Ю. И. Анисимов, А. Ч. Машек, К. Е. Метельский, Е. Л. Рябчиков
ИМПУЛЬСНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ПАРОВ МЕТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД
Задача импульсного получения «чистых» паров металлов большой концентрации до сих пор актуальна в различных областях лазерной физики. Например, развитие газовых лазеров на парах химических элементов связано с поиском путей создания высоких концентраций атомов рабочего вещества в разрядной трубке, поскольку удельный энергосъём таких лазеров, как правило, пропорционален этой концентрации вплоть до весьма высоких значений [1]. Кроме того, при изучении различных оптических нелинейных явлений часто необходимы резонансные среды с высокой концентрацией атомов металлов [2].
Одна из возможностей импульсного получения паров (ИПП) заключается в диссоциации сравнительно легколетучих соединений в плазме электрического разряда с образованием свободных атомов металлов. О широком распространении диссоциативной модификации говорит хотя бы тот факт, что в настоящее время получили широкое распространение лазеры на парах галогенидов меди. В этих лазерах атомы меди поступают в плазму разряда за счёт диссоциации молекул галогенидов в электрическом разряде [3]. Применение этой модификации в лазерах на парах меди позволило существенно снизить температуру газоразрядной трубки (ГРТ) и почти вдвое повысить эффективность этих лазеров за счёт небольших добавок молекулярного водорода в плазму разряда [3]. Главным же недостатком диссоциативной модификации является наличие в ГРТ легколетучих химических соединений, которые ограничивают срок службы кюветы и не обеспечивают необходимую «чистоту» паров металлов.
Другая возможность достижения высоких нестационарных концентраций паров заключается в явлении срыва атомов металла со стенки разрядной трубки при взаимодействии плазмы импульсного разряда с металлическим слоем, предварительно нанесённым на стенку. Нанесение металлического покрытия на внутреннюю стенку трубки осуществляется либо методом термического испарения в вакууме легкоиспаряющихся металлов, либо с помощью диссоциации легколетучих химических соединений трудно-испаримых металлов. Срывная модификация ИПП металлов является наиболее подходящей для создания резонансных сред, необходимых при изучении различных оптических нелинейных эффектов, возникающих в атомной системе под действием сильного поля. Эта модификация позволяет создать долгоживущие ГРТ с импульсным получением высоких концентраций «чистых» паров металлов.
В работе [4] предложено создавать пары металла за счёт взаимодействия электрического разряда с порошком металлосодержащего вещества, предварительно насыпанного на дно трубки. Несмотря на относительную простоту данной модификации, в ней трудно получить высокую концентрацию «чистых» паров металлов.
В работах [1,5] предложено для ИПП использовать электрический разряд во взвеси мелких частиц металлосодержащего вещества в объёме трубки. Электрический разряд должен приводить к полному или частичному испарению частиц взвеси и получению паров атомов металлов. Несмотря на экспериментальную реализацию этих идей [1, 5], данная модификация не нашла широкого применения. Это, в основном, связано
© Ю. И. Анисимов, А. Ч. Машек, К. Е. Метельский, Е. Л. Рябчиков, 2010
с трудностями создания необходимой взвеси металлосодержащего порошка в объёме ГРТ. Такая модификация ИПП называется в работе [4] пылевой.
Здесь предлагается новая модификация ИПП, в том числе и трудноиспаримых металлов, которая является развитием упоминаемых пылевой и срывной методик. Для создания объёмной взвеси частиц металлов в ГРТ в нашей работе используются электродинамические дисперсные (ЭДД) среды [6, 7]. Использование динамических взвесей частиц, полученных с помощью электрического поля, представляется весьма перспективным. Электрический способ создания дисперсной среды позволяет управлять концентрацией частиц, он относительно прост и удобен в реализации. В работе была создана оригинальная конструкция, позволившая в ЭДД среде внутри трубки получить электрический разряд, испаряющий частицы взвеси [8]. В эксперименте использовались частицы меди, алюминия, вольфрама со средним диаметром 20 мкм. Испарение ЭДД среды частиц металла электрическим разрядом является развитием пылевой модификации и позволяет получить, по нашим оценкам, очень высокую концентрацию паров металла вплоть до 1018 см~3. Аналогичные значения получались при электрическом взрыве медных проволочек [9]. Новая модификация ИПП реализуется в моноимпульс-ном режиме. Электрический разряд в ГРТ полностью испаряет ЭДД взвесь частиц, на внутренней поверхности трубки создаётся металлическое напыление толщиной порядка 1 мкм. Дальнейшее использование «напылённой» трубки является, по сути, развитием срывной модификации ИПП.
В электродинамической среде частиц металлов, получаемой внутри разрядной трубки, создавался диффузный протяжённый электрический импульсный разряд. Энергия электрического разряда приводила к полному испарению частиц взвеси и созданию металлического напыления на внутренней поверхности разрядной трубки. Эффективность испарения связана с большой общей площадью поверхности частиц электродинамической взвеси. При одной и той же массовой засыпке частиц металла в трубку площадь поверхности частиц обратно пропорциональна их среднему размеру, т. е. при уменьшении среднего размера частиц эффективность их испарения электрическим разрядом увеличивалась, но при этом возникали трудности при создании однородной электродинамической среды, так как возрастали силы сцепления между частицами. Однородность ЭДД среды зависела также от качества подготовки частиц металла перед засыпкой в разрядную трубку. Экспериментально были получены однородные металлические плёнки Си, А1, W внутри (й = 6 + 8 мм) кварцевых трубок длиной 30 см при используемой максимальной энергии разрядной батареи 1,2 кДж.
Попытаемся сравнить эффективность известных модификаций ИПП металлов с предложенными в работе способами создания паров металлов в ГРТ. В качестве критерия сравнения рассмотрим данные модификации с точки зрения количества энергии, необходимой для образования одного атома металла. При этом, конечно, эффективность нашего способа создания паров металлов при испарении электрическим разрядом металлического покрытия внутри трубки эквивалентна эффективности срывной модификации.
В работах [4, 10-12, 14] рассматриваются как диссоциативная, так и срывная модификации ИПП. Некоторые данные из этих работ сведены в табл. 1.
Из неё видно, что диссоциативная модификация (на примере вольфрама) почти на два порядка эффективнее срывной в смысле энергии, затрачиваемой на образование одного атома металла. Кроме того, диссоциативная методика позволяет получать большие концентрации паров тугоплавких металлов вплоть до 1015 см~3. Сравним эту модификацию с результатами нашей работы (табл. 2) по полному испарению ЭДД
Сравнение срывной и пылевой модификаций
Вещество Достигнутая _Ч концентрация, см Количество вложенной энергии, эВ/ат
срыв диссоциация
А1 3 • ю13 7-Ю4 -
Си(ГТОз)2(П) 1,9 • 1014 - 12 • 104
\¥С16 5 • 1014 - 6 • ю2
\¥(СО)6 7 • 1014 - 1,2 • 102
7,5 • 1013 1 • ю4 -
СиС1 3 • 101Б - 8,7 - 103
Таблица 2
Энергетические характеристики
Вещество Концентрация атомов в ГРТ, см~3 Количество вложенной энергии, эВ/ат Количество требуемой энергии, эВ/ат
А1 5,8- 1019 10 3,9
Си 2,6 • 1019 19 4,2
0,8- 1019 90 11
взвеси частиц металла с помощью моноимпульсного диффузного электрического разряда в кювете. Все численные значения получены из расчёта массовой засыпки частиц металла в ГРТ 40 мг и полного их испарения.
Сравнивая результаты двух таблиц, приходим к выводу, что модификация испарения ЭДД взвеси электрическим разрядом, предлагаемая в данной работе, позволяет получать большие концентрации паров металлов при меньших затратах энергии в расчёте на один атом. Выигрыш в увеличении концентрации и уменьшении энергозатрат на образование одного атома металла составляет несколько порядков. В развитие нашей модификации необходимо от оценочных значений концентрации паров металлов перейти к измерениям получающихся величин, например, по методу крюков Рождественского.
Предлагаемая срывная модификация на основе ЭДД сред по сути эквивалентна уже известной срывной методике ИПП. ГРТ с металлическим напылением внутри являются долгоживущими (в смысле многоимпульсными), но низкоэффективными (в смысле энергозатрат на образование одного атома металла). В то же время модификация, основанная на испарении ЭДД взвеси частиц металла электрическим диффузным разрядом, является высокоэффективной, но работает пока только в моноимпульсном режиме. Объединить преимущества обеих наших модификаций может позволить гибридная (срывнопылевая) методика ИПП. В ГРТ с металлическим напылением, в принципе, возможно создание ЭДД взвеси частиц металла. При электрическом разряде в такой кювете пары металлов образуются как за счёт испарения ЭДД среды, так и за счёт срыва атомов металла с поверхности трубки. Но при этом эффективность при испарении частиц выше, чем при срыве атомов металла с поверхности кюветы электрическим разрядом. Металлические частицы могут электродинамическим способом поставляться в ГРТ из «контейнера» взвеси.
Предложенные в данной работе новые модификации ИПП на основе ЭДД сред являются развитием уже известных срывной и пылевой методик. Новые модификации
отличаются относительной простотой и удобством реализации. В отдельных случаях они на несколько порядков превосходят известные методики ИПП по максимальной импульсной концентрации паров металлов и энергозатратам в расчёте на один атом металла (Си, А1, W) и позволяют, по расчётам, получать концентрации паров вплоть до 1018 см~3.
Литература
1. Гордон Е. Б., Егоров В. Г., Павленко В. С. Мелкодисперсные частицы металла как активная среда в лазерах на атомах металлов // Квант. электроника. 1979. Т. 6. № 12. С. 2633-2636.
2. Гайда Л. С. Взаимодействие мощного оптического излучения с парами щелочных металлов. Гродно, 2006. 143 с.
3. Исаев А. А. Лазер на парах меди // http://www.yachroma.com/lpm.htm. 2006. 5 с.
4. Ткаченко Т. Л. Получение и исследование активной среды лазера на парах натрия: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Л., 1985.
5. Шухтин А. М., Федотов Г. А., Мишаков В. Г. Сверхсветимость на линиях Си1 при импульсном получении паров из распылённых оксидов меди // Квант. электроника. 1978. Т. 5. № 7.
6. Машек А. Ч., Мяздриков О. А., Николаев О. С. К вопросу о теоретическом моделировании дисперсных систем, созданных электродинамическим методом // Изв. ВУЗов. Физика. 1976. №. 9. С. 34-37.
7. Машек А. Ч., Машек И. Ч. Теоретическое и экспериментальное исследование электродинамических дисперсных систем // Вестн. ИНЖЭКОНа. Сер.: Техн. науки. 2004. Вып. 3. С. 95-102.
8. Анисимов Ю. И., Машек А. Ч., Метельский К. Е., Рябчиков Е. Л. Лазеры на электродинамических дисперсных средах // Опт. и спектр. 2009. Т. 107. Вып. 3. С. 394-397.
9. Батенин В. М. и др. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М., 1998.
10. Мишаков В. Г., Шухтин А. М. Применение метода крюков Рождественского для наблюдения за испарением металлов со стенки разрядной трубки // Опт. и спектр. 1972. Т. 32. Вып 5. С. 1006-1009.
11. Шухтин А. М., Мишаков В. Г., Федотов Г. А., Ганеев А. А. Наблюдение диссоциации молекул галогенидов меди в импульсном разряде интерференционным методом // Опт. и спектр. 1975. Т. 39. Вып. 4. С. 785-786.
12. Шухтин А. М., Федотов Г. А., Мишаков В. Г. Получение свободных атомов меди из паров нитрата // Опт. и спектр. 1978. Т. 45. Вып. 5. С. 1032-1033.
13. Шухтин А. М., Плехоткин Г. А., Мишаков В. Г. Наблюдение диссоциации молекул WCl6 в импульсном разряде и измерение относительных значений сил осцилляторов линий WI // Опт. и спектр. 1978. Т. 45. Вып. 3. С. 438-441.
14. Плехоткин Г. А., Шухтин А. М. Получение паров трудноиспаримых металлов при диссоциации молекул ^С1в, ZrCl4, ТаС1в, Мо(СО)6 и W(CO)6 // Опт. и спектр. 1983. Т. 54. Вып. 4. С. 630-634.
Статья поступила в редакцию 8 декабря 2009 г.