Методы получения и исследования активных сред кислородно-йодных лазеров Малышев Михаил Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Метод и экспериментальная установка 19

1.1 Экспериментальная установка 19

1.2 Калибровка оптической системы 30

1.3 Методика измерения температуры 32

1.4 Выводы по главе 1 33

Глава 2. Диссоциация молекулярного йода 36

2.1 Величина констант скорости для реакций 02(a) + 02(a)(I )— 02(b) + С 2(Х)(1) 36

2.2 Величина констант скорости для процессов дезактивации 02(а:А) 39

2.3 Диссоциация молекулярного йода в присутствии ( (Ь1!!) 48

2.4 Вклад иных процессов диссоциации 53

2.5 Выводы по главе 2 60

Глава 3. Кислородно-йодный лазер с оптической накачкой 64

3.1 Схема оптической накачки 64

3.2 Аналитическая оценка 67

3.3 Численное моделирование 71

3.4 Использование эффекта Зеемана при оптической накачке атомарного йода 78

3.5 Экспериментальное исследование 82

3.6 Выводы по главе 3 88

Заключение 89

Список литературы

• Калибровка оптической системы
• Методика измерения температуры
• Диссоциация молекулярного йода в присутствии ( (Ь1!!)
• Использование эффекта Зеемана при оптической накачке атомарного йода

Введение к работе

Актуальность темы

Перспективным направлением в разработке лазерных систем является поиск твердотельных, а в последнее время и газовых лазерных систем, способных осуществлять преобразование излучения множества лазерных диодов в когерентное лазерное излучение. Такими системами являются лазеры на парах щелочных металлов (Krupke W.F., 2012) и лазеры на благородных газа (Михеев П.А., 2015). Интерес к подобным системам связан с тем, что за последнее десятилетие созданы мощные и эффективные диодные лазеры, линейки и наборные матрицы на их основе, но качество их излучения заметно хуже дифракционного.

Синглетный кислород 0₂(а¹А) является является уникальной возбуждённой частицей с большим временем жизни (/2 = 72 мин.). При этом возможна быстрая передача энергии от молекул синглетного кислорода к атомам йода в процессе Е-Е обмена

0₂(а А) + I( Р3/2) ^ 0₂(Х ) + I*( Pi/₂) + 280 см~ (1)

с близкой к газокинетической константой скорости прямого процесса _f = 7,8- КГ¹¹ см³/c (Perram G.P., 1995). Ввиду данных особенностей, кислородно-йодная среда является перспективной для построения на её основе лазеров высокой мощности. В частности, был построен химический кислородно-йодный лазер (ХКИЛ) мегаваттного класса.

Однако, текущие реализации кислородно-йодного лазера имеют определённые проблемы. В химических кислородно-йодных лазерах 0₂(а¹А) образуется в химическом генераторе, который для своей работы потребляет токсичные реагенты. Кислородно-йодные лазеры с образованием 0₂(а¹А) в электрическом разряде имеют низкую эффективность. В связи с этим, актуальным является поиск новых способов накачки кислородно-йодной среды, одним из которых является оптическая накачка.

Ранее было предложено несколько способов оптической накачки кислородно-йодной среды, основанных как на непосредственной оптической накачке молекул кислорода (Neumann D.K., 2006, Бирюков А.С., 2008), так и на передаче возбуждения от молекул фотосенсибилизатора (Данилов О.Б., 2014). Возможно получение атомов синглетного кислорода посредством оптической накачки перехода ²Рз/2–²Рі/2 атомарного йода, с последующей передачей электронного возбуждения молекулам синглетного кислорода в процессе (). Разумеется, в таком случае относительная доля синглетного кислорода сможет превысить равновесное значение только в случае резкого охлаждения среды.

Для разработки новых типов кислородно-йодных лазеров большое значение имеют точные значения констант скорости для процессов, протекающих в их активной среде. Одним из таких процессов является диссоциация

I₂ в присутствии синглетного кислорода. Механизм диссоциации слабо изучен в силу большого количества вовлечённых в него процессов. Известно, что данный механизм состоит из последовательности реакций, сопровождающихся передачей электронного возбуждения от молекул синглетного кислорода к молекулам и атомам йода (Perram G.P., 1995). Ключевой проблемой в данном случае является отсутствие измеренных констант скоростей реакций, что не позволяет выделить доминирующие каналы диссоциации.

Скорость диссипации запасённой в активной среде КИЛ энергии определяет необходимую интенсивность накачки. Основным каналом диссипации являются процессы дезактивации O₂(a¹), следовательно исследование данных процессов представляет особую важность для активной среды КИЛ.

Для исследования процессов взаимодействия возбуждённых атомов и молекул в кислородно-йодно среде ранее использовались методы эмиссионной спектроскопии (Heidner R.F., 1983). Однако, в данной работе не удалось выделить инициирующую стадию процесса диссоциации йода. В связи с этим актуальной является разработка современных высокочувствительных методов измерения концентраций электронно-возбуждённых атомов, молекул и кинетики их взаимодействия.

Целью данной работы является измерение кинетических констант процессов в кислородно-йодной среде методами эмиссионной спектроскопии и разработка новых методов оптической накачки активной среды кислородно-йодного лазера.

Основные задачи диссертации:

1. Создать экспериментальную установку для измерения концентраций электронно-возбуждённых атомов, молекул и исследования кинетики их взаимодействия в кислородно-йодном потоке.

2. Разработать метод для исследования генерации молекул O₂(b) в процессах O₂(a) + O₂(a) O₂(b) + O₂(X), O₂(a) + I^* O₂(b) + I и измерить их константы скорости.

3. Разработать метод диагностики потерь синглетного кислорода в процессах O₂(a)+O₂(a) продукты, O₂(a)+I^* продукты и измерить их константы скорости.

4. Экспериментально выделить инициирующую и цепную стадии диссоциации молекулярного йода в присутствии синглетного кислорода. Определить доминирующие процессы на инициирующей и цепной стадии диссоциации йода.

5. Разработать метод получения активной среды кислородно-йодного лазера путём оптической накачки перехода ²P_1/2–²P_3/2 атома йода.

Научная новизна

1. Создана установка для измерения констант скоростей реакций с участием электронно-возбуждённых частиц путём измерения пространственной эволюции их концентраций в газовом потоке.

2. Определены константы скорости реакций:

02(a) + 02(a) —> 02(b) + 0₂(Х) - (4,3 ± 0,2) 10~¹⁷ см³/c; 0₂(а) + I* —> 0₂(Ь) + I - (2,8 ± 0,2) 10~¹³ см³/c; 0₂(а) + 0₂(а) ->> продукты - (10 ± 2) 10~¹⁷ см³/c; 0₂(а) + I* —> продукты - (6±1,1)-10-¹³см³/c;

3. Показано, что инициирование процесса диссоциации йода в активной среде кислородно-йодного лазера происходит преимущественно в реакции 0₂(Ь) + 1₂ —> 0₂(Х) + 21 с константой скорости (8,3 ±1,1) КГ¹¹ см³/c.

4. Показано, что роль трёхчастичных взаимодействий 20₂(а) + 1₂ ->> 21 + 20₂(Х) и 0₂(а) + I* + 1₂ —> 31 + 0₂(Х) а также процессов с участием колебательно-возбуждённого кислорода не дают значительного вклада на инициирующей и цепной стадиях диссоциации.

5. Предложен новый тип кислородно-йодного лазера, основанный на непосредственной накачке перехода ²Рз/2–²Рі/2 атомарного йода в газовом потоке с последующим его газодинамическим охлаждением.

6. Показано, что при облучении смеси 0₂–1₂ излучением с длиной волны 1315 нм в среде начинает протекать диссоциация молекулярного йода и образуется синглетный кислород.

Практическая ценность.

Уточнённые значения констант скоростей реакций процессов, протекающих в активной среде КИЛ, являются необходимыми на стадии их разработки и проектирования. Полученные результаты закладывают основы для проектирования кислородно-йодных лазеров с оптической накачкой. Предлагаемая в данной работе схема оптической накачки для кислородно-йодного лазера является перспективной для различных применений и имеет ряд достоинств по сравнению с химическими и электрическими кислородно-йодными лазерами.

Достоверность представленных в диссертации полученных научных результатов подтверждается, с одной стороны, использованием апробированных методик измерения концентраций возбуждённых частиц при помощи абсолютно калиброванного спектрометра, использованием сертифицированных измерительных приборов, и, с другой стороны, корректной математической постановкой задач, надёжностью используемых общепринятых уравнений и моделей, а также удовлетворительным согласием результатов, полученных расчётным путём, с экспериментальными данными.

Защищаемые положения:

1. Метод измерения кинетических констант процессов с участием возбуждённых частиц, основанный на измерении пространственной эволюции их абсолютной концентрации в проточной трубке методами эмиссионной спектроскопии.

2. Измеренные значения констант скорости реакций:

0₂(а) + 0₂(а) —> 0₂(Ь) + 0₂(Х) - (4,3 ± 0,2) 10~¹⁷ см³/c; 0₂(а) + I* —> 0₂(Ь) + I - (2,8 ± 0,2) 10~¹³ см³/c;

02(a) + 02(a) —> продукты - (10 ± 2) 10 ¹⁷ см³/c; 02(a) + I* —> продукты - (6±1,1)-10-¹³см³/c; Ог(Ь) + І2 —> Ог(Х) + 21 - (8,3 ± 1,1) Ю^-11 см³/c.

3. Метод фотоиндуцированной диссоциации йода и образования син-глетного кислорода в среде O2-I2 под действием лазерного излучения с длиной волны 1315 нм.

4. Концепция кислородно-йодного лазера с оптической накачкой, основанная на предварительной диссоциации І2 в потоке O2-I2, оптической накачке перехода ²Рі/2–²Рз/2 и последующем газодинамическом охлаждении потока.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на следующих конференциях:

High Eneregy/Average Power Lasers and Intense Beam applications IX в рамках симпозиума "Photonics West 2016"(Сан-Франциско, США, 15.02.16-16.02.16)

The 21th International Symposium on High Power Laser Systems and Applications (Гмунден, Австрия, 05.09.16-09.09.16)

16th, 17th International Conference "Laser Optics"(Санкт-Петербург)

Вторая международная научно-техническая конференция «Динамика и виброакустика машин» (Самара, 15.09.14-17.09.14)

V всероссийская молодёжная конференция по фундаментальным и инновационным вопросам современной физики (Москва, 10.11.13-15.11.13)

Всероссийская молодёжная конференция «перспективы развития фундаментальных наук» (Москва, 01.07.11-11.07.11)

IX, X, XI, XIII всероссийский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике (Самара)

Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» (Самара, 29.09.10-01.10.10)

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 22 научных работы, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, 10 статей в изданиях, индексируемых в Web of Science и 17 работ в сборниках трудов и тезисов докладов международных, всероссийских и региональных конференций. По результатам диссертации был получен патент РФ №2548622.

Личный вклад. Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично, либо в соавторстве при его непосредственном личном участии.

Связь с международными проектами и государственными программами. Работа была выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-32-00106 мола.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и 1 приложения. Полный объём диссертации составляет 111 стра-

Калибровка оптической системы

Для определения констант скоростей реакций с участием электронно-возбуждённых частиц 02(а1А), ( (b1!!), I (2Pi/2) была разработана экспериментальная установка, позволяющая измерять пространственную эволюцию их концентрации вдоль проточного канала. Для измерения концентраций применялся метод эмиссионной спектроскопии при помощи абсолютно калиброванной системы оптическое волокно - спектрометр. Данная установка с незначительными изменениями описана в работах [111-114].

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.1. Газовый генератор синглетного кислорода (ГСК) создаёт поток кислорода с расходом до 1 ммоль/с и содержанием синглетного кислорода 02(а1А) более 50%. Для уменьшения концентрации водяного пара, поток пропускается через ловушку паров воды (ЛПВ), представляющую собой набор параллельных газопроточных каналов, погруженных в ванну с охлаждённым этанолом.

Ниже по потоку последовательно располагаются два узла смешения для подачи в основной поток дополнительных газов (паров воды, углекислого газа, аргона, кислорода). Сразу после второго узла смешения установлен германиевый фотодетектор, снабжённый широкополосным фильтром и служащий для регистрации излучения перехода a–X (А = 1268 нм) молекул О2. Также после второго узла смещения установлен приёмный конец оптического волокна ведущего к спектрометру, регистрирующему излучение перехода b–X (А = 762 нм) молекулярного кислорода. Постоянство интенсивности этих излучений во времени является индикатором неизменности на протяжении эксперимента концентраций 02(a), 02(b) на входе в оптико-диагностическую секцию (ОДС). Фотография ЛПВ и узла смешения представлена на рисунке

Основной поток через систему цилиндрических каналов далее поступает в ОДС, которая представляет собой кварцевую трубку с внутренним диаметром 15 мм и длиной ODS = 350 мм (рисунок 1.3). Смесь молекулярного иода и аргона добавляется в основной поток через инжектор, выполненный в виде набора из девяти параллельных трубок (длина 25 мм, внутренний диаметр 2 мм, толщина стенок 0.1 мм). Для такой конструкции, по оценкам, эффективная длина ламинарного смешения потоков должна составлять менее 1 см при рабочих скоростях газа в ОДС до 30 м/с и давлении менее 5 мм рт.ст. Газ вытекает из ОДС через расходное отверстие, в котором потоком достигается скорость, равная скорости звука. Дозирование газов и измерение их расхода из коммерческих баллонов (Аг, СО2, О2) производились с помощью электронных расходомеров Mass-View (Bronkhorst). Данные расходомеры позволяют измерять расход веществ в диапазоне 0-1 ммоль/с. Фотография расходомера представлена на рисунке 1.4.

Дозирование паров воды в потоке производилось двумя различными способами. Первый - барботирование потока аргона с известным расходом через слой воды при известных давлении и температуре. Второй - изменение тем Рисунок 1.4 - Электронный расходомер Mass-View. пературы ЛПВ. В первом случае есть возможность получить точное значение концентрации паров воды. Во втором - точное определение концентрации Н2О в ОДС возможно только при известной величине константы скорости реакции 1 (таблица 1), при помощи выражения (в отсутствие СО2) ГЖо (1.1) где / 2 = 6,7-1(Г12см3/с[115] - константа скорости реакции 5 при М = СО2. Константа скорости к\ будет определена в главе 2.1.

Измерение концентрации І2 проводилось лишь косвенно, по максимальной концентрации І в предположении полной диссоциации молекулярного йода. Для регулирования концентрации І2 в ОДС использовалась система показанная на рисунке 1.5. Поток Аг, расход которого может регулироваться с помощью вентиля проходит через камеру с насыщенными парами йода (рисунок 1.6). В камере поток проходит через слой кристаллического йода. Данный поток смешивается Рисунок 1.5 — Система для регулирования концентрации I2. 1, 2 – вентили; 3 камера с кристаллическим йодом; 4 – источник света; 5 – монохроматор с фотоприёмником.

Камера с кристаллическим йодом. Рисунок 1.7 — Трубка со смесью Ar+I2.

Монохроматор для измерения поглощения излучения в диапазоне 488 нм парами йода. со вторым потоком чистого аргона, идущим в обход камеры с йодом, который также может регулироваться при помощи вентиля. Получившийся в результате поток Аг–І2 проходит через трубку (рисунок 1.7), просвечиваемую с торца излучением сине-зелёного светодиода. С другого торца установлен монохроматор (рисунок 1.8) с фотоприёмником, измеряющий поглощение излучения источника парами йода в диапазоне около 488 нм. Соответственно, содержание йода в потоке можно регулировать при помощи соответствующих вентилей, а показания фотоприёмника позволяют контролировать это изменение.

Молярный раcход кислорода, поступающего из ГСК в ОДС не совпадает с молярным расходом хлора, поступающего в ГСК, т.к. часть газа выходит из него вместе с отработанной жидкостью. В свзяи с этим для определения молярного расхода кислорода необходимо использовать иные методы. Для этого в ходе эксперимента измерялось давление в ОДС, а по завершении эксперимента в неё подавался кислород из коммерческого баллона. Путём подбора его расхода добивались давления в ОДС, равного давлению в ходе эксперимента. Расход баллонного кислорода считался равным расходу кислорода в ГСК в эксперименте. На входе и выходе ОДС измерялось давление, среднее значение которого использовалось для расчета средней скорости газа в ОДС. Для измерения давления применялись электронные датчики давления (Метран, Россия). Фотография датчика давления представлена на рисунке 1.9.

Скорость потока в ОДС контролировалась при помощи расходной шайбы, установленной на выходе из ОДС. Поперечное сечение отверстия шайбы подбиралось таким образом, что в принятом диапазоне давлений в отверстии достигалась скорость звука. В таком случае, расход газа описывается выражением

Здесь, 7 - постоянная адиабаты, /І - молярная масса смеси, р и Т - давление и температура в ОДС, Sкр - сечение отверстия шайбы. Зная расход смеси можно где - поперечное сечение потока. Приёмный торец двухканального оптоволоконного кабеля, примыкающий к стенке ОДС, мог перемещаться вдоль неё на каретке, приводимой в движение линейным транслятором (Standa, Латвия). Скорость движения транслятора изменялась в диапазоне от 0,25 до 2 см/c. Один из выходных каналов кабеля соединялся со входной щелью спектрометра М266 (рисунок 1.13), который регистрировал излучение на переходе a–X ( = 1268 нм) молекулы кислорода и на переходе 2P1/2–2P3/2 ( = 1315 нм) атома иода. Второй канал соединялся со входом спектрометра Avantes-2048 (рисунок 1.14), который регистрировал излучение на переходе b–X ( = 762 нм) молекулы кислорода. Спектры данных переходов показаны на рисунках 1.10, 1.11 и 1.12 соответственно.

Методика измерения температуры

При дальнейшем анализе, для констант скоростей реакций нами будут использованы следующие значения: 2а = 7,6- Ю-11 см3/с [27], f2 = 6,7-10-12 см3/с [115], %2 = 5 10-13см3/с [126], f2 = 2,3 10-12 см3/с [67], f2 = 1,3 10-16 см3/с [67]. Также будем использовать полученные в разделе 2.1 соотношения \а/ъ 2 = 1,04-10-4, а/ъ 2 = 0,69 и полученные значения констант \а = (4,3 ± 0,2) 10-17 см3/с и 4а = (2,8 ± 0,2) 10-13 см3/с.

Во всех экспериментах ЛПВ охлаждалась до температуры, близкой к точке кристаллизации этанола. Эксперимента проводились при расходе кислорода через ОДС порядка 0,4 - 0,6 ммоль/c, скорости газового потока в ОДС = 950 - 1050 см/c в зависимости от температуры потока, расходе первичного и вторичного газа Аг(С02) по 0,1 ммоль/c. В результате были получены следующие значения параметров газового потока в ОДС: концентрация Аг(С02) - около б 1016 см-3, перепад давления в ОДС - менее 0,1 торр. Концентрация молекул О2(а) в точке инжекции йода изменялась в пределах от 7 1016 см-3 до 9 1016 см-3 при полном давлении в 5,6 - 8,2 торр.

Для оценки содержания паров воды на выходе ЛПВ к потоку газа из ГСК в качестве первичного и вторичного буферного газа подмешивался аргон без йода. По результатам данной серии экспериментов было обнаружено, что соотношение концентраций 20 (а)/о2(ь) Ю20 см-3. Используя соотношение (2.7) найдём значение Г02(Ь) 5 10-3 с-1. Принимая во внимание геометрические размеры установки, давление в ОДС около 8 торр и величину о2(ь) Ю 2 [127], частота дезактивации на стенках TQ ,Ъ, много меньше Го2(ь). Исходя из этого можно получить оценку концентрацию Н2О на входе в ОДС: н2о Г02(ь)/2 = 7 1014 см"3 и "2H2o 1,6 103 с"1. Последняя величина значительно превосходит частоту дезактивации атомов I на стенке даже при і 1. В таком случае, эффективная константа скорости дезактивации, входящая в подынтегральное выражение в (2.14) оценивается значением Гр/о2(а) = 2н2о/о2(а) 5 1(Г14 см3/с при 02(а) 4 1016 см"3. Используя данные оценки, получаем что /Г02(ь) С , /(2а2а) С , что подтверждает корректность использования квазистационарных приближений (2.6) и (2.7).

В первой серии экспериментов с подмешиванием паров йода к синглетно-му кислороду в качестве первичного и вторичного газов использовался аргон. Во второй серии экспериментов в данном качестве использовался СО2. На рисунке 2.3 представлена зависимость спектров переходов 2Рі/2-2Рз/2 и 1A–3S, полученная в одном из экспериментов первой серии при перемещении каретки с оптоволокном вдоль ОДС от точки инжекции йода. В этом и во всех остальных проведённых экспериментах фоновое излучение полос B–X и A–X молекуляр расстояние от йодного инжектора, смного йода было пренебрежимо мало по сравнению с интенсивностью полос переходов O2(a)–O2(X), O2(b)–O2(X) и линии атомарного йода 2P1/2–2P3/2. В связи с этим определение интегральной фотонной мощности с целью вычисления концентраций данных веществ не представляло особой сложности. Результат расчета концентрации возбуждённых атомов йода и молекул O2(a) представлен на рисунке 2.4. Видно, что на расстоянии около 4 см достигается максимальная концентрация возбуждённых атомов йода – I . Достижение этого максимума свидетельствует о практически полной диссоциации молекулярного йода в данной точке. Концентрация O2(a)(0) в точке максимальной концентрации I зависит от значения I , которое в свою очередь определяется расходом молекулярного йода.

Тепловыделение за счёт дезактивации синглетного кислорода приводит к отрыву температуры потока в ОДС от температуры её стенок. Перед точкой инжекции йода, температура газа имела значение (310±10) K в потоке без йода и увеличивалась до (360 ± 10) K в точке максимальной концентрации I , при значении п\ тах = 5 1013 см-3. Падение концентрации 02(a) по потоку должно приводить к постепенному уменьшению мощности тепловыделения и падению температуры потока. В настоящих экспериментах изменений температуры вдоль потока в пределах погрешности измерения в 10 K обнаружено не было.

Для определения константы kq2 было произведено измерение концентрации 02(a) вдоль ОДС при различных значениях п\ тах. Для каждого эксперимента определялся номер го кадра спектра и соответствующее положение каретки (X = 0) при которых достигалось максимальное значение концентрации I . Численно находились значения А(Х{) =V(

Зависимость параметров А (А), В (Л), С (о) от расстояния вдоль ОДС, построенная по данным на рисунках 2.3, 2.4. Здесь ХІ = up(i — го), up - скорость движения платформы, i - номера кадров спектров. В первом приближении параметры А, В, С растут приближённо линейно в зависимости от координаты X, как показано на рисунке 2.5. Это означает что изменения относительной доли Y молекул 02(a) вдоль потока невелико и подынтегральные выражения ( і /по2(а))( 2+Гі /по2(а)) и (1/по2(а)) слабо изменяются в зависимости от координаты X. Произведя линейную аппроксимацию А = cijX, В = bjX, С = CjX исходя из уравнения (2.14) для j-го эксперимента получим выражение зависимости (2.16). Результаты обработки экспериментов, представленные в виде зависимости (2.16) приведены на рисунке 2.6. В расчётах использовались 7о2(а) = 2 Ю"5 для коэффициента дезактивации 02(a) на поверхности фторопласта и кварцевого стекла [128; 129]. Для реакции 1d использовалось значение константы скорости кы = 1,6 1(Г18 см3/c [130; 131]. Статистические погрешности определения параметров dj, bj, Cj не превышали 2% от их абсолютных значений, а полное значение правой части уравнения (2.16) отличалось от величины dj не более чем на 10%. Видно, что зависимость (2.16), полученная в экспериментах с использованием Аг не отличается от зависимости в экспериментах с СО2. Максимальная температура в 360 К была достигнута при соотношении Ь = пр/по2(а) = 8 Ю 4. Однако, как видно из рисунка 2.6, с ростом параметра Ь не наблюдается нарушение линейной зависимости (2.16), что позволяет сделать предположение о слабой температурной зависимости констант kqi и kq2 в интервале 300-360 К. Считая величины kq\ и kq2 слабо зависящими от температуры, линейной аппроксимацией при помощи уравнения (2.16) получим следующие значения: kq\ = (10,5 ± 0,5) 10 17 см3/c и kq2 + Гр/по2(а) = (6,5 ±0,1) 10 13 см3/c. Учитывая полученную ранее верхнюю оценку для величины Гр/по2(а) 5 10 14 см3/c, систематические погрешности спектральной чувствительности спектрометра (±15%) и погрешность измерения температуры (и, соответственно, скорости потока V), получим окончательные значения kqi = (10 ± 2) 10"17 см3/c и kq2 = (6 ± 1,1) 10"13 см3/c.

Диссоциация молекулярного йода в присутствии ( (Ь1!!)

Рассмотрим стационарные решения уравнений (3.25) и (3.26). В нулевом приближении, пренебрегая дезактивацией возбуждённых частиц (Гу = 0) и рекомбинацией атомов йода (к\0 = 0, к 0 = 0), стационарная доля Y равна граничной доле Yp = l/(2Keq + 1) = 0,15, концентрация атомарного йода имеет величину щ = 2rii . Приравняв правую часть уравнения 3.26 к нулю и считая, что Гу = Yrkq2no2 + к 2пц2о, получим стационарное значение для относительного содержания синглетного кислорода в первом приближении: 1 C\TS ті — 1 1 2КеЛ у Ys = 1 + . (3.28) 2Keq + l Тв{2Ке 1 + \) Найдём значение Ys для условий приведённых в таблице 3. Для рассматриваемой газовой смеси Гу « YTkq2n0O2. Принимая значение kq2 = 6 10"13 см3/с, полученное в разделе 2.2, получаем Ys « 0,13.

Оценим стационарное значение доли молекулярного йода с учётом того, что рекомбинация атомов йода происходит преимущественно на молекулах кислорода и атомах гелия. Приравняв правую часть уравнения 3.25 к нулю и полагая Y = Yp, получим стационарное значение доли недиссоциировнного йода:

Отсюда находим, что для рассматриваемой газовой смеси щ2/п\2 1. Таким образом, при достаточной длине секции II можно получить относительное содержание молекул 02(a), близкое к YS(TQ) и высокую степень диссоциации йода.

Приведённая в предыдущем разделе система дифференциальных решалась также и численно при помощи системы COMSOL Multiphysics. Профили концентраций активных веществ и значение доли 02(a) вычисленные согласно одномерной модели проточного реактора без тепловыделения показаны Рисунок 3.3 - Доля 02(а) вдоль потока при позиции сопловой решётки 9 см от начала секции II и давлении 37 тор. на рисунках 3.2 и 3.3. В рассматриваемой модели оптическая накачка перехода 2Р3/2–2Рі/2 оканчивается в точке с максимальной концентрацией 02(a). В этой же точке располагается сопловая решётка. Полагая длину сопел в 1 см, падение концентрации 02(a) имеет величину порядка 20%. Т.о. концентрация 02(a) в секции III составляет 80% от концентрации 02(a) в конце секции II.

Используя полученные значения концентраций активных веществ и параметров установки из таблицы 3, можно определить основные характеристики системы. Данные характеристики будут определяться для секции III в точке непосредственно за сопловой решёткой. Одним из таких параметров является удельная мощность системы, которая вычисляется следующим образом: ь = i io2(i — T{\)). (3.30)

Здесь, i = 0,94 эВ - энергия перехода 2Рі/2–2Рз/2, і – скорость потока в секции III, э2 суммарная концентрация молекулярного кислорода, \ - доля 02(a) в секции III и T(I) - пороговая доля 02(a) в секции III. Потенциальная оптическая эффективность системы, которая представляет собой соотношение между потенциально извлекаемой из потока и суммарной закачанной в поток энергией вычисляется согласно следующему выражению:

Здесь, = 1,3 10-16/\Т см2 - сечение поглощения в центре перехода атомарного йода, - суммарная концентрация атомарного йода в секции III. Значения параметров вычислялись для точки непосредственно за сопловой решёткой в секции III, для различных положений сопловой решётки. Соответствующие зависимости показаны на рисунках 3.4 и 3.5. Видно, что максимальное значение L достигается в точке где остальные характеристики ещё не достигли своего максимума. Это может быть объяснено расходами энергии на диссоциацию І2, которые растут с увеличением расстояния по потоку. Как следствие, с увеличением длины секции II меньше энергии расходуется на непосредственно накачку атомарного йода.

Данные параметры системы также были вычислены для различных значений начального давления в системе. Соответствующие зависимости показаны на рисунке 3.6. Видно, что максимальные значения для удельной мощности и усиления слабого сигнала системы достигаются при начальном давлении 200 тор. При данном начальном давлении, в секции III будет достигаться давление \ = 6,8 тор, что даёт давление на выходе системы после скачка уплотнения 2 = 177 тор. Данное давление соответствует атмосферному на высоте 11000 м. Следовательно, на высотах 11000 м система потенциально может функционировать без принудительной прокачки рабочей среды. Зависимость параметров системы от положения сопловой решётки при давлении 37 тор. Рисунок 3.5 — Зависимость эффективности системы от положения сопловой решётки при давлении 37 тор. Для увеличения усиления слабого сигнала, обеспечиваемого системой, необходимо увеличивать концентрацию молекулярного йода. Значения параметров системы, вычисленные для различных значений начальной концентрации I2 показаны на рисунке 3.7. Вычисления производились для температуры 0 = 350 К, для того чтобы была возможность увеличения парциального давления паров йода до 1 тор. Давление 0 имело величину 200 тор. Ожидаемо, с увеличением начальной концентрации атомарного йода, усиление слабого сигнала также увеличивается. Удельная мощность при этом немного падает. Здесь, однако стоит отметить, что при высоких концентрациях атомарного йода, энергия накопленная в активной среде рассеивается на длине сверхзвукового сопла намного быстрее.

Использование эффекта Зеемана при оптической накачке атомарного йода

Для синтеза спектров Зеемановского расщепления согласно данным из статьи [145] была разработана программа, текст которой приведён в приложении А. Рассмотрим, каким образом изменяется доля поглощённого излучения накачки в зависимости от величины индукции приложенного магнитного поля. На рисунке 3.8 показана спектральная интенсивность излучения накачки до и после прохождения исследуемой среды при различных значениях индукции внешнего магнитного поля.

Как видно, приложение внешнего поля величиной 450 Гс увеличивает эффективность поглощения на 7%, с 56% до 63%. Необходимо отметить, что в случае малых значений концентрации и длины поглощения, когда не достигается полное поглощение излучения накачки даже в центре линии, вклад магнитного поля в увеличение эффективности поглощения будет очень мал. Данный вклад будет расти по мере увеличения концентрации атомарного йода и длины поглощения. Оценим параметры соленоида, необходимого для получения магнитного поля с индукцией 450 Гс. Как известно, магнитное поле соленоида выражается Спектральная интенсивность излучения накачки при различных значениях индукции внешнего магнитного поля формулой = 0, где – плотность витков, – сила тока. Для получения индукции магнитного поля в 0,045 Тл при токе в 10 А будет необходима плотность в 3600 м-1, что соответствует намотке примерно в 4 слоя проводом с поперечным сечением порядка 1 мм2.

Образование синглетного кислорода и диссоциация йода согласно описанной в данной разделе схеме, была подтверждена экспериментально. Для облучения смеси O2–I2 использовалась фотохимическая ячейка (ФЯ), показанная на рисунках 3.9, 3.10. Внутренняя полость имела диаметр 6 мм, длину 14 мм. Для ввода и вывода излучения ФЯ снабжена оптическими окнами. Внутренние стенки ФЯ были изготовлены из фторопласта. Для частичной диссоциации молекул йода использовалось излучение второй гармоники (534 нм) YAG лазера с диодной накачкой. Луч YAG лазера диаметром 2 мм и мощностью 60 мВт вводился в ФЯ через одно из торцевых окон и проходил вдоль оси ФЯ. В качестве источника ИК-излучения с длиной волны 1315 нм использовался химический кислородно-йодный лазер (рисунок 3.11). Луч ИК-излучения диаметром 12 мм обладающий мощностью около 30 Вт фокусировался внутри ячейки через противоположное торцевое окно при помощи линзы с фокусным расстоянием = 75 мм (линза на рисунке не показана). При этом перетяжка луча ИК-излучения в центре ФЯ имела диаметр примерно 1 мм и находилась в области луча YAG лазера. Баллонный кислород (99,999%) или баллонный азот (99,999%) при давлении в 17 тор пропускался через стеклянную трубку, наполненную кристаллами йода при комнатной температуре и при таком же давлении полученная смесь вводилась в ФЯ. Люминесценция в ФЯ, вызванная действием этих излучений, регистрировалась спектрометром Avantes-2048 (Avantes, Голландия) в диапазоне длин волн 450–920 нм. Спектрометр был откалиброван на абсолютную спектральную чувствительность. Регистрация спектра в реальном масштабе времени осуществлялась непрерывно со временем экспозиции 1 с и выводом спектра на монитор компьютера.

Сначала газ в ФЯ облучался только излучением YAG лазера с длиной волны 532 нм. Из-за дрейфа температуры активного элемента лазера его длина волны в некоторые моменты времени совпадает с длиной волны отдельной линии Щ, J2 — v\yJ\ колебательно-вращательной полосы перехода Xі — В3Пи молекулы йода. Это приводит к возбуждению молекулы йода и к лазерно-инду-цированной люминесценции (ЛИФ). Спектр ЛИФ представлен на рисунке 3.12. Спектр и интенсивность ЛИФ были практически одинаковы для смеси O2-I2 и N2-I2. Пик около 532 нм появляется из-за рассеяния излучения YAG-лазера на оптических окнах и стенках ФЯ. Широкий спектр ЛИФ объясняется столкно-вительным перераспределением энергии состояния (B3IIu,z/i,Ji) по другим колебательно-вращательным состояниям уровня В3Пи. При облучении газа только излучением с длиной волны 1315 нм никакой ЛИФ в видимой области не наблюдалось.