Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Экспериментальное исследование тлеющего разряда 14
1.1 Описание экспериментальной установки 14
1.1.1 Разрядная трубка 14
1.1.2 Блок питания разряда 16
1.1.3 Вакуумная система 16
1.1.4 Система регистрации излучения 17
1.1.5 Система калориметрирования разряда 20
1.1.6 Система зондовых измерений 23
1.2 Методика и результаты измерений 29
1.2.1 Электрические параметры разряда 29
1.2.2 Напряженность электрического поля 30
1.2.3 Относительная и абсолютная интенсивности излучения 2+-системы 30
1.2.4 Определение мощности, рассеиваемой в разряде... 40
Выводы 49
Глава 2. Определение основных параметров плазмы 50
2.1 Параметры тяжелых частиц 50
2.1.1 Вращательная температура состояний 50
2.1.2 Газовая температура 57
2.1.3 Концентрация частиц 62
2.2 Приведенная напряженность электрического поля 62
2.3 Параметры электронного компонента плазмы 64
2.3.1 Средняя энергия и функция распределения электронов по энергиям 64
2.3.2 Концентрация заряженных частиц стр. 72
Выводы 82
Глава 3. Оптический метод определения колебательной температуры основного состояния 83
3.1 Функция возбуждения электронным ударом состояния 83
3.1.1 Анализ литературных данных 83
3.1.2 Аппроксимация экспериментальной функции возбуждения 92
3.2 Усредненное сечение возбуждения электронным ударом состояния 94
3.3 Связь функций распределения молекул по колебательным уровням состояний 102
3.4 Критерий пршленения оптического метода определения колебательной температуры основного состояния
3.4.1 Колебательная релаксация в азоте 117
3.4.2 Диффузия молекул 118
3.4.3 Возбуждение колебаний электронным ударом 119
3.4.4 Формулировка критерия 120
3.5 Результаты определения колебательной температуры состояния 124
Выводы 131
Глава 4. Исследование процессов, приводящих к радиальной неоднородности плазмы 132
4.1 Оптический метод определения параметров электронного компонента плазмы 132
4.2 Обсуждение причин сжатия разряда 141
4.3 Механизм нагревания молекулярного газа стр. 147
4.3.1 Оценка количества энергии, необходимой для нагревания газа 147
4.3.2 В зашло действие ионов с молекулами 149
4.3.3 В зашло действие электронов с молєкулаїли азота... 151
4.3.4 Взаимодействие молекул азота 154
Выводы 157
Заключение 159
Библиография 162
- Относительная и абсолютная интенсивности излучения 2+-системы
- Средняя энергия и функция распределения электронов по энергиям
- Критерий пршленения оптического метода определения колебательной температуры основного состояния
- Оценка количества энергии, необходимой для нагревания газа
Введение к работе
Актуальность темы. В развивающейся новой области физической кинетике - кинетике существенно неравновесных систем - особый интерес вызывают молекулярные системы, в которых газ, оставаясь при низких газовой и вращательной температурах, колебательно перевозбужден. Указанными особенностями обладает и плазма тлеющего разрдда в азоте и его смесях с другими газами Д7, 28, 44, 75, 80, 104, 109, 141/.
В научном отношении плазма тлеющего разряда в азоте является удобной моделью для исследования особенностей кинетических процессов в неравновесной молекулярной плазме. В том числе для выяснения связи между электронным и молекулярным компонентами плазмы, для исследования механизма нагревания молекулярного газа, для изучения явления контракции разряда. Рамки этой модели значительно расширяются при использовании азота: в качестве примеси к другим газам, особенно к таким молекулярным газам, обмен колебательной энергией с которыми происходит эффективно. Результаты, полученные при исследовании чистого азота, могут быть использованы также в схемах раздельного возбуждения молекул с последующим смешением компонентов.
Кроме научного интереса, исследование низкотемпературной плазмы в азоте представляет значительный практический интерес. Он вызван бурным развитием газовых лазеров ДІ9, 141, 150, 175, 186, 192, 197/, использующих как чистый азот, так и азот в качестве примеси к другим газам. На особую роль колебательно возбужденных молекул азота в процессах возбуждения генерации на углекислом газе и окиси углерода было указано уже в первых работах по исследованию газоразрядных лазеров Д04, 109/. В настоящее
время трудно перечислить все работы, подтверждающие эту идею. Укажем только некоторые из них /44, 16, 107, 161/. Аналогичный эффект отмечают авторы работ /174, 176/, получивших генерацию на молекулах XeF, На В^>> с примесью азота.
Создание плазменных реакторов поставило задачу изучения влияния колебательно-возбужденных молекул азота на процесс получения азотистых соединений /20, 66, 96, 118, 120, 191/. Использование в промышленности плазмы, содержащей азот, для улучшения свойств веществ азотированием Л17, 156, 172, 185/, травлением /171, 173/, нанесением пленок окислов азота и нитридов ЛЗО, 143, 158, 164, 171, 189, 195/ на поверхности металлов требует исследования свойств такой плазмы.
Подробный анализ литературных данных по оптимизации режимов работы указанных плазменных систем проведен в ряде работ /2, 29, 45, 80, 100/. Особо отметим влияние газовой и колебательной температур на оптимизацию режима работы неравновесной плазменной системы. Важность правильного определения указанных параметров следует из того, что в газовых лазерах колебательная степень свободы молекул азота служит тем резервуаром энергии, из которого она успешно преобразуется в лазерное излучение /104, 109, 28/. В среде с большим запасом колебательно-возбужденных молекул химические реакции проходят с большей скоростью Л00, 20/. В то же время повышение температуры газа приводит к уменьшению мощности генерации лазеров /44/, ухудшению условий "закалки" продуктов химических реакций /66, 100/. Однако, как показал проведенный нами анализ, различия в результатах определения газовой и колебательной температур в иных работах /17, 36, 75, 97/ выходят за пределы экспериментальных ошибок.
Сложности в определении и газовой, и колебательной температур основного состояния молекулярного азота вызваны особенностями молекулы азота. Молекула азота неполярна, поэтому дипольное излучение при переходах между колебательными уровнями одного электронного состояния запрещено /19/. В связи с этим наиболее удобным, оптическим методом, не вызывающим возмущения плазмы, заселенность квантовых уровней основного электронного состояния определять нельзя. Метод комбинационного рассеяния удалось использовать /34/ только при высоком давлении газа и большом токе разряда. При низких давлениях газа метод не используется из-за слабой интенсивности излучения. Метод поглощения при исследовании газоразрядной плазмы не применяется в связи с большими экс-периментальными трудностями, связанными с необходимостью работы в области вакуумного ультрафиолета.
Б связи с этим в начале 70-х годов рядом авторов /125, 75, . 17/ был предложен косвенный метод определения колебательной температуры основного состояния молекулярного азота по излучению его второй положительной (2+) системы (переход Ои. -ІПІ). Метод основан на предположении, что возбуждение состояния СП происходит прямым электронным ударом, а дезактивация - излучением.
На первых порах анализ связи шункций распределения молекул по колебательным уровням основного и возбужденного 01 электронных состояний проведен в предположении больцмановского /125, 75, 17/ позднее - триноровского /78/ распределений. Теоретические исследования процессов релаксации ангармонического осциллятора /28/ предсказывают возможность существования в неравновесной плазме иной юушщии распределения молекул по колебательным уровням. Как изменится при этом вид функции распределения молекул по
колебательным уровням состояния С3!!, не установлено. Необходимо отметить также, что влияние пороговой энергии функщш возбуждения при згказанном выше анализе учитывалось на основе ряда теоретических предположений /70, 72/, точность которых трудно оценить.
Кроме того, положенные в основу метода предположения, очевидно, накладывают ограничения на область параметров плазмы, для исследования которой его можно использовать. Однако, критерий применимости метода не сформулирован.
Благодаря простоте получения экспериментальных данных, метод определения колебательной температуры основного состояния молекулярного азота по излучению его 2+-системы получил широкое распространение. В связи со сказанным в данной работе проводится тщательный анализ как предпосылок, положенных в основу метода, так и условий его применения к исследованию неравновесной плазмы.
Несмотря на то, что нагревание газа приводит к существенному снижению эффективности указанных выше плазменных систем, в начале 70-х годов, когда была начата данная работа, единого мнения о механизме нагревания молекулярного газа в разряде не существовало. Теоретическое решение этой задачи представляется сложным не только из-за необходимости описания большого числа элементарных актов. Сказывается ограниченность сведений о сечениях отдельных процессов и невозможность определения скоростей всех реакций, протекающих в молекулярной неравновесной плазме. Поэтому автором данной работы была предпринята попытка выяснения механизма нагревания газа в плазме тлеющего разряда в азоте.
Для повышения выходной мощности оптических квантовых генераторов, плазмо-химических реакторов и других устройств, в осно-
ве которых лежит использование низкотемпературной плазмы, увеличивают ток разряда и давление газа. Однако, энерговклад в разряд ограничен его контракцией. Но в настоящее время нет теории контракции разряда и очень мало экспериментальных данных для проверки модельных представлений об изменении параметров по сечению разряда в молекулярном газе. В большинстве из указанных выше работ измерения параметров плазглы проведены только в центре разряда. Исследовать изменение параметров плазмы тлеющего разряда в азоте по его поперечному сечению - одна из важных задач.
В газоразрядной низкотемпературной плазме энергия электрического поля непосредственно вводится в. электронный компонент плазмы и лишь в процессе столкновений передается от электронов молекулам. /4, 71/. В более ранних работах одни авторы проводили только оптические измерения и получали сведения о -параметрах тяжелых частиц, другие - на основе зондовых измерений - параметры электронов. Мы поставили задачу провести разностороннее исследование тлеющего разряда с использованием электрического, оптического, зондового и калориметрического методов. Такое исследование позволит получить более полное представление о взаимосвязи параметров в неравновесном плазме и облегчит анализ кинетических процессов, протекающих в низкотемпературной молекулярной плазме.
Использование чистого азота вместо смеси газов значительно сокращает число процессов, протекающих в молекулярной плазме. Это приводит к более яркому проявлению связи как между отдельными компонентами неравновесной плазмы, так и между их параметрами. Кроме того, отсутствие примесей угяеньшает число каналов, по которшл рассей-
вается колебательная энергия молекул азота. Исключается, в частности, процесс релаксации колебательной энергии через столкновение с молекулами примеси. Это дает возможность выявить наиболее характерные процессы, вызывающие нагревание неравновесной низкотемпературной плазмы в молекулярных газах.
Облегчается также решение методической задачи, поставленной в работе, так как из-за разнообразия экспериментальных условий удается сравнить результаты различных авторов только для чистого азота.
На основании вышесказанного цель предлагаемой работы можно сформулировать следующим образом.
Используя плазму тлеющего разряда в азоте, установить особенности неравновесной низкотемпературной молекулярной плазмы, .выяснить связь между ее основными параметрами. Провести анализ оптического метода определения одного из параметров неравновесной плазмы, содержащей молекулярный азот, - колебательной температуры его основного состояния; установить критерий применения этого метода .для исследования плазмы. Выявить механизм нагревания молекулярного газа в неравновесной плазме, запас колебательной энергии в которой значительно превосходит его равновесную величину.
Для достижения этой цели была создана экспериментальная установка, которая позволила провести разностороннее исследование самостоятельного тлеющего разряда постоянного тока в азоте особой чистоты. Проведены электрические, оптические, зондовые, калориметрические исследования разряда в интервале давлений газа от 0.4 до 8.0 Тор при токе разряда от 10 до 125 мА.
Предложенная конструкция разрядной трубки дает возможность калориметрическим методом определять раздельно мощность, выде-
- II -
ляющуюся из области положительного столба разряда и из каждой его приэлектродной области.
Использование различных методик обработки зондовых характеристик позволило в широком интервале изменения приведенной напряженности электрического поля (от 13.6*10 6 до 4-Ю % cwr) определить величины средней энергии (от 4.2 до 2.2 эВ) и концентрации электронов (в центре разряда - от I* 10 до 8*10 см ). Установлена осесимметричность разряда. Прослежен процесс контракции разряда.
В процессе анализа оптического метода определения колебательной температуры основного состояния молекулярного азота найдены по литературным данным наиболее достоверные значения функций возбуждения электронным ударом колебательных уровней состояния СгП/!/^* Предложены аналитические выражения, аппроксшжругощие экспериментальные функции возбуждения. Это позволило получить без каких-либо дополнительных предположений аналитические выражения уровневых коэффициентов реакций (усредненных сечений возбуждения уровней ігСі по функции распределения электронов). На этой основе установлена связь функций распределения молекул по колебательным уровням возбужденного электронным ударом состояния 0 и основного Хтї/jjg в широком интервале (700-10000 К) колебательных температур.
Сформулирован критерий применения оптического метода определения колебательной температуры основного состояния молекулярного азота для исследования низкотемпературной неравновесной плазмы.
Установлено, что колебательная температура повышается как с ростом тока, так и с ростом давления газа. В исследуемых режи-
мах в центре разряда эта температура менялась от I03 до 6*103 К.
Сравнением оптических измерений с зондовыми показано, что в приосєвои области разряда функция распределения электронов по энергиям отличается отмаксвелловской для соответствующей средней энергии электронов большим количеством высокоэнергетических (более 12 эВ) электронов.
При обсуждении причин установленного экспериментально процесса сжатия разряда с ростом приведенного радиуса разрядной трубки показано, что этот процесс описывается моделью ионизацион-но-перегревной неустойчивости.
Предложен метод исследования механизма нагревания молекулярного газа в условиях неравновесной низкотемпературной плазмы на основе баланса энергии. Установлено, что прежние представления о нагревании газа в разряде неприменимы к молекулярным газам. Показано, что в среде с запасом колебательной энергии, превосходящим его равновесное значение, существует неизвестный ранее механизм передачи колебательной энергии молекул азота на нагревание газа.
В работе защищаются
Экспериментальные результаты исследования основных параметров неравновесной молекулярной плазмы самостоятельного нормального тлеющего разряда в азоте в диффузионном режиме.
Гипотеза о существовании в неравновесной низкотемпературной молекулярной плазме неизвестного ранее механизма передачи энергии из колебательной степени свободы молекул в поступательно-вращательную в условиях, когда запас колебательной энергии значительно превосходит его равновесную величину.
Критерий применения метода определения колебательной тем-
- ІЗ -
пературы основного состояния молекулярного азота в неравновесной низкотемпературной плазме по излучению 2+-системы./1.
4. Целесообразность введения аналитического выражения, аппроксимирующего экспершлентальную функцию возбуждения уровня, для анализа процессов возбуждения.
В связи с разнообразием исследовании подробный анализ литературных данных, используемых в работе методов и результатов других авторов приводится в соответствующих главах работы по мере необходимости.
Относительная и абсолютная интенсивности излучения 2+-системы
Кроме того, положенные в основу метода предположения, очевидно, накладывают ограничения на область параметров плазмы, для исследования которой его можно использовать. Однако, критерий применимости метода не сформулирован.
Благодаря простоте получения экспериментальных данных, метод определения колебательной температуры основного состояния молекулярного азота по излучению его 2+-системы получил широкое распространение. В связи со сказанным в данной работе проводится тщательный анализ как предпосылок, положенных в основу метода, так и условий его применения к исследованию неравновесной плазмы.
Несмотря на то, что нагревание газа приводит к существенному снижению эффективности указанных выше плазменных систем, в начале 70-х годов, когда была начата данная работа, единого мнения о механизме нагревания молекулярного газа в разряде не существовало. Теоретическое решение этой задачи представляется сложным не только из-за необходимости описания большого числа элементарных актов. Сказывается ограниченность сведений о сечениях отдельных процессов и невозможность определения скоростей всех реакций, протекающих в молекулярной неравновесной плазме. Поэтому автором данной работы была предпринята попытка выяснения механизма нагревания газа в плазме тлеющего разряда в азоте.
Для повышения выходной мощности оптических квантовых генераторов, плазмо-химических реакторов и других устройств, в основе которых лежит использование низкотемпературной плазмы, увеличивают ток разряда и давление газа. Однако, энерговклад в разряд ограничен его контракцией. Но в настоящее время нет теории контракции разряда и очень мало экспериментальных данных для проверки модельных представлений об изменении параметров по сечению разряда в молекулярном газе. В большинстве из указанных выше работ измерения параметров плазглы проведены только в центре разряда. Исследовать изменение параметров плазмы тлеющего разряда в азоте по его поперечному сечению - одна из важных задач.
В газоразрядной низкотемпературной плазме энергия электрического поля непосредственно вводится в. электронный компонент плазмы и лишь в процессе столкновений передается от электронов молекулам. /4, 71/. В более ранних работах одни авторы проводили только оптические измерения и получали сведения о -параметрах тяжелых частиц, другие - на основе зондовых измерений - параметры электронов. Мы поставили задачу провести разностороннее исследование тлеющего разряда с использованием электрического, оптического, зондового и калориметрического методов. Такое исследование позволит получить более полное представление о взаимосвязи параметров в неравновесном плазме и облегчит анализ кинетических процессов, протекающих в низкотемпературной молекулярной плазме.
Использование чистого азота вместо смеси газов значительно сокращает число процессов, протекающих в молекулярной плазме. Это приводит к более яркому проявлению связи как между отдельными компонентами неравновесной плазмы, так и между их параметрами. Кроме того, отсутствие примесей угяеньшает число каналов, по которшл рассейвается колебательная энергия молекул азота. Исключается, в частности, процесс релаксации колебательной энергии через столкновение с молекулами примеси. Это дает возможность выявить наиболее характерные процессы, вызывающие нагревание неравновесной низкотемпературной плазмы в молекулярных газах.
Облегчается также решение методической задачи, поставленной в работе, так как из-за разнообразия экспериментальных условий удается сравнить результаты различных авторов только для чистого азота.
На основании вышесказанного цель предлагаемой работы можно сформулировать следующим образом.
Используя плазму тлеющего разряда в азоте, установить особенности неравновесной низкотемпературной молекулярной плазмы, .выяснить связь между ее основными параметрами. Провести анализ оптического метода определения одного из параметров неравновесной плазмы, содержащей молекулярный азот, - колебательной температуры его основного состояния; установить критерий применения этого метода .для исследования плазмы. Выявить механизм нагревания молекулярного газа в неравновесной плазме, запас колебательной энергии в которой значительно превосходит его равновесную величину.
Для достижения этой цели была создана экспериментальная установка, которая позволила провести разностороннее исследование самостоятельного тлеющего разряда постоянного тока в азоте особой чистоты. Проведены электрические, оптические, зондовые, калориметрические исследования разряда в интервале давлений газа от 0.4 до 8.0 Тор при токе разряда от 10 до 125 мА.
Предложенная конструкция разрядной трубки дает возможность калориметрическим методом определять раздельно мощность, выделяющуюся из области положительного столба разряда и из каждой его приэлектродной области.
Использование различных методик обработки зондовых характеристик позволило в широком интервале изменения приведенной напряженности электрического поля (от 13.6 10 6 до 4-Ю % cwr) определить величины средней энергии (от 4.2 до 2.2 эВ) и концентрации электронов (в центре разряда - от I 10 до 8 10 см ). Установлена осесимметричность разряда. Прослежен процесс контракции разряда.
Средняя энергия и функция распределения электронов по энергиям
Использование различных методик обработки зондовых характеристик позволило в широком интервале изменения приведенной напряженности электрического поля (от 13.6 10 6 до 4-Ю % cwr) определить величины средней энергии (от 4.2 до 2.2 эВ) и концентрации электронов (в центре разряда - от I 10 до 8 10 см ). Установлена осесимметричность разряда. Прослежен процесс контракции разряда.
В процессе анализа оптического метода определения колебательной температуры основного состояния молекулярного азота найдены по литературным данным наиболее достоверные значения функций возбуждения электронным ударом колебательных уровней состояния СгП/!/ Предложены аналитические выражения, аппроксшжругощие экспериментальные функции возбуждения. Это позволило получить без каких-либо дополнительных предположений аналитические выражения уровневых коэффициентов реакций (усредненных сечений возбуждения уровней ІГСІ по функции распределения электронов). На этой основе установлена связь функций распределения молекул по колебательным уровням возбужденного электронным ударом состояния 0 и основного Хтї/jjg в широком интервале (700-10000 К) колебательных температур.
Сформулирован критерий применения оптического метода определения колебательной температуры основного состояния молекулярного азота для исследования низкотемпературной неравновесной плазмы.
Установлено, что колебательная температура повышается как с ростом тока, так и с ростом давления газа. В исследуемых режимах в центре разряда эта температура менялась от I03 до 6 103 К.
Сравнением оптических измерений с зондовыми показано, что в приосєвои области разряда функция распределения электронов по энергиям отличается отмаксвелловской для соответствующей средней энергии электронов большим количеством высокоэнергетических (более 12 эВ) электронов.
При обсуждении причин установленного экспериментально процесса сжатия разряда с ростом приведенного радиуса разрядной трубки показано, что этот процесс описывается моделью ионизацион-но-перегревной неустойчивости.
Предложен метод исследования механизма нагревания молекулярного газа в условиях неравновесной низкотемпературной плазмы на основе баланса энергии. Установлено, что прежние представления о нагревании газа в разряде неприменимы к молекулярным газам. Показано, что в среде с запасом колебательной энергии, превосходящим его равновесное значение, существует неизвестный ранее механизм передачи колебательной энергии молекул азота на нагревание газа. В работе защищаются 1. Экспериментальные результаты исследования основных параметров неравновесной молекулярной плазмы самостоятельного нормального тлеющего разряда в азоте в диффузионном режиме. 2. Гипотеза о существовании в неравновесной низкотемпературной молекулярной плазме неизвестного ранее механизма передачи энергии из колебательной степени свободы молекул в поступательно-вращательную в условиях, когда запас колебательной энергии значительно превосходит его равновесную величину. 3. Критерий применения метода определения колебательной температуры основного состояния молекулярного азота в неравновесной низкотемпературной плазме по излучению 2+-системы./1. 4. Целесообразность введения аналитического выражения, аппроксимирующего экспершлентальную функцию возбуждения уровня, для анализа процессов возбуждения. В связи с разнообразием исследовании подробный анализ литературных данных, используемых в работе методов и результатов других авторов приводится в соответствующих главах работы по мере необходимости.
Критерий пршленения оптического метода определения колебательной температуры основного состояния
Для вывода излучения в трубке сделаны два отверстия: одно - торцевое (2), другое (10) -диаметром 2,4 см - в боковой поверхности трубки на расстоянии 34 см от торца. В связи с тем, что излучение 2+ - системы азота ультрафиолетовое, оба отверстия закрыты кварцевыми окнами. Второе торцевое отверстие трубки было закрыто металлическим фланцем (8), через который в трубку вводился зонд (9). Таким образом, предложенная конструкция разрядной трубки обладала рядом преимуществ по сравнению с трубками, использованными другими авторами Л 7, 36, 75/. Она позволяла регистрировать излучение, выходящее не только через торцевое отверстие, но и через отверстие в боковой поверхности трубки, т.е. излучение из разных объемов плазмы. Система крепления зонда давала возможность перемещать его вдоль и по сечению разрядной трубки и, следовательно, проводить зондовые исследования в различных точках плазмы. Система охлаждения не только стабилизировала температуру стенок трубки,.но и,как будет показано ниже, позволяла проводить раздельное калоршлетрирование отдельных ее частей. И, наконец, для оценки влияния материала электродов на режим разряда электроды были выполнены из различного материала: один - из алюминия, другой - из тантала.
Блок питания разряда. В работе использовался специально изготовленный выпрямитель на 10 кВ с П-образным фильтром , обеспечивающим стабилизацию тока в рабочем режиме не хуже 0,01%,
Вакуумная система. Примеси газов изменяют характер элементарных процессов в плазме /80, 170, 183/. Поэтому нужна такая система газопровода, в которой можно пренебречь неконтролируемыми примесями газов, появляющимися как в результате натекания атмосферного воздуха, так и при выделении газов из стенок вакуумной системы. В отпаянной трубке концентрация примесей увеличивается со временем. Чтобы исключить этот эффект, исследования проведены в проточном режиме. Для очистки вакуумной системы от примесей проводилось ее прогревание с откачкой форвакуумным и паромасляным диффузионным насосами. В результате чего предельный вакуум, измеренный манометрической лампой, в динамическом режиме составлял 10 Тор. Поскольку исследовался газ при давлении не ниже 0,4 Тор, неконтролируемые примеси в рабочем режиме не превышали 0,0025%. Учитывая, что азот особой чистоты Балаши-хинского завода содержал по паспортным данным кислорода не более 0,003%, воды - 0,014%, неконтролируемыми примесями газа можно было пренебречь. Масляные пары вымораживались с помощью ловушки TBJI-I00.
Газ из баллона высокого давления через редуктор и натека-тель подавался в балластный объем, а затем - в разрядную трубку. Откачка газа проводилась форвакуумным насосом типа BH-46IM. По давлению в промежуточном баллоне, предварительно отградуированному, определялась скорость протока газа через разрядную трубку. С ростом давления газа эта величина изменялась от 0,5 до 1,0 Ц.
Конструкция разрядной трубки не позволяла измерять давление в области положительного столба разряда. Поэтому измеряли давление газа на входе в трубку и выходе из нее (см. рис. I.I) масляными дифференциальными манометрами. Различия в результатах не было. В исследуемых режимах давление газа менялось от 0,4 до 8,0 Тор. динамическим давлением газа можно было пренебречь. спектрографа для получения "торцевых" и "радиальных" снимков показаны на рис. 1.2 а,б. Разрядную трубку располагали так, чтобы ее ось симметрии была параллельна оптической оси спектрографа. Излучение, выходящее через торцевое окно (4) разрядной трубки, отражаясь от зеркал (5, 3), фокусировалось линзой (2) на щель спектрографа (I). Относительное отверстие используемого спект-рографа Д&С-8 равно grj. Благодаря тому, что расстояние от источника излучения до линзы на порядок больше расстояния от линзы до щели спектрографа, регистрировалось излучение из всей приосе-вой области разряда. Для получения "радиальных" снимков излучение, выходящее через окно (7) в боковой поверхности разрядной трубки, зеркалом (3) направлялось вдоль оптической оси спектрографа и фокусировалось линзой (2) на его щель (I). Излучение от ленточной лампы (6), используемой в качестве эталонного источника, направлялось на ту же линзу поворотом зеркала (3). Расстояние от источника света до линзы - 103 см, от линзы до щели спектрографа - 17,4 см. Фокусное расстояние линзы - 15 см. Такая система освещения позволяла сравнивать излучение, поступающее на щель спектрографа от объемного источника - разрядной трубки диаметром 3 см, - с излучением от плоскостного источника, каким является ленточная лампа. Коэффициент увеличения оптической системы, определенный с ошибкой 6%, составил 0,223.
Расстояние между вращательными линиями R - ветви полос 2+-системы/Уз составляет 0,035 -s- 0,040 нм Д34/ при длинах волн излучения от 350 до 400 нм. Следовательно, для разрешения двух соседних вращательных линий разрешающая способность R прибора должна быть не менее 10 .
Оценка количества энергии, необходимой для нагревания газа
Низкое напряжение равномерно изменялось поворотом ручки потенциометра (2) моторчиком (на рисунке не показан). Регистрация изменения потенциала зонда относительно опорного электрода проводилась по оси абсцисс двух-координатного самопишущего потенциометра ЇЇДЗ-02І. На рис. 1.5 показаны только его входные клеммы X (4). Градуировка самописца по оси "X" проводилась многопредельным вольтметром (3) класса точности 0,5 (на рис. 1.5 не показан). Зондовый ток регистрировался по падению напряжения на резисторе (7) сопротивлением 560 Ом. Это напряжение подавалось на вход "У" (6) того же потенциометра и регистрировалось по его оси ординат. Градуировка проводилась при переключении тумблера (II) в положение V". Градуи-ровочный ток создавался источником постоянного напряжения (5), включенным в цепь резистров (7, 9, 10) сопротивлением 560 Ом, 8 кОм и переменного 47 кОм, и измерялся многопредельным микроамперметром (8) класса точности 0,5.
Каждая вольт-амперная характеристика зонда регистрировалась в нескольких масштабах, поскольку ток на зонд меняется в больших пределах. На рис. 1.6 показан вид электронной части одной вольт-амперной характеристики, полученной зондом радиуса Я = 50 мкм, длиной = 3 мм при давлении газа 0,8 Тор и токе разряда 100 мА на расстоянии 3 мм от центра разрядной трубки. Масштаб по оси абсцисс постоянен (I деление - I В), по оси ординат меняется величина деления (I деление - 100 мкА). На рис. 1.7 показана ионная часть зондовой характеристики, полученной в тех же условиях. На рис. 1.8 показана ионная часть характеристики, полученной зондом радиуса 10 мкм, длиной 1,5 мм в центре разряда при других условиях разряда (давлении газа 8 Тор и токе разряда 125 мА).
Рассмотренная выше схема предусматривала возможность определения потенциала плазмы относительно заземленного электрода (см. рис. 1.5 положение "а" переключателя (14)). Изменение положения зонда в плазме давало возможность определять разность потенциалов между двумя точками плазмы. Однако в связи с тем, что зонд расположен на расстоянии 15 см от заземленного электрода, для определения потенциала зонда необходимо применять вольтметр с большим пределом измерения, что снижает точность измерений. Для повышения точности измерений использовалась другая конструкция. Чтобы можно было измерять разность потенциалов и вдоль, и по сечению разряда, семь одинаковых зондов были закреплены во фланце по концентрическим окружностям, радиусы которых отличались на 0,3 см. Пять зондов располагались в одном сечении трубки на расстоянии 15 см от электрода, два - на растоянии 10 см от него. Такая конструкция позволяла измерять разность потенциалов между точками по радиусу разрядной трубки на расстоянии до 1,2 см от ее центра.
Электрические параметры разряда. Напряжение между электродами газоразрядной трубки измеряли статическигли вольтметрами класса точности 1.5. В зависимости от режима разряда использовали вольтметры с пределами 7.3 и 3.0 кВ. Ток в цепи разрядной трубки измеряли миллиамперметром класса точности 1.0 с пределом 150 мА.
Типичные вольт-амперные характеристики исследуемых режимов разряда представлены на рис. 1.9 для давлений газа 0.4, 1.0, 2.2, 4.4, 8.0 Тор (кривые 1-5 соответственно). Характеристики получены при танталовом катоде. Как и следовало ошвдать, замена на алюминиевый катод приводила к уменьшению приложенного к разряду напряжения при сохранении велишшы разрядного тока и давления газа (рис. ІДО, кривые 1,2 соответственно). Напряженность электрического поля. Напряженность Е продольного электрического поля определяли по разности потен циалов A If между двумя зондами, расположенными на расстоянии & по направлению поля Разность потенциалов определялась статическими вольтметрами с пределами 76 и 300 В класса точности 1,5. Расстояние между зондами составляло (5 + 0,05) см. Ошибка в определении напряженности электрического поля не превышала 1%, Полученные нами /52/ результаты измерения напряженности продольного электрического поля в зависимости от тока разряда представлены на рис. I.II для давлений газа 0.4, 0.8, 1.2, 2.0, 2.8, 4.0, 6.0, 8.0 Тор. Как и следовало ожидать, напряженность электрического поля с ростом давления газа возрастает, увеличение тока разряда приводит к некоторому снижению ее величины. Измерения напряженности электрического поля по поперечному сечению разряда проведены в каждом режиме разряда на расстоянии до 12 мм (0,8 ) от центра трубки. Установлено, что в этих пределах напряженность электрического поля по сечению разряда остается постоянной.
