С0+, образованных в случае диссоциации молекул 02 и СН2О. Показана применимость статистической теории для описания экспериментальных результатов. Из сравнения расчетных и экспериментальных распределений выделены преимущественные каналы диссоциации молекул 02 и CHgO.
Здесь же обращается внимание на факт независимости в ряде случаев вращательных и колебательных распределений осколочных молекул от рода диссоциируемой молекулы. Предлагается гипотеза, объясняющая это явление. Б конце главы приводятся практические рекомендации, которые могут быть полезны в случае использования вращательных и колебательных распределений возбужденных осколков, возникших при диссоциации многоатомных молекул, для измерения температуры газа в низкотемпературной неравновесной плазме.
В четвертой главе излагаются результаты исследований вращательных и колебательных распределений для ионизирован- ных и нейтральных молекул Л/ , С0+, А/^и СО, образованных при столкновениях электронов с энергией 10-300 эВ и тяжелых частиц (атомы, ионы) с энергией 0,16-30 кэВ с молекулами Д/^ и СО.
Так же,как и предыдущие главы, эта глава начинается обзором работ, посвященных изучению распределений двухатомных молекул, образованных в процессах возбуждения (либо ионизации с возбуждением) по уровням вращательной и колебательной энергии. Определено место исследований, описанных в настоящей работе, среди работ подобного рода.
Исследования, вошедшие в четвертую главу диссертации, показали, что относительные заселенности колебательных уровней возбужденных состояний молекулярных ионов ЛЛ+ и С0+ соответствуют заселенностям, вычисленным согласно принципу Франка-Кондона, в случае соударения с молекулами N и СО электронов (энергия больше 50 эВ) и тяжелых час- тиц (скорость больше 2.10 см/с). При меньших значениях энергий электронов и скоростей тяжелых частиц наблюдается отклонение измеренных относительных заселенностей колебательных уровней от рассчитанных по принципу Франка-Кондона. В то же время заселение колебательных уровней возбужденных электронных состояний нейтральных молекул /V2 и СО протекает в соответствии с принципом Франка-Кондона, Предлагается объяснение полученных результатов на основе гипотезы о дополнительном вкладе промежуточных автоионизационных состояний в заселение колебательных уровней молекулярных ионов при малых энергиях электронов и ионов (атомов).
В главе 4 изложены также результаты исследований вращательных распределений возбужденных молекул, образованных при столкновениях электронов и тяжелых частиц с молекулами /V и СО. Установлено наличие распределения Болъцмана по уровням вращательной энергии для возбужденных молекулярных ионов /V+ и С0+, образованных при столкновении с электро-нами, и отклонение от этого распределения при наблюдении свечения молекулярных полос вблизи металлических поверхностей. Показано, что в случае удара тяжелых частиц происходит образование возбужденных молекул с повышенным их количеством на высоких уровнях вращательного движения. На основании этих исследований предлагается метод диагностирования типа возбуждащей частицы (ион или электрон) в неравновесной плазме. Даны практические рекомендации по использованию вращательных и колебательных распределений возбужденных двухатомных молекул при измерении температуры газа в неравновесной низкотемпературной плазме.
Завершается глава 4 изложением результатов исследований по диагностике возможных процессов возникновения молекулярного иона азота в неравновесной плазме установок для нанесения упрочняющих покрытий. Преимущественный процесс возникновения этих ионов, играющих важную роль в формировании нитридного упрочняющего покрытия,определяется на основании анализа распределений этих ионов по вращательным, колебательным и поступательным степеням свободы.
Установки для создания пучков ионов, атомов и электронов
В настоящей работе было создано несколько вариантов установок для получения пучков ионов, атомов и электронов. При конструировании и изготовлении экспериментальной техники использовался принцип взаимозаменяемости узлов установки, что позволило в процессе работы быстро переходить от одного типа исследований к другому. Применялись пять вариантов установок. Схематический чертеж первого варианта показан на рис. I. Эта установка давала возможность получить разделенные по массам пучки ионов водорода, а также ионов благородных газов. Ионная пушка, создававшая пучок ионов, состояла из дугового ионного источника с осцилляцией электронов в магнитном поле (I) и трехэлектродной линзы (2). Линза (2) фокусировала и ускоряла ионный пучок в интервале энергий 5-30 кэВ. Электрическое поле двух плоских конденсаторов (3) позволяло перемещать ионный пучок в двух взаимно-перпендикулярных направлениях до входа его в магнитный анализатор (5). Пучок ионов после магнитного анализатора дополнительно фокусировался квадрупольной электростатической линзой (6) и направлялся в камеру столкновений (7). Через окно (8) наблюдали свечение исследуемого газа. Цилиндры Фарадея (4) измеряли ток ионов после линзы (2), в камере столкновений и после нее. В оптимальном режиме работы при ускоряющем напряжении « 30 кэВ был получен ток ионов Б в камере столкновений 60-70 мкА. При энергии ионов 5 кэВ ток пучка в камере столкновений был I мкА.
Для получения ионных пучков с энергиями меньше 5 кэВ путь ионов от источника до камеры столкновений был сокращен. С этой целью, ионная пушка, изображенная на рис. I позициями (I) и (2), подсоединялась непосредственно к узлу установки с камерой столкновений. С помощью этого варианта установки были проведены исследования с ионами инертных газов при энергии от 0,1 до 30 кэВ. Сила тока ионов Не+ с энергией 0,16 кэВ в камере столкновений была 0,05 0,1мкА.
Схематический чертеж третьего варианта установки представлен на рис. 2а. Эта установка давала возможность проводить исследования как с ионными, так и с атомарными пучками инертных газов в интервале энергий 1-30 кэВ. Для создания и ускорения ионного пучка использовалась все та же ионная пушка (I) и (2). Частичная нейтрализация ионного пучка осуществлялась в камере (3), плоский электростатический конденсатор (4) отклонял ионную компоненту пучка и направлял пучок атомов в камеру столкновений (5). Ток пучка, прошедшего через камеру столкновений, измерялся детектором (6), который для измерений ионного тока включался как цилиндр Фарадея, а определение эквивалентного тока пучка атомов производилось путем измерения температуры стальной фольги, закрепленной в основании цилиндра Фарадея. Сигнал от термопары, прикрепленной к тыльной стороне пластинки, градуировался по току одноименных заряженных частиц.
Литературный обзор работ, посвященных исследованиям энергетических распределений осколков диссоциации простых молекул
Молекула водорода как наиболее простая являлась объектом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований. Рассчитаны и хорошо известны потенциальные кривые основного и ряда возбужденных ее состояний [61]. На рис. 25 приведены потенциальные кривые некоторых состояний молекулы водорода. И хотя молекула водорода является наиболее простой и наиболее изученной, в печати все время появляются работы, посвященные ее исследованию. Интерес к изучению молекулы водорода вызван прежде всего тем обстоятельством, что водород является рабочим газом термоядерных установок. Для расчетов динамики процессов, протекающих в таких установках, необходимы многочисленные данные о сечениях различных процессов взаимодействия электронов и тяжелых частиц с молекулами водорода (дейтерия) [63J. При расчетах глубин проникновения в плазму "холодных" частиц из пограничной области необходимо иметь сведения о скоростях осколков диссоциации молекулы водорода (дейтерия).Следует иметь в виду,что такие осколки могут появляться в результате распада молекул по различным каналам [8]. На рис. 26 приведены зависимости от энергий электронов сечений различных каналов диссоциации молекулы водорода. Как видно из рис. 26, при малых энергиях электронов наиболее вероятным каналом диссоциации молекулы Hg является ее распад при переходе в отталивате-льное ё 2и состояние. В результате этого процесса образуются два атома водорода в основных состояниях. Зная волновую функцию нулевого колебательного уровня состояния X 2 молекулы водорода Ґ64] и потенциальную энергию состояния ё и /61J, воспользовавшись известным принципом Франка-Кондона /"21J, можно рассчитать распределение Ф(Я) для этих атомов. Результаты проведенного расчета распределения Ф(Я) приведены ниже на рис. 41.
Из рис. 26 следует, что при энергиях электронов больше 30 эВ заметную роль начинает играть процесс диссоциации молекулы водорода с образованием одного из атомов в возбужденных 2,5 - либо 2р- состояниях. На рис. 27 приведены рассчитанные скорости образования атомов водорода в процессах диссоциации, соответствующих кривым 2 и 4 рис. 26. Следствием перехода молекулы Н2 в а 2 состояние является излучателышй переход в і и состояние и последующая диссоциация с образованием H(is) + Н (is). Кривая 4 на рис. 27 соответствует суммарной скорости образования атомов водорода в состоянии is . Здесь же приведены скорости образования атомов водорода при диссоциации молекулы согласно данным, приведенным в работе [бб].
Вращательные и колебательные распределения осколков диссоциации многоатомных молекул
Как было давно замечено JI08-II0J , вращательная температура, измеренная по вращательным распределениям электронно-колебательно-вращательных полос двухатомных молекул в плазме низкого давления в ряде случаев имела завышенные значения. Такие наблвдения были сделаны в случае изучения вращательных распределений возбужденных молекул ОН , CN , СН , С2 и других [l08-II0] . Эти молекулы могли появиться в разряде в результате процесса диссоциации молекул рабочего газа под действием электронов. Имеется также небольшое число исследований, посвященных изучению распределений по вращательным и колебательным уровням осколков при фотодиссоциации молекул [ІІІ-ІІЗ] . В этих работах также наблнщались неравновесные вращательные и колебательные распределения. В первых двух работах исследовались заселенности вращательных уровней состояния Я 21 молекул ОН , возбужденных при фотодиссоциации молекул Н2О, в [из] - молекулы ОН в ее основном X П состоянии. Оказалось, что вращательные распределения молекул в состоянии й Е- резко неравновесны. Максимальная заселенность вращательных уровней наблюдалась при N 20. Иной характер имело распределение по вращательным уровням молекул ОН в основном X П состоянии; это распределение оказалось близким к равновесному, максимальная заселенность вращательных уровней наблюдалась при N = 2. В случае диссоциации молекулы HgO электронным ударом с энергией 20-1000 эВ [lI4,II5J также наблюдались неравновесные вращательные распределения для молекул ОН в состоянии h H. . В [і 16, II7J была сделана попытка применить статистическую теорию химических реакций для объяснения измеренных неравновесных вращательных распределений. Поскольку эта теория будет полезна также и при интерпретации результатов настоящей работы, кратко изложим ее сущность [lI8,II9j.
В основу статистической теории положено предположение о том, что возбужденная многоатомная молекула в течение времени ее существования рассматривается как замкнутая система. Для такой системы предполагается справедливость микроканонического распределения. Диссоциация такой молекулы может описываться в рамках статистического приближения, если ее время жизни в возбужденном состоянии намного превышает характерные времена движения атомов в молекулах , а также, если нет специальных запретов на обмен энергий между различными степенями свободы диссоциирующей молекулы. Необходимо отметить, что вопрос об оценке наименьшего значения , при котором еще справедливо статистическое приближение, остается открытым. Например, иногда это приближение дает удовлетворительные результаты даже при нарушении соотношения Может быть в этих случаях малое время существования возбужденной молекулы компенсируется в каком-то смысле большой величиной сил взаимодействия между различными степенями свободы. В статистической теории предполагается сохранение полной энергии и полного углового момента атомов, входящих в состав молекулы. Существует два подхода статистического описания диссоциации возбужденной многоатомной молекулы. Первый основан на предложенной Ферми [l20j статистической модели множественного рождения вторичных частиц при столкновении быстрых ядер. Предполагается, что при столкновении ядер в некоторой малой пространственно-фазовой области взаимодействия с объемом Л возникают всевозможные комбинации частиц системы сталкивающихся ядер (объем Я. является параметром теории). Дополнительно предполагается, что кинетические энергии частиц и силы их взаимодействия достаточны для установления статистического равновесия между различными комбинациями.
Обзор работ, посвященных изучению вращательных и колебательных распределений молекул N0 и СО
Как уже упоминалось во введении, для измерения температуры газа в низкотемпературной неравновесной плазме широко применяется метод изучения распределения интенсивностей во вращательной и колебательной структуре электронно-колебательно-вращательных полос [3,21/ . В случае вращательной структуры метод основан на отождествлении вращательной температуры возбужденных электронных полос молекул с температурой газа. Обоснованием применимости этого метода является доказательство малой вероятности изменения момента количества движения молекулы при соударениях с возбуждающей частицей. Экспериментально доказать это положение можно путем изучения вращательных распределений для электронных состояний молекул, возбужденных при соударениях электронов и тяжелых частиц, с исследуемыми молекулами.
Колебательные распределения молекул в возбужденных состояниях могут быть также использованы для измерения температуры газа неравновесной плазмы [4]. В основе метода измерения температуры газа путем анализа колебательных распределений возбужденных молекул, лежит предположение о том, что в процессе ее возбуждения выполняется принцип Франка-Кондона. В этом случае заселенность колебательного уровня V возбужденного состояния п равна где сі- Константине зависящая от г/"- колебательного квантового числа основного состояния молекулы, fyvv" " факторы Франка-Кондона для перехода из основного в возбужденное состояние, f (у1) - функция распределения молекул по колебательным уровням основного состояния. Измерив зная факторы Франка-Кондона для соответствую-щего перехода, можно определить функцию распределения путем решения уравнения (40), следовательно появляется возможность оценки температуры газах . Применимость этого метода также нуждается в физическом обосновании, которое может быть осуществлено путем проверки выполнимости принципа Франка-Кондона в элементарных процессах возбуждения молекулы, а также процессах возбуждения с ионизацией при столкновениях электронов и тяжелых частиц с молекулами. В особенности это относится к двухатомным молекулам, вращательные и колебательные спектры которых наиболее часто используются для измерения температуры газа в низкотемпературной плазме [3]. Среди двухатомных молекул особое место занимают молекулы Л/2 и СО ввиду широкого использования плазмы с рабочим газом из этих молекул [I49-I5I], а также их важного геофизического и астрофизического значения [152-154].
Физические задачи, для решения которых нужен метод измерения энергетических распределений
В связи с развитием термоядерных установок в последние годы возникла важная задача по изучению поведения примесей в таких установках /7,211-213J. Важность этой задачи обусловлена двумя обстоятельствами. Первое - при поступлении примесей в горячую плазму происходит увеличение потери ее мощности путем излучения энергии этими частицами. Это накладывает жесткие ограничения на допустимую концентрацию примесей для зажигания термоядерной реакции. Второе - поступление металлических частиц в плазму происходит за счет разрушения элементов плазменной установки, что накладывает ограничение на время их эксплуатации. Отсюда ясна важность проблемы изучения механизма генерации примесей в современных термоядерных установках.
Во введении к настоящей диссертации уже указывалось, что эрозия материала стенок и диафрагмы термоядерных установок и, следовательно, загрязнение плазмы примесями вызываются, в основном, тремя процессами:
1. Распылением материала ионами и атомами рабочего газа и примесных частиц,
2. Разрушением из-за процесса дугообразования.
3. Испарением в месте локального нагрева, например, убегающими электронами.
Одним из возможных путей выяснения механизма поступления примесей в плазму является изучение энергетических распределений частиц, покидащих стенку или диафрагму плазменной установки. Дело в том, что энергетические распределения частиц, возникших в трех вышеперечисленных процессах, значительно отличаются. Энергетические распределения частиц, образованных в результате испарения, будут равновесными, соответствующими средней энергии не более I эВ /2I2J. О характере энергетических распределений частиц, возникших при ду-гообразовании, трудно что-либо сказать. Однако характер наблюдаемой на поверхности эрозии в этом случае (диаметр кратеров, их взаимное расположение), измеренные токи дуги -10--100 А [214,215], а также удельный выброс массы материала [216] дают основание предположить, что в результате дугооб-разования на поверхности материала возникают катодные пятна первого типа. Известно [217] , что в вакуумной дуге в этом случае эрозия материала имеет нетермический характер. Катодное пятно служит источником высокоскоростной струи металла, причем скорости частиц в струе могут достигать значений 10 см/с.
В случае распыления энергетические распределения частиц хорошо известны [37,218] и имеют вид Ф(Е) В /(Б + Её)3 ( Eg - энергия связи атома на поверхности). Средние энергии распыленных частиц -10-20 эВ. То благоприятное обстоятельство, что возникающие в трех основных процессах разрушения материала примесные частицы имеют значительно отличающиеся энергетические распределения, позволяет использовать их для анализа in - situ механизма поступления примесей в плазму.
