Экспериментальное исследование распределения молекул О2 по колебательным уровням в O2(а1δg)-i среде Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.373

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЛЕКУЛ 02 ПО КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ УРОВНЯМ В 02(а1А§)-1 СРЕДЕ

© 2003 В.Н. Азязов, И.О. Антонов, М.И. Свистун, Н.И. Уфимцев

Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

Впервые экспериментально обнаружен колебательно-возбужденный кислород в активной среде химического кислородно-йодного лазера (ХКЛ). Показано, что в ходе быстрого ЕЕ-обмена энергией колебательное возбуждение практически равномерно распределяется между молекулами кислорода, находящимися в электронных состояниях X3!-, а'д^ и Ь1! +. Экспериментально показано, что средний запас колебательных квантов молекул кислорода в активной среде ХКЛ превышает 30%. Изучены зависимости пороговой доли синглетного кислорода и коэффициента усиления от доли колебательно-возбужденного кислорода в среде.

Введение

Создание химического кислородно-йодного лазера (ХКЛ) явилось важным достижением лазерной физики. Длина волны его излучения ^=1,315 мкм попадает в область малых потерь кварцевых волоконных световодов. Возможность транспортирования излучения позволяет использовать его в безлюдных гибких технологических процессах. ХКЛ может быть использован в автоматическом лазерно-технологическом комплексе в промышленности, при ремонте и демонтаже отслуживших свой срок атомных реакторов, при проведении спасательных работ в зоне стихийных бедствий и т. д.

Дезактивация электронной энергии в активной среде химического кислородно-йодного лазера (ХКЛ) приводит к образованию колебательно-возбужденных молекул 02, Н20, 12 в следующих процессах:

07(а)+07(а)^07(Ь,у)+02(ХУ),

(1)

(2)

(3)

02(а)+Ґ^02(М+І, 02(й)+Ы20^02(а,у)+Н20(у/).

Здесь и далее 02(Х), 02(а), 02(Ь) - молекула кислорода в электронных состояниях

Х3Х-, а1А Ь1Ъ+; І, I* - атом иода в состояниях 2р3/2 и 2р1/2; ЦХХ ЦАХ І2(В) -

молекула иода в состояниях X1 X +, А'ъ П

2и ;

А3П 1и, В3 П + . В реакции пулинга (1) обра-

0и

зуется колебательно-возбуждённый кислород 02(Ь,у) с вероятностями выхода 0,32 для у=0; 0,04 для у=1; 0,64 для у=2 [1]. Распределение дефекта энергии между продуктами реакции пулинга (2) неизвестно. Вероятность образования колебательно-возбужденной Н20(001) в реакции (3) равна 0,1 [2]. Расчеты показывают, что большая часть выделяющейся энергии в реакциях (1-3) поступает в колебательные степени свободы продуктов [3].

Колебательно-возбужденный кислород может играть важную роль в процессах формирования активной среды ХКЛ, особенно при диссоциации 12. В [4, 5] было выдвинуто предположение, что электронно-возбужденные состояния иода 12(А) и 12(А') являются промежуточными в процессе диссоциации иода. Они заселяются при столкновениях с колебательно-возбужденным синглетным кислородом в процессах:

О2(а,у=1) + ЦХ)^О2(Х) + ЦА'), (4)

О2(а,у=2) + ЦХ)^О2(Х) + 12(А). (5)

Колебательно-возбужденный 02(а) может также напрямую влиять на величину пороговой доли синглетного кислорода и коэффициента усиления активной среды лазера, участвуя в реакции инвертирования лазерного перехода атома иода 1^1*. Принятая величина пороговой доли рассчитывалась без учета

влияния колебательно-возбужденного кислорода и может быть существенно уточнена. Это позволит внести коррективы в теоретическую модель ХКЛ.

Регистрация колебательно-возбужденного кислорода представляет собой сложную проблему из-за отсутствия у молекулы 02 собственного дипольного момента [6]. В активной среде ХКЛ происходит возбуждение электронных и колебательных состояний частиц. Их эмиссионные спектры несут богатую информацию о скоростях протекающих процессов и о количественном содержании возбужденных частиц. В [7] эмиссионным методом измерена доля колебательно-возбужденного кислорода на выходе химического генератора синглетного кислорода. Сравнение интенсивностей полос излучения димоля кислорода на длинах волн ^=579 и 634 нм показало, что доля кислорода на первом колебательном уровне существенно неравновесна и составляет 2%. Методика, использованная в [7], неприменима для регистрации колебательновозбужденного 02 в активной среде ХКЛ, так как люминесценция иода на переходе 12(В)^12(Х) перекрывает полосы излучения димоля кислорода.

Расчеты показывают, что средний запас колебательных квантов в активной среде ХКЛ может достигать нескольких десятков процентов [7]. Экспериментального подтверждения этому факту получено не было. В данной работе исследуются спектры люминесценции кислорода на переходах

02(Ь,у=0)^02(Х,у=0)+^У6 (6)

02(Ь,у=1)^02(Х,у=1)+^7 (7)

02(Ь,у=2)^02(Х,у=2)+^8 (8)

с целью обнаружения и количественного определения колебательно-возбужденного кислорода в активной среде ХКЛ.

Эксперимент

Регистрация спектров люминесценции полос излучения (6-8) проводилась на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис.1. Наработка электронно-возбужденных молекул 02(а) осуществлялась в

химическом струйном генераторе синглетно-го кислорода, который подробно описан в работе [7], хлорированием щелочного раствора Н202. Щелочной раствор перекиси водорода приготовлялся в баке 2 из 1,2 л Н202 (37% вес.) и 0,8 л раствора К0Н (14,5 моль/ л). Температура раствора поддерживалась равной -15°С. Скорость струй в реакторе составляла 5 м/с. Скорость газа в реакционной зоне регулировалась щелевым краном 5, установленным на выходе генератора.

Непосредственно к блоку генератора пристыковывалась измерительная ячейка (рис.1б), изготовленная из органического стекла. Ширина газового тракта 10 измерительной ячейки 5 см, высота 1,5 см. На расстоянии 16 см от щелевого крана 5 располагались сопла 9 для ввода иодного потока. Высота каждого сопла 1,5 см, ширина 2,5 мм, длина по потоку 1.0 см, толщина медных стенок сопла 0,15 мм. Внешние поверхности сопел покрывались тонким слоем ПММА, растворенного в хлороформе. Всего сопел было девять, расстояние между боковыми поверхностями соседних сопел равнялось 2,5 мм. Расстояние от среза соплового блока до щелевого крана 6, регулирующего скорость газа в измерительной ячейке составляло 24 см.

Сечение газового тракта, не занятое соплами, служило для формирования плоских параллельных кислородных струй. Таким образом, за сопловым блоком формировались чередующиеся иодные и кислородные струи с одинаковыми поперечными сечениями 2,5x15 мм. Во избежание конденсации йода на стенках соплового блока его температура поддерживалась равной 40°С.

Излучение газовой среды проходило через стенку измерительной ячейки 8, попадало на конец световода 13 и транспортировалось по нему к входной щели монохроматора 14. Световой поток на выходе монохроматора регистрировался фотоумножителем 15. Электрический сигнал с выхода фотоумножителя усиливался с помощью прецизионного усилителя 16, полоса пропускания которого устанавливалась равной 0-10 Гц.

В качестве несущего газа для паров иода

б)

Рис.1. Схема экспериментальной установки. а) - общий вид, б) - вид сверху. 1 - приемный бак,

2 - питающий бак, 3 - реакционная зона генератора, 4 инжектор раствора, 5, 6 - щелевые краны,

7 - генератор синглетного кислорода, 8 - стенки измерительной ячейки, 9 - сопла для ввода иодного потока, 10 - газовый тракт измерительной ячейки, 11 - подвижная платформа, 12 - направляющая подвижной платформы, 13 - световолокно, 14 - монохроматор, 15 - фотоумножитель ФЭУ-69б,

16 - усилитель У7-1, 17 - РС со встроенной платой АЦП

использовался азот. Парогенератор газообразного иода и система измерения его расхода аналогичны описанным в работе [8]. Для сбора и обработки информации использовался персональный компьютер 17 со встроенной платой аналого-цифрового преобразователя. Система сканирования монохроматора вырабатывала электрические импульсы, которые также поступали в компьютер и служили реперами при калибровке спектров по длинам волн. Скорость сканирования спектров 80 нм/ мин. Длительность пусков определялась запасом раствора в питающем баке 2 и составляла примерно 40 сек.

Во всех проведенных экспериментах

расходы хлора ОС12 и несущего пары 12 буферного газа были одинаковыми: 0С1 = Он =2,5

ммоль/с. В связи с этим скорости кислородных и иодных газовых струй за сопловой решеткой можно считать приблизительно равными. Средняя расчетная скорость газа в измерительной ячейке за сопловой решеткой равнялась примерно 40 м/с. Доля 02(а) на выходе генератора синглетного кислорода

составляла Па=[ ]/[ N02 ] « 60±10 %, а сте-

пень утилизации С12 в генераторе превышала 95 %. (Иа, Ис^2 - концентрации 02(а) и кислорода во всех электронных состояниях).

Результаты и их обсуждение

Исследовалась газовая смесь, близкая по составу к активной среде ХКЛ. Измерения показали, что спектр её излучения в области длин волн Х=480^820 нм представлен в основном широкополосным излучением молекулярного йода с максимумом интенсивности при Х=580 нм. Его излучение перекрывает ряд полос люминесценции кислорода. В области длин волн Х=750^800 нм интенсивность излучения йода слабее интенсивности излучения кислорода на переходах (6-8). На рис.2 представлены значения интенсивности сигналов I регистрирующей аппаратуры в интервале значений длин волн X = 757^785 нм для двух значений начальной доли молекулярного иода <?І2 = Оі2 / ОСІ2 : для верхней

кривой <?І2 = 0,83 %, для нижней кривой <?І2 =

0,31 % (0І2 - расход І2) при давлениях газа в генераторе синглетного кислорода Рг ~ 35 мм

760 765 770 775 780 785 Ъ нм

Рис.2. Интенсивность излучения I в относительных

единицах в зависимости от длины волны X при следующих условиях: М2:02:Н20=100:100:4,

Р ~ 35 мм рт. ст., Р =3 мм рт. ст., ^ = 5 см,

г ~ ’ я ~ ’с ’

доля йода П12 = 0,83 % для верхней кривой и ^12 = 0,31 % для нижней кривой.

/Ч(Ы-Х/), Р(Ь1-Х1) - контуры Я и Р полос излучения молекулы кислорода О2(Ь, v=/)^02(X, у,=/)+ ^v, где / - номер колебательного уровня

рт. ст., в измерительной ячейке Ря - 3 мм рт. ст., на расстоянии Ьс =5 см от среза соплового блока вдоль по потоку. На рисунке символами Я(Ы-Х1) и Р(Ы-Хг) обозначены контуры Я и Р вращательных ветвей для трех электронно-колебательно-вращательных переходов (6-8) молекулы О2 (г - номер колебательного уровня). Регистрация спектров излучения производилась с разрешением по длинам волн 0,5 нм.

Полоса излучения с центром при Х=762 нм принадлежит переходу (6), и ее интенсивность намного превосходит интенсивность переходов с центрами при Х=771 нм (процесс

(7)) и Х=780 нм (процесс (8)). Для перехода

(8) интенсивность излучения в Р-ветви сравнима с шумами регистрирующей аппаратуры. На контур перехода Р(Ь1-Х1) накладывается дополнительная полоса излучения с центром при X- 774 нм. Интенсивность этой полосы возрастает с увеличением начальной доли

молекулярного иода д12 . Полосы излучения

переходов (6-8) в Я-ветвях отчетливо видны и не перекрываются другими полосами излучения.

Интенсивность излучения Ьг-Хг-ой поло-

сы 1Ы-Хі пропорциональна произведению отдііКЬі [1], где от - волновое число т-го

перехода, - концентрация кислорода

02(Ь,у=і), д.. - фактор Франка-Кондона. Найдем отношение концентраций колебательновозбужденных молекул на первом МЪ1 и

втором МЬ2 колебательных уровнях к концентрации на нулевом уровне ЫЪ0:

Nb1 О бІя (м-хі)доо

Пы = N _ ~~3 ~;

Я Ь0 О 7ІК (ьо-хо )д1 1 ’

Nb2 О б1 я (ь 2 - X 2 )д0, 0

п Ь2 = N _ 3 ~,

ь 0 О 8ІЯ (Ь0 - Х0 )д2,2

где І я(Ьі-Хі) - значение интенсивности сигнала Я - ветви для у=і. Значения

о Збд00 0 =2,103-1012, о 3д1і 1 =1,729-1012 и

о 33д2 2 =1,373-1012 взяты из [9].

На рис.3 представлены экспериментальные зависимости относительной населенности 02(Ь) на 1-ом дЪ1 и на 2-ом колебательном уровне дЪ2 от начального относительного содержания молекулярного иода дІ2 на

расстоянии 5 см от среза соплового блока вдоль по потоку при давлениях газа в генераторе синглетного кислорода Р г~ 35 мм рт. ст., в измерительной ячейке Ря~ 3 мм рт. ст. Результаты наших экспериментов показывают, что максимальная доля колебательно-возбужденных молекул 02(Ъ) составила 22 % и 10 % соответственно для первого и второго колебательных уровней при содержании иода в кислородном потоке около 1 %. Дальнейшее увеличение пі2 приводит к незначительному падению дЪ1 и дЬ2.

Скорость реакции (2) намного выше скорости реакции (1). Поэтому заселение коле -бательных уровней 02(Ъ) происходит в основном в реакции (2). Разница в энергиях элект-

Рис.3. Относительная населенность электронновозбужденного кислорода О2(Ь) на первом пЬ1 (■) и на втором пЬ2 (^) колебательных уровнях в зависимости от относительного начального содержания 12 в кислороде при Рг~ 35 мм рт. ст., Р =3 мм рт. ст., ^ =5 см

я 1 1 с

ронного возбуждения между начальным и конечным продуктами процесса (2) составляет 2364 см-1. Распределение выделяющейся энергии по продуктам реакции неизвестно. Будем предполагать, что вероятности образования 02(Ъ) с у=0, 1 и 2 равны аЬ0, аЬ1 и

аЬ2 соответственно. Перераспределение колебательных квантов энергии между молекулами кислорода 02(а), 02(Ь) и 02(Х) наиболее эффективно осуществляется в ходе следующих ЕЕ-энергообменных процессов:

02(Ь,у=1)+02(а,у//=0)о02(а,у=1)+02(Ь,у"=0)

- 79 см-1 (9)

02(Ь,у=1)+02(Х,у"=0)о02(Х,у=1)+02(Ь,у"=0)

- 151 см-1 (10)

02(Ь,у=2)+02(а,у//=0)о02(а,у=2)+02(Ь,у"=0)

- 159 см-1 (11)

0?(Ь,у=2)+0?(Х,у"=0)о0?(Х,у=2)+0?(Ь,у"=0)

22

- 307 см-1

(12)

02(а,у=1)+02(Х,у//=0)о02(Х,у=1)+02(а,у"=0)

- 72 см-1 (13)

09(а,у=2)+09(Х,у//=0)о09(Х,у=2)+09(а,у"=0)

22

- 148 см-1

(14)

В [10, 11] измерены константы скорости ЕЕ-обмена 02(Ь, у=1,2) с молекулами 02(Х)

(процессы (10) и (12)). Они нашли, что К10=1,52 10-11>К12=2,7 10-12 см3/с и связывают это с более высоким значением дефекта энергии в процессе (12).

Отличительной особенностью кислородной среды является низкая скорость УУ и УТ-релаксации на компонентах активной среды ХКЛ - 02 , К2, Н20. Убыль колебательных квантов энергии из колебательного резервуара кислорода осуществляется преимущественно в ходе УУ-обмена с молекулами воды Н20 [7]:

02(у)+Н20(000)о02(у-1)+Н20(010).

В эксперименте были обнаружены высокие концентрации колебательно-возбужденного кислорода 02(Ь, у=1 и 2). Заселение этих состояний осуществляется по двум каналам. Первый канал - это возбуждение данных состояний в реакции пулинга (2). Второй канал - обмен колебательными квантами энергии в ходе ЕЕ-процессов (9-12). Вклад второго канала тем выше, чем выше средний запас колебательных квантов у молекул кислорода.

Квазистационарные концентрации ко -лебательно-возбужденных молекул кислорода 02(а), 02(Ь) и 02(Х) определяются в основном протеканием быстрых ЕЕ энергообменных процессов (9-12). В этих условиях доли колебательно-возбужденного 02( Ь) с у=1

ПЬ1 = Ыы/МЬ0 и с у=2 Пь2 = МЬ2/МЬ0 могут быть определены с хорошей точностью из следующих уравнений:

7 ыкзЛм>

д>і

+ ехр(114/Т)

дЬ2

+ ехр(229/Т)

К+ п а0 (1 + в Я)

' 1 + в 1Яехр(- 104/Т ) _ 1 + в Я ,

= 7 Ь2КзЛ»' +

К+1 па0 (1 + в2Я)

1 + в2Яехр(- 213/Т)

да1 (15)

1 + в 2*

где 02 ; Па0 = Ма0/Мо2 ';

да2 (16)

ПXG NXGIN02 ; ^al Nal INaG ; na2 = Na21NaG ; R= NXG INa0 ;

-к;

в2 к 12

/к

/к- = к+/к

+;

9

Первые слагаемые в уравнениях (15) и (16) определяют долю колебательно-возбужденного O2(b), обусловленную возбуждением в реакции пулинга (2). Вторые слагаемые определяют долю O2(b, v=1,2), обусловленную перераспределением колебательных квантов энергии между молекулами O2(a), O2(b) и O2(X) в ходе быстрых EE-обменных процессов (9-14). Константы скоростей EE-обмена между молекулами O2(b) и O2(a) в процессах (9) и (11) не известны. Но дефект энергии в процессе (9) меньше, чем в аналогичном процессе (10). То же справедливо для процессов (11) и (12). Тенденция к увеличению скорости с уменьшением дефекта энергии реакции EE-обмена, отмеченная в [10, 11], указывает, что K1(/Kg<1 и K12/K1 <1. Дефект энергии в процессах (10) и (11) практически одинаков: 151 и 159 см-1. Можно предположить, что K+ - K+.

Проанализируем полученные уравнения (15) и (16). В условиях проведенных экспериментов дЬ1 -0,22; дЬ2 -0,1; gw -0,04;

ga0 -0,5; .К-1; Г-400 К. В этих условиях вклад первых слагаемых < 0,01, даже при Ты = Уъ2 = 1. Значения выражений в квадратных скобках во вторых слагаемых в (15) и (16) близки к единице. С учетом вышесказанного можно написать следующие приближенные соотношения:

дъ1 - ga1 eXP(114IT) и дъ2 - ga2 ехр{22д/т)

Отсюда доли колебательно-возбужденного синглетного кислорода составляют

ga1 -17 % и па2 -6 %. Средний запас колебательных квантов в исследуемой нами кислородно-йодной среде nv = X пПп - 30 % (Пп -

п

доля колебательно-возбужденного О2 на п-ом

колебательном уровне, п=1, 2, 3 ...). Расчеты

С целью определения влияния колебательно-возбужденного синглетного кислорода на работу ХКЛ был проведен расчет пороговой доли ЦДДН, т.е. доли молекул синглетного кислорода 02(а), при которой коэффициент усиления равен нулю. Общепринятое значение этой величины около15% при Т=300 К. На практике это означает, что активная среда ХКЛ начнет усиливать, когда доля молекул сиглетного кислорода превысит 15%.

Колебательно-возбужденные молекулы синглетного кислорода 02(а,у=1) и 02(а,у=2) наряду с 02(а,у=0) будут участвовать в инвертировании лазерного перехода в ХКЛ в процессах

02(а,у=0)+1^ 02(Х,у=0)+1* +279 см-1, (17)

02(а,у=1) +1^ 02(Х,у=1)+1* +207 см-1, (18)

02(а,у=2) +1^ 02(Х,у=2)+1* +131 см-1. (19)

Константы скорости реакций (18) и (19) неизвестны. С ростом номера колебательного уровня уменьшаются значения дефектов энергии и констант равновесия в процессах (17-19). Спин-орбитальный переход атома иода будет инвертирован в каждом из процессов (17-19), если соответствующие пороговые доли синглетного кислорода будут: для (17) - 15 %; для (18) - 20 %; для (19) - 26 %. В данной работе показано, что концентрация молекул колебательно-возбужденного 02(а) на первом и втором уровнях существенна. Суммарная пороговая доля 02(а) должна быть выше общепринятого значения.

Коэффициент усиления активной среды ХКЛ g рассчитывается по формуле

7

g= О

12

N * — NI

7

24

oN,

-l),

где о - поперечное сечение индуцированного излучения N * , ЯІ - концентрация атомарного йода I*, I соответственно, NІ - суммарная концентрация атомов йода, П* = N * ІЯІо . Для квазистационарных условий при условии g=0 были получены

О

формулы для расчета пороговой доли синглет-ного кислорода на нулевом, первом и втором колебательных уровнях:

Паї

П1П a0

Kp13(40 - na0) + na0

(2G)

П2 П a0

Kp14(n0

-----, (21)

Va0) + 4a0

th = П G 2Y 1Kp18 Лі

= 2Kp17 +1

+

+

71(Л1 -Л a1) - 2Y2Kp19 +72(Л2 - Л a2)

2 p19

2Kp17 +1

(22)

В этом выражении yl= K18/K17 ,

Y2= K191K17, Kp. - константа равновесия i-ого

th

процесса, цА0 - пороговая доля синглетного кислорода на нулевом колебательном уровне.

На рис.4 представлены рассчитанные из уравнений (2G-22) суммарные пороговые доли синглетного кислорода в зависимости от концентрации колебательно-возбужденного кислорода. Отношение П1 к П2 приняли равным 7/3. Как видно из рисунка, значения пороговой доли увеличиваются с ростом доли колебательно-возбужденных молекул О2. От значений у1 и у2, т.е. отношений неизвестных констант K18 и K19 к известной K17, пороговая доля зависит очень слабо. На рис.5 представлены зависимости коэффициента усиления от доли колебательно-возбужденного кислорода во всех электронных состояниях. Содержание колебательно-возбужденного кислорода в активной среде XO слабо влияет на значение коэффициента усиления среды.

Заключение

Эмиссионная методика позволяет обнаруживать колебательно-возбужденный кислород и определять его количественное содержание в активной среде ХКЛ. Полосы излучения электронно-колебательно-вращательных переходов молекулы кислорода (6-8) попадают в область длин волн видимого диапазона, где интенсивность излучения молекулярного иода на переходе ЦВ^ЦХ) минимальна. В области реакционной зоны за сопловым блоком на расстоянии по потоку несколько сантиметров, где

Рис.4. Суммарная пороговая доля синглетного кислорода в зависимости от относительного содержания колебательно-возбужденного кислорода в смеси для трех значений температуры среды при п1:п2=7:3

еще высока концентрация 1^ интенсивность излучения на переходе ЦВ^СХ) одного порядка с интенсивностью излучения полос (7-8). Это обстоятельство не позволило провести измерения в области диссоциации 1^ В 02(а)-1 среде, близкой по составу к активной среде ХКЛ, относительное содержание колебательно-возбужденных молекул 02(Ь) достигало в экспериментах пЬ1 -22 % для первого колебательного уровня и цЬ2 -10 % для второго. Максимальное содержание 02(Ь,у) было зафиксировано при относительном начальном содержании 12 в кислороде около1 %. Относительное содержание колебательно-возбужденного кислорода слабо падает вдоль координаты по потоку.

Возбуждение колебательных уровней 02 осуществляется в процессах (2) и (3). Из-за быстрого

Рис.5. Расчетные значения отнормированного коэффициента усиления & = 24&/^1о) в зависимости от относительного содержания колебательно-возбужденного кислорода в смеси для трех значений па при ПгП2= 7:3

EE-обмена энергией в процессах (9-14) степень колебательного возбуждения молекул кислорода O2(X), O2(a) и O2(b) практически одинакова. Используя измеренные экспериментально относительные населенности O2(b) - цъ1 и цъ2 из уравнений (15) и (16) можно найти относительные населенности синглетного кислорода на v=1 и v=2. Для состава среды N2:O2:I2:H2O=100:100:1:4, парциального давления кислорода около 1,5 мм рт. ст. и Т-400К максимальные относительные населенности синглетного кислорода составили для первого уровня примерно 17%, а для второго примерно 6%.

Таким образом, впервые на основе эмиссионной методики экспериментально показано, что средний запас колебательных квантов молекул кислорода в активной среде ХКЛ достигает 30 %. Этот факт является еще одним аргументом в пользу модели диссоциации I2, в которой колебательно-возбужденный кислород участвует в заселении промежуточных электронновозбужденных состояний иода I2(A') и I2(A).

В теоретические модели ХКЛ необходимо включать процессы с участием колебательно-возбужденных молекул O2. Реакции (4) и (5) могут играть важную роль в процессе диссоциации I2. Расчеты показывают, что пороговая доля синглетного кислорода оказывается на несколько процентов выше общепринятого значения, если учитывать влияние колебательновозбужденного кислорода. Коэффициент усиления активной среды ХКЛ слабо уменьшается с ростом концентрации O2(a, v). К сожалению, в процессах (2) и (3) неизвестно распределение выделяющейся энергии между продуктами реакции. Неизвестны и значения констант скоростей процессов (4, 5, 9, 11, 18 и 19). Эти причины усложняют теоретическое моделирование кинетических процессов в ХКЛ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Schurath U. The energy pooling reaction 2

О 2('A ) —— О2(3Х)+О2('Х); Formation,

Relaxation, and Quenching of vibrationally excited 02('A) // J.Photochem. 1975. V.4.

2. ThomasR.G.0., ThushB.A. Energy transfer in the quenching of singlet molecular oxygen. II. The rates offormation and quenching ofvibrationally excited molecules // Proc. R. Soc. Lond. 1977. V356.

3. ThomasR.G.0., ThrushB.A. Energy transfer in the quenching ofsinglet molecular oxygen. II. Application of statistical theory //Proc. R Soc. Lond. 1977. V356.

4. АзязовВ.Н., ИгошинВ.И., КуприяновН.Л. Колебательная заселенность кислорода и модель диссоциации I2 в кислородно-иодном лазере // Краткие сообщения по физике. 1992. №1, 2.

5. Азязов В.Н., Пичугин СЮ., Сафонов В. С., Уфимцев Н.И. Распределение молекул O2 по колебательным уровням на выходе генератора синглетного кислорода // Квантовая электроника, 2001. Т. 31.

6. Бирюков А.С., Щеглов В.А. К кинетике процессов в кислородно-иодном лазере // Квантовая электроника, 1986. Т. 13.

7. АзязовВ.Н., СафоновВ.С., УфимцевН.И. Диссоциация I2 и колебательная кинетика в кислородно-иодном лазере // Квантовая электроника. 2000. Т.30.

8. Азязов В.Н., Сафонов В.С., Уфимцев Н.И. Эффективная генерация химического кислород-но-иодного лазера с малым расходом буферного газа // Квантовая электроника. 2002. Т.32.

9. Krupenie P.H. The spectrum of molecular oxygen//J. Phys. Chem. Ref. Data. 1972. V. 1.

10. BloeminkH.I., CopelandR.A., Slanger T.G. Collisional removal of O2(b'SS+g, v=1,2) by O2, N2, and CO2 // J.Chem.Phys. 1998. V. 109.

11. Kalogerakis K.S., Copeland R.A., Slanger

T.G. Collisoional removal of O2(b'X+ ,v=2,3) // J.Chem.Phys. 2002. V.116. 8

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF O2 MOLECULES DISTRIBUTION OVER VIBRATIONAL LEVELS IN O2(a1AG)-I MEDIUM

© 2003 V.N.Azyazov, I.O.Antonov, , M.I.Svistun, N.I.Ufimtsev

Samara Branch of Physical Institute named for P.N.Lebedev of Russian Academy of Sciences

Vibrationally excited oxygen in active medium of chemical oxygen-iodine laser (COIL) using emission method was detected for the first time. It is shown that because of fast EE-exchange of energy the mean number of vibrational quanta per one molecule in each of a component O2( X3Og), O2( a'A g) and O2( b ‘X+) is approximately equal and exceeds 30 % in active medium of COIL. Dependencies of the threshold singlet oxygen yield and gain coefficient on the relative population of vibrationally excited oxygen are studied.