Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Микроволновый разряд как возможный способ очистки воздушной среды, загрязненной фреонами и средство утилизации накопленных фреонов.(Обзор литературы и постановка задачи) . 8
1.1. Очистка окружающей среды свободнолокализованными микроволновыми разрядами . 8
1.2. Утилизация накопленных фреонов. 15
Глава 2. Исследование физических характеристик микроволнового инициированного разряда высокого давления . 19
2.1. Введение. 19
2.2. Механизмы формирования контрагированных образований (каналов) в микроволновом разряде высокого давления . 24
2.3. Постановка эксперимента. Схема эксперимента и описание методик. 26
2.4. Результаты эксперимента. 31
2.5. Обсуждение результатов измерений. 37
2.6. Заключение. 43
Глава 3. Свободнолокализованный микроволновый разряд, как средство очистки атмосферы от хлорфторуглеродной примеси 45
3.1 Описание экспериментальной установки, схемы эксперимента и диагностик плазмы . 45
3.2 Результаты эксперимента 47
3.3 Обсуждение результатов измерений 52
3.4 Выводы 56
Глава 4. Исследование процессов разрушения и трансформации фреонов в микроволновом разряде высокого давления . 58
4.2. Схема эксперимента. Описание методик. 58
4.3. Результаты экспериментов. 63
4.4. Обсуждение результатов. Возможные процессы трансформации фреонов в свободно локализованном микроволновом разряде. 69
4.4.1. Особенности инициированного микроволнового разряда в газах высокого давления . 69
4.4.2. Разрушение и трансформация исходного фреона. 70
4.4.3 Образование SiF4 73
4.4.4. Заключение. 74
5. Заключение и выводы 76
6 Литература 78
- Очистка окружающей среды свободнолокализованными микроволновыми разрядами
- Механизмы формирования контрагированных образований (каналов) в микроволновом разряде высокого давления
- Описание экспериментальной установки, схемы эксперимента и диагностик плазмы
- Особенности инициированного микроволнового разряда в газах высокого давления
Введение к работе
Одним из наиболее опасных последствий производственной деятельности человечества является происходящее в течение последних десятилетий разрушение озонного слоя Земли - естественного «щита», экранирующего все живое от губительного действия биологически активного солнечного ультрафиолетового излучения. Согласно широко распространенной точке зрения (подтверждаемой многочисленными натурными измерениями со спутников, самолетов и с помощью наземных станций) [1, 2] основная причина истощения озонового слоя - выброс в атмосферу хлорфторуглеродов (фреонов), имеющих антропогенное происхождение и широко использующихся в технике и в быту.
К числу наиболее «опасных» для озона относятся такие фреоны, как CFC-12 (CF2C12), CFC-11 (CFCh), CFC-U3 (C2F3CI3) и др. Эти чрезвычайно стойкие в обычных условиях химические соединения диффундируют через всю толщу атмосферы и разлагаются за счет фотодиссоциации под действием ультрафиолетовой составляющей солнечного света в стратосфере. Отщепляющийся при этом хлор является катализатором в * реакциях уничтожения озона типа:
С1 + Оз^> СЮ + 02 (В.1)
СЮ + 0=>С1 + 02 (В.2) причем один атом хлора может разрушить до 105 молекул озона.
Фреоны, кроме того, за счет сильного поглощения инфракрасного теплового? излучения участвуют в процессах, приводящих к парниковому эффекту, уступая при этом по эффективности только лишь СОг.
Человечество могло бы избежать грозящей опасности лишь в том случае, если за грядущие десятилетие ему удалось бы придумать и осуществить способ очистки воздушного океана от хлорфторуглеродов.
Среди относительно небольшого числа опубликованных в печати предложений активной защиты и: восстановления озоносферы [3-6] следует прежде всего отметить работы Т.Стикса [3,4] и А.Вонга [5, б].
К сожалению, ни один из представленных в литературе [3-6] способов не может быть рассмотрен как способ, полностью решающий актуальную экологическую проблему защиты и восстановление озонового слоя.
Поэтому несомненный интерес представляют новые варианты активного воздействия на окружающую среду, к числу которых может быть отнесен проект, предложенный и развиваемый в ИОФАН. Идея этого проекта основана на предположении, что эффективным, экономически оправданным и реализуемым на современном уровне техники средством решения озоновой проблемы является возбуждение свободнолокализованных газовых разрядов в тропосфере [7-10].
Появление в воздушной среде газоразрядной плазмы, согласно [7-10], приводит к селективному разложению примесей озоноразрушающих фреонов с последующим выводом дождями продуктов разложения из атмосферы. К числу наиболее перспективных методов возбуждения: газового разряда отнесен метод, основанный на использовании мощных микроволновых пучков.
Высказанная в самом общем виде идея глобальной (или; локальной) очистки тропосферного воздуха требует тщательной теоретической проработки, а также постановки: лабораторных экспериментов, моделирующих предполагаемые условия атмосферного возбуждения микроволнового разряда.
Именно последнее и составляет одно из основных направлений диссертационной работы, цель которой заключается в изучении свойств свободнолокализованных газовых разрядов, возбуждаемых мощными микроволновыми пучками, и определении, эффективности их воздействия на молекулы фреона, содержащиеся в виде примеси в воздушной среде..
Помимо задачи глобальной очистки атмосферы от фреонов (или ликвидации -локальных выбросов) настоящая работа стимулирована также потребностями ликвидации или утилизации накопленных человечеством запасов озоноразрушающих хлорфторуглеродов.
Реактор, предназначенный для разрушения экологически опасных фреонов и трансформации і их в новые, относительно безвредные, стабильные продукты, должен обладать высокой производительностью и низкой энергетической ценой процесса. Исходя из накопленного за последние годы опыта, при проектировании такого рода реактора целесообразно обратиться к плазмохимии, и, прежде всего, к плазмохимии, базирующейся на термонеравновесных газовых разрядах.
В течение ряда лет в ИОФАН проводились исследования инициированного микроволнового разряда в качестве средства разрушения (трансформации) хлорофторуглеродов. В работе [11] была показана высокая эффективность такого рода разрядов (низкая энергетическая цена деструкции фреона). Однако, отсутствие подробного исследование продуктов деструкции не позволяло вплоть до последнего времени с уверенностью рекомендовать инициированный микроволновый разряд в качестве базового для плазмохимического реактора. Следует отметить также и недостаток экспериментальных данных по исследованиям физических свойств подпороговых микроволновых разрядов в газах высокого давления, что не позволяет выявить основные каналы деструкции (трансформации) хлорофторуглеродов.
Изучение инициированных микроволновых разрядов, как плазменного объекта, и определение продуктов деструкции фреонов в такого рода разрядах входит в число основных задач диссертации.
Таким образом, цели диссертационной работы: могут быть сформулированы следующим образом:
Проведение экспериментов с разрядами, возбуждаемыми в свободном пространстве пучками мощного микроволнового излучения (свободнолокализованньши микроволновыми разрядами), с целью определения эффективности плазмохимической деструкции хлорофторуглеродной примеси;
Исследование инициированных (подпороговых) микроволновых разрядов в газах высокого давления с целью определения параметров плазмы в областях контракции (разрядных «нитях» или «каналах»);
Проведение подробных исследований продуктов деструкции фреонов в инициированном микроволновом разряде с определением баланса атомарных компонент хлорофторуглеродных молекул.
Результаты диссертационного исследования, поставленного в соответствии с указанными целями, сведены в три главы диссертации.
1-я глава диссертации носит обзорный характер и посвящена анализу возможных газоразрядных методов очистки атмосферы от фреонов и их промышленной: трансформации и утилизации. На основании проведенного анализа ставятся задачи диссертационной работы.
2-я глава посвящена исследованию физических характеристик несамостоятельного (инициированного) разряда высокого давления. Проведено прямое экспериментальное измерение параметров высокочастотной плазменной нити с высоким временным разрешением, позволяющих судить о времени ее формирования и продолжительности жизни.
3-й глава посвящена экспериментальным исследованиям процессов разрушения и трансформации, фреонов в самоподдерживающемся, свободнолокализованном микроволновом разряде.
4-я глава посвящена экспериментальным исследованиям процессов разрушения и трансформации фреонов в несамостоятельном (инициированном) микроволновом разряде высокого давления. Приведена подробная схема эксперимента описаны методы определения продуктов разложения фреон ов. Приведены результаты эксперимента и их обсуждение..
Очистка окружающей среды свободнолокализованными микроволновыми разрядами
Одним из наиболее опасных последствий производственной деятельности человечества является происходящее в течение последних десятилетий разрушение озонного слоя Земли - естественного «щита», экранирующего все живое от губительного действия биологически активного солнечного ультрафиолетового излучения. Согласно широко распространенной точке зрения (подтверждаемой многочисленными натурными измерениями со спутников, самолетов и с помощью наземных станций) [1, 2] основная причина истощения озонового слоя - выброс в атмосферу хлорфторуглеродов (фреонов), имеющих антропогенное происхождение и широко использующихся в технике и в быту.
К числу наиболее «опасных» для озона относятся такие фреоны, как CFC-12 (CF2C12), CFC-11 (CFCh), CFC-U3 (C2F3CI3) и др. Эти чрезвычайно стойкие в обычных условиях химические соединения диффундируют через всю толщу атмосферы и разлагаются за счет фотодиссоциации под действием ультрафиолетовой составляющей солнечного света в стратосфере. Отщепляющийся при этом хлор является катализатором в реакциях уничтожения озона типа: причем один атом хлора может разрушить до 105 молекул озона. Фреоны, кроме того, за счет сильного поглощения инфракрасного теплового? излучения участвуют в процессах, приводящих к парниковому эффекту, уступая при этом по эффективности только лишь СОг. Человечество могло бы избежать грозящей опасности лишь в том случае, если за грядущие десятилетие ему удалось бы придумать и осуществить способ очистки воздушного океана от хлорфторуглеродов. Среди относительно небольшого числа опубликованных в печати предложений активной защиты и: восстановления озоносферы [3-6] следует прежде всего отметить работы Т.Стикса [3,4] и А.Вонга [5, б]. К сожалению, ни один из представленных в литературе [3-6] способов не может быть рассмотрен как способ, полностью решающий актуальную экологическую проблему защиты и восстановление озонового слоя. Поэтому несомненный интерес представляют новые варианты активного воздействия на окружающую среду, к числу которых может быть отнесен проект, предложенный и развиваемый в ИОФАН. Идея этого проекта основана на предположении, что эффективным, экономически оправданным и реализуемым на современном уровне техники средством решения озоновой проблемы является возбуждение свободнолокализованных газовых разрядов в тропосфере [7-10]. Появление в воздушной среде газоразрядной плазмы, согласно [7-10], приводит к селективному разложению примесей озоноразрушающих фреонов с последующим выводом дождями продуктов разложения из атмосферы. К числу наиболее перспективных методов возбуждения: газового разряда отнесен метод, основанный на использовании мощных микроволновых пучков. Высказанная в самом общем виде идея глобальной (или; локальной) очистки тропосферного воздуха требует тщательной теоретической проработки, а также постановки: лабораторных экспериментов, моделирующих предполагаемые условия атмосферного возбуждения микроволнового разряда. Именно последнее и составляет одно из основных направлений диссертационной работы, цель которой заключается в изучении свойств свободнолокализованных газовых разрядов, возбуждаемых мощными микроволновыми пучками, и определении, эффективности их воздействия на молекулы фреона, содержащиеся в виде примеси в воздушной среде.. Помимо задачи глобальной очистки атмосферы от фреонов (или ликвидации -локальных выбросов) настоящая работа стимулирована также потребностями ликвидации или утилизации накопленных человечеством запасов озоноразрушающих хлорфторуглеродов. Реактор, предназначенный для разрушения экологически опасных фреонов и трансформации І ИХ В новые, относительно безвредные, стабильные продукты, должен обладать высокой производительностью и низкой энергетической ценой процесса. Исходя из накопленного за последние годы опыта, при проектировании такого рода реактора целесообразно обратиться к плазмохимии, и, прежде всего, к плазмохимии, базирующейся на термонеравновесных газовых разрядах. В течение ряда лет в ИОФАН проводились исследования инициированного микроволнового разряда в качестве средства разрушения (трансформации) хлорофторуглеродов. В работе [11] была показана высокая эффективность такого рода разрядов (низкая энергетическая цена деструкции фреона). Однако, отсутствие подробного исследование продуктов деструкции не позволяло вплоть до последнего времени с уверенностью рекомендовать инициированный микроволновый разряд в качестве базового для плазмохимического реактора. Следует отметить также и недостаток экспериментальных данных по исследованиям физических свойств подпороговых микроволновых разрядов в газах высокого давления, что не позволяет выявить основные каналы деструкции (трансформации) хлорофторуглеродов. Изучение инициированных микроволновых разрядов, как плазменного объекта, и определение продуктов деструкции фреонов в такого рода разрядах входит в число основных задач диссертации. Таким образом, цели диссертационной работы: могут быть сформулированы следующим образом: Проведение экспериментов с разрядами, возбуждаемыми в свободном пространстве пучками мощного микроволнового излучения (свободнолокализованньши микроволновыми разрядами), с целью определения эффективности плазмохимической деструкции хлорофторуглеродной примеси; - Исследование инициированных (подпороговых) микроволновых разрядов в газах высокого давления с целью определения параметров плазмы в областях контракции (разрядных «нитях» или «каналах»); - Проведение подробных исследований продуктов деструкции фреонов в инициированном микроволновом разряде с определением баланса атомарных компонент хлорофторуглеродных молекул. Результаты диссертационного исследования, поставленного в соответствии с указанными целями, сведены в три главы диссертации. 1-я глава диссертации носит обзорный характер и посвящена анализу возможных газоразрядных методов очистки атмосферы от фреонов и их промышленной: трансформации и утилизации. На основании проведенного анализа ставятся задачи диссертационной работы. 2-я глава посвящена исследованию физических характеристик несамостоятельного (инициированного) разряда высокого давления. Проведено прямое экспериментальное измерение параметров высокочастотной плазменной нити с высоким временным разрешением, позволяющих судить о времени ее формирования и продолжительности жизни. 3-й глава посвящена экспериментальным исследованиям процессов разрушения и трансформации, фреонов в самоподдерживающемся, свободнолокализованном микроволновом разряде. 4-я глава посвящена экспериментальным исследованиям процессов разрушения и трансформации фреонов в несамостоятельном (инициированном) микроволновом разряде высокого давления. Приведена подробная схема эксперимента описаны методы определения продуктов разложения фреон ов. Приведены результаты эксперимента и их обсуждение..
Механизмы формирования контрагированных образований (каналов) в микроволновом разряде высокого давления
Режим воздействия на газовую среду в рассматриваемом методе глобальной очистки; заключается, в облучении выделенного объема атмосферы последовательностью импульсов в течение относительно короткого времени, соответствующего характерному времени разрушения молекул фреона. После кратковременного облучения данного объема: атмосферы микроволновые пучки перефокусируются в новую область пространства и процедура повторяется снова. При относительно малом уровне СВЧ-излучения, необходимом, для поджига разряда на заданной высоте, возможен вариант работы с постоянными микроволновыми источниками в предположении о непрерывном и быстром сканировании СВЧ-пучков в пространстве.
Параметры возбуждаемой мощным СВЧ-пучком плазмы, а также размеры занятой ею области в значительной мере определяются электродинамикой разряда [15]. Если используется один микроволновый пучок, то максимальная концентрация электронов в волне пробоя порядка петах пе \п(п / п , где пе= Пе$2со/(а + ve y о- циклическая частота колебаний поля, ve„=l,7-10" nm- частота упругих столкновений электронов с нейтралами в воздухе, пм - концентрация нейтралов, п - т(о?+4 /4та? - критическая концентрация электронов, б — угол сходимости пучка излучения. Если выбрать излучение с длиной волны Л/-« 1 см, то при диаметре наземной антенны d = 50м характерный радиус гауссового пучка на высоте Н = 15 км в центре каустики составит &{ = XfHI lnd) 50 см, а протяженность каустики If & 2яа /Лг м 100 м. При этом в ТЕ-пучках максимальная; концентрация электронов в волне пробоя составит иетах « I010 см 3. При генерации разряда в области пересечения двух пучков ТЕ-волн средняя стационарная концентрация электронов, согласно [15], определяется соотношением максимальная концентрация электронов в центральных слоях плазменного образования, 6ц- угол: между осями симметрии пучков. В случае, когда антенны, формирующие пучки, разнесены на расстояние 30 - 45 км. Вопросы о пространственно-временных распределениях концентрации: электронов и амплитуды электрического поля требуют дальнейшей теоретической и экспериментальной разработки. Не исключено, что переход от ТЕ-пучков к пучкам из ТМ-волн существенно изменит характер этих распределений в сторону большей однородности [15] и повысит абсолютные значения величины nt, К повышению пе может привести и ряд других ухищрений: в частности, «покачивание» местом пересечения пучков на размер порядка длины волны Xf и т.д. Рассмотрим теперь, как возбужденная микроволновым пучком газоразрядная плазма: может повлиять на содержащуюся в атмосфере примесь молекул хлорфторуглеродов. Высокие непроизводительные с точки зрения рассматриваемого приложения затраты СВЧ-энергии (на ионизацию, излучение и т.д.) и кажущаяся очевидной неселективность микроволнового разряда делают, на первый взгляд, сомнительной его перспективность как метода очистки воздушного бассейна от примеси фреона. На самом же деле эффективность процесса разрушения молекул хлорфторуглерода может оказаться достаточно высокой, прежде всего благодаря актам диссоциативного прилипания электронов к молекулам фреона, действующим как на разрядной стадии, так и, в большей степени, в распадающейся послеразрядной плазме. Процесс диссоциативного прилипания описывается реакциями (1.1), (1.2). Полное сечение прилипания электронов к фреонам в зависимости от средней энергии электронов (єс) приведено на рис. 1.2 из (16,17]. Как следует из рисунка, сечения обладают максимумами при чрезвычайно малых энергиях электронов (єс0,06 эВ). При этом, что чрезвычайно важно для предлагаемого способа обработки окружающей среды, максимальные сечения соответствуют именно-процессам диссоциативного прилипания, проходящим по каналам (1.1), (1.2). Константа ко процесса (1.1) составляет примерно 3 1 О 8см3 с" , а процесса (1.2) - 5 10"9 см3 с" . Столь большие константы объясняются тем, что энергия сродства электрона к атому хлора (є»» 3,8 ± 0,06 эВ) превышает энергию диссоциации молекул фреона (ed» 3,5 ± 0,1 эВ для CF2CI2 и 3,3 ± 0,1 эВ для CFCh). Для всех остальных молекул, находящихся в атмосфере, это соотношение обратное, и сечение диссоциативного прилипания имеет некоторый энергетический порог, что для тепловых электронов делает процесс маловероятным. Это обстоятельство и обеспечивает избирательность процессов диссоциации молекул в холодной распадающейся плазме.
Именно процессы диссоциативного прилипания могут в значительной степени облегчить задачу очистки окружающей среды с помощью СВЧ-разрядов. Так как с наибольшей вероятностью акты разрушения молекул фреона в процессах (1.1) и (1.2) производятся холодными электронами, роль СВЧ-излучения может свестись лишь к созданию в воздушной среде достаточно высокой концентрации электронов, а диссоциация хлорфторуглеродов производится в распадающейся плазме в послеразрядный период. Эффективность очистки при этом будет определяться скоростью распада плазмы и с очевидностью окажется тем выше, чем дольше живет плазменное образование, созданное микроволновым пучком. Казалось, бы, естественным считать,, что при разряде в воздухе распад плазмы определяется процессами прилипания электронов к молекулам кислорода. Время прилипания [14] т достаточно мало (для Н 15 км т4 I мкс), и это ограничивает число актов диссоциации молекул фреона после каждого СВЧ-импульса. Однако экспериментальные исследования последних лет показывают, что на самом деле распад плазмы в СВЧ-разряде в воздухе носит рекомбинационный характер и происходит за времена, существенно превосходящие г„. Согласно [18-20] эффективная постоянная рекомбинации при этом составляет cvslO см -с . Как отмечается в [21], явление рекомбинационного распада связано с наработкой в разряде атомарного кислорода: атомы кислорода активно участвуют в реакциях ассоциативного отрыва электронов от отрицательных ионов и тем самым обеспечивают компенсацию «прилипательного» механизма потерь свободных электронов. Из экспериментов по исследованию несамостоятельного СВЧ-разряда в воздухе [22] следует, что отлипание электронов от кислорода становится заметным уже при энерговкладах 10"3 Дж-см -атм 1. Поэтому достаточно правдоподобным выглядит предположение о том, что в условиях реализации интересующего нас волнового разряда плазма после СВЧ-импульса будет распадаться именно по рекомбинационному (а не по прилипательному) закону.
Описание экспериментальной установки, схемы эксперимента и диагностик плазмы
Измерение концентрации плазмы в СВЧ разряде проводились при помощи пассивной активной и спектральной диагностик, В первом случае спектр излучения разряда анализировался монохроматором МДР-3 и регистрировался ФЭУ-62 (рис. 2.5). Аппаратная ширина монохроматора составляла 0,3 А. В качестве рабочего газа использовались аргон или ксенон. СВЧ разряд высокого давления представляет собой совокупность тонких, ярко светящихся нитей случайным образом» возникающих в пространстве и времени рис. 2.3. Область видения монохроматора выбиралась так, чтобы выделить несколько светящихся нитей. В этом случае свечение регистрируется в виде отдельного пичка. Задержка пичка относительно начала СВЧ импульса, соответствуют времени достижения светящихся нитей области видения монохроматора, а длительность пичка - порядка времни существования нитей в данном месте пространства (рис. 2.6). На рис.2.9 приведены характерные формы линий Аг I (7030 А) и Хе I (4671 А) (при давлении 300 тор и интенсивности СВЧ излучения 40кВт/см2). Как видно из рисунка линии, сильно уширены и асимметричны. Полуширина линии аргона составляет — 3 А, а ксенона - 0,7 А В нашем случае, кроме интересующей нас штарковской ширины линии, вклад в уширение линий могут давать эффект Допплера, и Ван-дер-Ваальсовское уширение -уширение давлением. Допплеровское уширение можно расчитать по формуле: где ЛЯо.з - полуширина линии, X - длина волны, Т— температура газа в К, ju - атомный вес. При температуре газа Г=1500 К, для линии аргона получим АХ D — 0,03 А и - 0,02 А для ксеноновоЙ линии. Приведенные оценки показывают, что допплеровким уширением можно пренебречь. Для оценки Ван-дер-Ваальсовского уширения воспользуемся выражением для полуширины линии, приведеным в работе [54], расчитанным с использованием формулы, выведенной Гримом в [55]: W .w [см ] - 4,09 10"12 X2 (aR2fA (Г/Я),3 т (2.7 ), Где Л-длина волны поглощения (излучения). У нас Л=8667 А; / -приведенная масса (/ r=20); -температура газа; йг-дипольная поляризуемость (для аргона о=1.64 Ш" м , а для ксенона ос=4.0Ы0 30 м )[5б] Подставляя в формулу ( 2.7 ) соответствующие значения для давления рабочего газа 300 Тор и температуры газа в нитях 1500 СК, получим уширение - 0,1 А Можно ожидать, что в нитях уширение еще меньше, так как из-за высокой температуры газа в нитях давление в них ниже, чем в окружающем холодном газе (7 =300 К). Из приведенных оценок видно, что для аргона Допплеровским и Ван-дер-Ваальсовским уширениями можно пренебречь. Ошибка в определении истинной ширины штарковского контура для исследуемой линии аргона не более 10%, так как ее полуширина составляет 3А, в. то время как аппаратная ширина монохроматора - 0,3А. Для определения штарковского уширения по ксеноновой линии аппаратную функцию необходимо учитывать, так же как и Ван-дер-Ваальсовское уширение. Минимальное значение штарковского уширения получается в преположении, что аппаратная функция носит дисперсионный характер: Для расчета концентрации электронов в каналах по аргоновой линии использовались формулы для уширения Д о.5 и сдвига ДА , приведенные в [58]. Здесь 2w и d - полуширина и сдвиг за счет электронов; а - параметр, характеризующий ; вклад, вносимый ионами в уширение и сдвиг. Параметры a, w и d расчитаны Гриммом с помощью «ударной теории» и приведены в [59] для многих линий. Для линии аргона X =7030 А для Те =40000 К w =0,823, d =0,S 10, а=0,066. то есть измеренному уширению аргоновой линии соответствует концентрация nt« 5-Ю16 см". В работах [60] и [61] приведен численный расчет и экспериментальные данные штарковского уширения и сдвиг линии ксенона к = 4671 А для концентраций плазмы 10 -10і8 см"э рис . Наблюдаемому в нашем эксперименте уширению 0,3 - 0,4 А. Соответствует концентрация - 1017 CM"J. Предполагая, что источником излучения, где формируется профиль линии, являются ярко светящиеся нити, концентрация электронов Пе в каналах для обоих газов оказываются приблизительно равными пе» 1016 см 3. В измерениях профиля линии поглощения в СВЧ разряде в аргоне, при различных условиях, использовалась диодно-лазерная спектроскопия. На рис.2.10 показаны три фотографии- набора осциллограмм» для наглядного показа зависимости уширения линии поглощения от давления, при трёх различных давлениях аргона, на длине волны Аг (8667 А). Каиадая фотография набора осциллограмм получена за несколько импульсов с помощью изменения временной задержки мбжду началом СВЧ импульса и запуском сканирования ДЛ. Определенная частота излучения соответствует определенному моменту времени на осциллограмме. Время появления поглощения (и, следовательно, частота ДЛ) соответствует моменту, когда разряд пересекает диагностический луч. Длительность пика поглощения не превышает 2 мкс, что соответствует спектральному разрешению 0.01 А., Таким образом, варьируя задержку между моментами включения СВЧ-импульса и диодного лазера, можно получить профиль линии поглощения за несколько импульсов, отображая их на одну осциллограмму. Увеличение точности определения среднего времени поглощения при одной временной задержке (т. е. при одной и той же лазерной частоте излучения) достигалось увеличением количества реализаций (обычно 5 или 10). На рис.2.11 показан профиль линии поглощения, построенный таким способом. Спектральное разрешение ДЛ позволяет получить зависимость концентрации электронов от давления р газа и от плотности мощности СВЧ излучения Р. Соответствующие зависимости приведены на рис2.12 и рис2.13. Здесь и далее под уширением понимается полуширина линии поглощения на половине максимального поглощения. На рис.2.12 можно увидеть зависимость концентрации электронов от давления газа, которая ведет себя как ЗЯ р/2. От плотности мощности СВЧ излучения зависимость слабая рис.2.13.
Особенности инициированного микроволнового разряда в газах высокого давления
Для выявления связи между измеренным в эксперименте профилем линии поглощения и параметрами плазмы необходим учет основных факторов, действующих на формирование этого профиля.
Как отмечалось в [47], нагрев газа в каналах, происходит достаточно быстро, но по абсолютной величине средняя за время жизни канала температура не превосходит 1500 К. Это означает, что доплеровское уширение не должно превышать Ад=0.03 А. Значение экспериментально определенной полуширины, указанное выше ( 5А=0.05 А), может практически полностью быть связанным со столкновительным уширением. Доплеровское уширение в настоящих экспериментах должно быть меньше, чем 0.015 А, так как газ в исследуемых разрядах имеет температуру Т \ 000+15 00К [47]. Оценка столкиовительного уширения дает величину Ле=0.0б А при /?=300 торр, что находится в хорошем согласии с экспериментальной величиной (если учесть точность измерений и вклад доплеровского уширения). Если упомянутые выше факторы дополнить величиной спектрального разрешения, которая в нашем случае составляет 0.01 А 0.02 А, мы можем придти к выводу о том, что нештарковское уширение, которое необходимо принимать во внимание при установлении соотношения между nt и SA, меняется между 0.05 А при низком давлении газа и 0.1 А при р = 300 торр.
На самом деле эта оценка даёт завышенные значения, так как простое суммирование полуширины возможно только для лоренцевских профилей, в то время как доплеровский эффект и инструментальное: уширение имеют форму гауссовского профиля и трапецеидального профиля соответственно.. Если полуширины этих профилей меньше, чем полуширина наблюдаемого штарковского профиля, то полуширина полного профиля будет меньше, чем полуширина компонентов. Таким образом, реальное искажение профиля должно быть менее чем 0.05 А для малых и 0.01 А для больших давлений газа. На интегральных за время импульса фотографиях видно (см. Рис.2.3), что разряд сильно неоднороден. Неоднородность плазменных параметров сказывается: на профиле линии поглощения, приводя к его асимметрии. Этот эффект является следствием того, что область с наибольшей электронной концентрацией, где излучение диагностирующего лазерного пучка испытывает наибольшее уширение и смещение, мала по сравнению с полным сечением: пучка, так что заметное возмущение наблюдается лишь в крыльях профиля линии поглощения.
Интенсивность диагностического излучения }(Х), прошедшего через неоднородный слой, может быть представлена в виде: 2.10)
где Jo - интенсивность падающего на разряд диагностического излучения; S - поперечное сечение диагностического пучка, являющееся областью интегрирования; ко - коэффициент поглощения в центре линии; ц , X) - профиль линии поглощения для одного атома; па концентрация поглощающих атомов; г - пространственная координата. Мы не производим свёртку функции J(X) с нештарковскими профилями, возникающими за счет доплеровского уширения и инструментального уширения, связанного с относительно большим сечением диагностического пучка/ Учёт этих факторов существенно усложняет расчёты, в то время как их влияние на конечный результат пренебрежимо мало.
Обратная задача определения параметров распределения па(г) и Пе(г) с помощью регистрируемого профиля 3(Х) является некорректной. Более того, попытка решения этой задачи обычно используемыми методами кажется лишённой смысла, поскольку на результат существенным образом влияет неопределённость в данных эксперимента, которая может провести к заметному расхождению с реальной ситуацией. По крайней мере, наиболее вероятно, что усилия, затраченные на решение задачи, будут неадекватными ценности полученных результатов. Например, в центре канала оптическая толщина должна быть весьма: большой. Это предположение подкрепляется высокой величиной поглощения диагностического излучения (до 80%) при относительно малых размерах канала. Если это так, то мы можем получить лишь оценку снизу концентрации плазмы в каналах. По этой причине представляется более простым и надёжным подход, в котором берутся некоторые разумные распределения параметров канала и определяется влияние выбора распределения на конечный результат - на профиль линии поглощения. Представив каналы осесимметричными цилиндрическими образованиями, вытянутыми вдоль оси Y, и положив, что распределения концентрации электронов и поглощающих атомов имеют гауссовские профили с характерными пространственными масштабами р и а, а профиль линии поглощения flj,X) является лоренцевским с параметрами, зависящими от х и у, мы можем получить где tieo, Пао - концентрация электронов и атомов соответственно на оси канала; Si= /negW; si = s/W; W = 0.09 и s = 0.03 - штарковские константы уширения и сдвига соответственно; &о - собственная ширина линии; г—хг+у\ Ь\\ = (VXoVfaeoW); -о - положение несмещённой линии. Из (2.11) следует, что на регистрируемый сигнал поглощения влияет значительное число параметров. Если положить, что поглощение мало (так, что показатель экспоненты много меньше 1), то легко видеть, что влияние на профиль оказывают три параметра, а именно, Пяо/tteo (контролирует уровень поглощения), Пев и р/а (контролирует профиль линии поглощения). Профили линии поглощения, рассчитанные по формуле (2.11) при р/а — 1, пао/пе»= I и для различных значений Пео Ю16, 3-Ю16 и 5 10[б см"3, - представлены на рис.2.14. Как видно из рисунка - смещение линии весьма мало: существенно меньше, чем смещение 5Хо=%пео, появляющееся в однородной плазме с концентрацией «ео. Это есть следствие того факта, что центральная часть профиля поглощения контролируется периферийной плазмой, содержащей значительное количество поглощающих атомов, но не влияющей; при этом заметным образом на сдвиг и уширение линии. Более того, если поглощение велико, - верхняя часть профиля становится уплощенной, и смещение трудно зарегистрировать. Используя расчетный профиль, мы можем получить полуширины вЛрасчет, которые соответствуют концентрации лез на оси канала. Разделив SXpoC4em на константу Наблюдаемое в эксперименте уширение вызвала бы однородная плазма с такой концентрацией. Однако линия поглощения при; этом должна быть симметричной. Величины rteo и пе//2 не равны друг другу.
