CC BY
12УДК 537.521
Г.Ш. Шахсинов, А.Р. Рамазанов
Нестационарные оптические спектры излучения высокоскоростных волн ионизации в смесях инертных газов
Дагестанский государственный университет; gadz@bk.ru
Выполнены экспериментальные исследования нестационарных оптических спектров спонтанного излучения наносекундных электрических разрядов в плазменных волноводах, наполненных смесями инертных газов в диапазоне давлений газа 1-60 Тор. Получены панорамные оптические спектры спонтанного излучения при различных парциальных содержаниях компонент в смеси газов. Показано, что с повышением амплитуды импульсов напряжения максимум оптических спектров смещается в коротковолновую область.
Ключевые слова: наносекундный разряд, оптические спектры, волны ионизации.
Experimental studies of transient optical spectra of spontaneous irradiation of nanosecond electrical discharges in plasma waveguides filled with mixtures of inert gases in the gas pressure range of 1-60 Torr have been carried out. Panoramic optical spectra of spontaneous irradiation with different partial contents of components in gas mixtures have been obtained. It is shown that with the increase of the amplitude of voltage pulses, the maximum of optical spectra is shifted to shorter wavelengths area.
Keywords: nanosecond discharge, optical spectra, ionization wave.
Плазменно-пучковые электрические разряды могут служить эффективными источниками оптического излучения УФ и видимой области спектра. Одним из разновидностей таких разрядов является высоковольтный наносекундный электрический разряд в длинных разрядных трубках, развиваемый в режиме формирования высокоскоростных волн ионизации (ВВИ) [1]. Высокие значения электрического поля на фронте волны ионизации и большие скорости распространения ВВИ позволяют создавать плазменно-пучковые разряды в длинных разрядных трубках. Оптические свойства таких систем имеют аналогию со свойствами пучковых разрядов. В частности, в таких разрядах наблюдается анизотропия процессов электронного возбуждения атомов и поляризация атомных состояний [2], а также происходит эффективное заселение метастабильных состояний атомов [3-5]. В процессе распространения ВВИ испытывает затухание, поэтому при больших плотностях метастабильных атомов из-за самопоглощения спонтанное излучение таких разрядов может иметь место асимметрия по отношению к излучению с различных концов разрядной трубки [6].
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию распределения оптического излучения по спектру в наносекундных разрядах в смесях инертных газов.
Оптическое излучение разряда определяется заселенностями возбужденных состояний атомов и молекул, с которых имеются оптически разрешенные спектральные переходы на низколежащие энергетические уровни. Однако в инертных газах в значительных количествах могут накапливаться метастабильные атомы, соответствующие самым низкорасположенным возбужденным состояниям. Именно благодаря наличию больших плотностей метастабильных атомов, ионизация инертного газа происходит по ступенчатому механизму. Кроме того, столкновение метастабильных атомов друг с другом приводит к образованию высокоэнергетичных электронов с энергией, равной энергии возбуждения метастабильных состояний. В гелии и неоне эта энергия имеет величину порядка 20 эВ.
Исследуемый в настоящей работе разряд происходил в стеклянных трубках длиной около 50 см с внутренним диаметром 8 мм, снабженных внутренними электродами в виде полых цилиндров. Разрядные трубки помещались в алюминиевые экраны (с диметром 2 см), и таким образом создавался плазменный волновод. Между экраном и заземленным электродом включался шунт обратного тока из сопротивления типа ТВО величиной 50 Ом. Характеристики ВВИ измерялись методом емкостных зондов. Для этих целей вдоль разрядной трубки устанавливались несколько емкостных датчиков, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. С целью исключения влияния краевых эффектов крайние датчики устанавливались от границ экрана на расстоянии, превышающем двойной диаметр металлического экрана.
Для создания разряда использовались высоковольтные импульсы напряжения амплитудой до 50 кВ, длительностью фронта около 50 нс, с частотой повторения импульсов 50 Гц.
Для исследования панорамных оптических спектров излучения плазмы в качестве спектрального прибора использовался монохроматор/спектрограф MS7504i с 4-позиционной турелью для автоматической смены дифракционных решеток и с матричным CCD-детектором типа HS102H-2048/14.
Для измерения плотности метастабильных атомов методом лазерной абсорбционной спектроскопии в качестве источника зондирующего излучения использовался широкополосный лазер на красителе с накачкой эксимерным лазером на смеси ксенон-хлор типа ^-5100 [6].
На рис. 1 представлен характерный панорамный спектр излучения плазмы ВВИ в спектрально чистом неоне. Исследования показали, что с повышением амплитуды импульсов напряжения наблюдается перераспределение интенсивностей излучения в различных областях спектра, что означает существенное перераспределение заселенностей между возбужденными состояниями атомов. Кроме того, отдельные спектральные линии неона наблюдаются на фоне небольшого сплошного спектра, сочетающегося с широкими молекулярными полосами. Анализ этих спектров показывает, что в сплошной спектр вносит вклад тормозное излучение высокоэнергетичных электронов плазмы, а молекулярные полосы связаны с излучением эксимерных молекул инертных газов и примесных молекул водорода, неизбежно присутствующих в инертных газах.
800-,
600-
400-
200-
04
-Н
-1-
■Л.' ■'. 'I- 11 I-
520 540 560 580 600 620 640 660 680
Рис. 1. Панорамный спектр излучения плазмы ВВИ в неоне. Давление газа 14 Тор, амплитуда импульсов напряжения 40 кВ
Информацию о кинетике низколежащих возбужденных, в том числе метастабиль-ных, состояний атомов можно получить путем исследования поглощения оптического излучения с указанных уровней. Такие исследования были выполнены методами лазер-
ной абсорбционной спектроскопии и реабсорбции оптического излучения. Метод реаб-сорбции излучения использовался для исследования заселенностей метастабильных состояний атомов гелия и аргона, поскольку спектральные переходы для этих газов находились либо в ближней УФ-области спектра, либо в ближней ИК области спектра, где генерация широкополосного лазерного излучения красителями малоэффективна.
На рис. 2 представлена характерная зависимость плотности возбужденных состояний атомов неона от времени в наносекундном разряде. Измерения были выполнены раздельно для центральных областей разрядной трубки и для области, прилегающей к стенкам, поскольку в процессе пробоя газа формируются сильные поперечные неоднородности плазмы, обусловленные переходом разряда от объемной формы к скользящей при повышении давления газа. Для этих целей использовался узкий пучок лазерного излучения и система из двух диафрагм, установленных на входе и выходе плазменного волновода.
задержка, нс
Рис. 2. Зависимость плотности возбужденных атомов неона в состоянии от времени, измеренная вдоль центра трубки. Давление газа 20 Тор, амплитуда импульсов
напряжения 28 кВ
Аналогичные измерения были выполнены и в разрядах в гелии и аргоне. В гелии максимальная плотность метастабильных атомов достигала величины порядка 1014 см-3.
Систематизация исследований плотности метастабильных атомов при различных амплитудах импульсов напряжения и давлениях газа показала наличие следующих закономерностей:
1. Плотности метастабильных атомов проходят через максимум примерно в той же области времен, что и время достижения максимума оптического излучения разряда.
2. Максимальная плотность метастабильных атомов неона и аргона составляет величину порядка 1013 см-3, в то время как максимальная плотность метастабильных атомов гелия в состоянии 2^ достигает величины 1014 см-3.
3. Характерное время релаксации плотности метастабильных состояний атомов значительно меньше характерного времени их диффузии из области разряда, что говорит о том, что гибель метастабильных атомов происходит в результате столкновительных процессов с электронами.
300п
250£ 200-
0
1
ш
0
1 ф
н
I
150-
100-
50-
300
400
500 нм
600
700
а)
о
0
1
т
0
1 Ф
300 п 25020015010050-
0300
400
500
нм
600
700
б)
Рис. 3. Панорамный спектр излучения наносекундного разряда в смеси неон - гелий
при суммарном давлении в смеси 20 Тор (а) и 30 Тор (б). Амплитуда импульсов напряжения 20 кВ, длительность фронта 2.5 нс, парциальное содержание компонент
в смеси [№]: [Не] = 0.66
4. При давлениях газа выше 30 Тор плотность метастабильных состояний атомов вблизи стенок разрядной трубки от нескольких раз до одного порядка выше, чем в центре трубки, т. е. распределение плотности метастабильных атомов по сечению имеет максимум вблизи стенок разрядной трубки. Эта закономерность повторяет соответствующую закономерность распределения оптического излучения.
Следует отметить, что при зондировании неоднородного плазменного столба нано-секундными лазерными импульсами возможны искажения контуров спектра поглощения и пропускания, что было учтено при измерении плотности возбужденных, в том числе метастабильных, атомов [7]. Для выяснения степени зависимости спектрального состава излучения от длительности фронта импульса высокого напряжения был выполнен цикл исследований оптических свойств ВВИ при длительности фронта 2.5 нс и амплитудах напряжения до 50 кВ. Были исследованы спектральные характеристики нано-секундных разрядов в чистых инертных газах и в смеси неона и гелия при различных парциальных содержаниях компонент в смеси. В этих исследованиях на высоковольтный электрод подается положительный импульс напряжения, второй электрод был заземлен.
Такие исследования показали, что с уменьшением длительности фронта значительно растет интенсивность сплошного спектра, на фоне которого наблюдаются отдельные спектральные линии (рис. 3). По-видимому, это связано с ростом величины приведенного электрического поля на фронте волны ионизации за счет уменьшения пространственного размера фронта ВВИ. В результате этого растет роль высокоэнергетичных электронов на фронте волны ионизации.
В смеси гелия и неона с изменением парциального содержания компонент в смеси происходит перераспределение энергии излучения между двумя областями спектра (300-400 нм) и (590-700 нм). С увеличением величины приведенной напряженности электрического поля E/p интенсивности излучения в спектральных линиях, расположенных в ближней УФ области спектра, растут.
Анализ распределения энергии излучения в спектре неона показывает, что добавление гелия в неон приводит к существенному увеличению интенсивностей излучения отдельных спектральных линий неона за счет процессов передачи возбуждения от ме-тастабильных атомов гелия к возбужденным атомам неона.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что с уменьшением длительности фронта ВВИ доля сплошного спектра излучения плазмы растет. В смеси гелия и неона с ростом величины приведенного электрического поля растет интенсивность излучения в ближней УФ-области спектра.
Литература
1. Василяк Л.М., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Филюгин И.В. Высокоскоростные волны ионизации при электрическом пробое // УФН. - 1994. - Т. 164, № 3. -С. 263-286.
2. Ашурбеков Н.А., Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А., Омарова Н.О. Поляризация состояний атомов гелия на фронте высокоскоростной волны ионизации // Известия РАН. Серия физическая. - 2000. - Т. 64, № 7. - С. 1414-1420.
3. Ашурбеков Н.А., Борисов В.Б., Егоров В.С., Кардашов В.Р. Оптимизация параметров возбуждения плазменного азотного лазера на смеси неон-водород продольным наносекундным разрядом // Оптика и спектроскопия. - 1995. - Т. 78, № 6. - С. 999-1003.
4. Ашурбеков Н.А., Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А., Омарова Н.О. Кинетика возбужденных атомов и оптическое излучение при волновом механизме пробоя инертных газов (обзор) // ТВТ. - 2000. - Т. 38, № 5. - С. 823-839.
5. Ашурбеков Н.А, Омаров О.А., Омарова Н.О., Погореловская М.А. Роль высокоэнергетичных электронов в установлении режимов релаксации оптического излучения за фронтом высокоскоростной волны ионизации // Изв. РАН. Серия физическая. - 2003. - Т. 67, № 9. - С. 1237-1240.
6. Ашурбеков Н.А., Омарова Н.О. Асимметрия спонтанного излучения гелия при запаздывающем возбуждении в электрическом разряде // Журнал прикл. спектр. - 1999. -Т. 66, № 3. - С. 415-420.
7. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Муртазаева А.А., Рамазанов А.Р. Частотный сдвиг в нестационарных оптических спектрах пропускания наносекундных разрядов в инертных газах вблизи узких резонансов // Вестник ДГУ. - 2012. - Вып. 6.
Поступила в редакцию 12 сентября 2013 г.
