CC BY
15
УДК 533.9.082.5
ВЛИЯНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ПО ЭНЕРГИЯМ НА ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ АТОМОВ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИНОМЕТРИИ
А. В. Бернацкий1, В.Н. Очкин1, Р. Н. Бафоев2
Концентрации атомов кислорода и водорода в разряде в полом катоде с добавками паров воды определяются с помощью малых добавок аргона и ксенона в качестве оптических актинометров. Обсуждается возможность отказа от измерений параметров электронной компоненты плазмы.
Ключевые слова: актинометрия, низкотемпературная плазма, концентрация атомов.
Для измерения концентраций атомов и молекул в плазме может быть использован метод оптической актинометрии [1]. Он основан на сопоставлении концентрации анализируемых частиц X с известной концентрацией добавляемых в контролируемых количествах частиц-актинометров А при сопоставлении интенсивностей I свечения частиц. Если в условиях плазмы низкого давления пренебречь тушением излучающих состояний столкновениями, эта связь выражается в виде
МХ = МЛ-Iх • £ • §!.*!. (1)
1л Ал Сх кх
Здесь ЫХал - концентрации частиц X, А в основных электронных состояниях (предполагается, что они практически совпадают с полными концентрациями); кх,л - константы скоростей возбуждения из основных состояний на верхние уровни переходов; Сх,л -коэффициенты, определяемые геометрией и пропусканием оптики, спектральной чувствительностью детектирования; Ах,л - длины волн излучения соответствующих частиц. Полагая, что излучающие состояния возбуждаются электронами с распределением (ФРЭЭ) f (е) по энергиям е, константы кх,л определяются как
К = [ а(е) • f (е) • ^ • ¿е, (2)
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
2 Московский физико-технический институт (Государственный университет), 141700 Россия, Московская область, Долгопрудный, Институтский пер., 9.
а(е) - сечение возбуждения. Метод привлекателен тем, что определение искомой концентрации не требует измерений абсолютных интенсивностей и концентраций электронов. При этом необходимость знания ФРЭЭ, вообще говоря, остается. В данной работе мы на конкретных примерах исследуем, насколько форма распределения критична. Важным при этом оказывается вопрос о подборе актинометрических пар.
А. Пороги возбуждения ег и формы сечений ах (е) и аА (е) различаются. Тогда, в соответствии с (1) и (2), следует измерить ФРЭЭ f (е), интенсивности 1х, 1а в относительных единицах и искомую концентрацию Ых найти по соотношению (1).
Б. Пороги ег совпадают, а ах (е) и а а (е) имеют подобный вид, т.е.
ах(е) = Г ■ аА(е). (3)
Подобие форм сечений при близких порогах ег не является чем-то случайным, поскольку в борновском приближении они связаны с силой осциллятора fgU оптически разрешенного перехода между основным и возбуждаемым состояниями [1].
а(е) = 4.„.о2 ■ (| )2 ■ е ■ Ь (|) ■ fg., (4)
Яу - потенциал ионизации атома водорода, а0 - радиус Бора. Для возбуждения на оптически запрещенных переходах максимумы сечений группируются вблизи значений е/ег ~ 1.2 — 1.6, и формы сечений также близки [1].
Если условие (3) выполняется точно, то измерения концентрации Ых существенно упрощаются, кА/кх заменяется отношением сечений и результат расчета по формуле (1) не зависит от ФРЭЭ. Значения Г могут быть определены, например, по максимумам сечений или по их средним (интегральным) значениям. Таким образом, при подборе актинометрических пар следует, по возможности, ориентироваться на линии в спектрах частиц с близким порогом возбуждения. Тогда соотношение (1) принимает вид
Ых = Ыа ■ Iх-СА. Г-1-(1 + 8х), (5)
1а Аа Сх
где 8х - поправка, устраняющая различия (1) и (5), связанные с приближенностью (3).
В настоящей работе мы исследуем насколько существенны такие поправки на примере измерений концентраций атомов кислорода и водорода, возникающих при распаде молекул воды в разряде в газе, содержащем пары воды. Эта задача возникает в связи с созданием новых и эксплуатацией существующих мощных электровакуумных установок, для которых одной из центральных проблем является обеспечение чистоты
плазмообразующих газов. К числу таких проблем относится исключение проникновения паров воды в рабочую камеру из контуров охлаждения стенок [2, 3]. Контроль за этими событиями возлагается, в том числе, на оптические методы [4-6].
В недавней работе [7] предложено использовать метод актинометрии для контроля содержания атомов О, как возможного свидетельства проникновения паров воды в плазму. В качестве актинометра использовался атом Хе и проводились измерения ФРЭЭ.
В настоящей работе используются одновременно два актинометра (Хе, Аг), что увеличивает надежность измерений, расширяет перечень анализируемых частиц, комбинаций актинометрических пар и позволяет оценить возможность использования только спектральных измерений без привлечения зондовых, что существенно упрощает технику контроля на практике.
Экспериментальная установка включает вакуумную камеру из нержавеющей стали объемом 22 л с разрядным узлом в форме металлокерамического полого катода. Камера оснащена оптическими окнами для регистрации спектров излучения, вводами подачи высокого напряжения на разряд и электрического зонда для измерений параметров электронной компоненты. Более подробно установка описана в работах [5, 6]. Камера заполнялась смесью газов Не:Н2О:Хе:Аг (99:33:1:1) при общем давлении р0 =1 мбар. Использовались актинометрические пары линий О (777.19 нм)-Хе
Е,е V
Рис. 1: Сечения возбуждения электронами атомов 1 - Хе [8]; 2-0 [9]; 3 - Н [10]; 4 - Аг [11]. 5 - ФРЭЭ по зондовым измерениям; 6, 7, 8, 9 - максвелловские ФРЭЭ со средними энергиями (е) = 6, 8, 10 и 12 эВ, соответственно.
(823.16 нм), О (777.19 нм)-Аг (751.46 нм), Н (656.28 нм)-Хе (823.16 нм), Н (656.28 нм)-Аг (751.46 нм).
На рис. 1 показаны энергетические зависимости сечений а(е) возбуждения электронами атомов О, Н, Хе, Аг и измеренный вид ФРЭЭ f (е). Там же показаны максвеллов-ские ФРЭЭ fм (е) с различными средними энергиями (е).
тш тш
Рис. 2: Поведение концентрации атомов кислорода во времени после включения разряда. (а) обработка результатов без учета ФРЭЭ; (б) с учетом экспериментальной ФРЭЭ. 1,2- актинометры Хе, Аг, соответственно. Сплошная - аппроксимация средних по Хе и Аг значений п полиномом.
На рис. 2(а) приведены результаты измерений зависимости концентрации атомов кислорода от времени действия разряда при обработке величин интенсивностей линий актинометрических пар по упрощенному соотношению (5). Значения Г соответствуют отношению площадей сечений возбуждения в диапазоне 0-70 эВ (характерный диапазон значимых величин ФРЭЭ). На рис. 2(б) - то же с учетом измеренной ФРЭЭ по формулам (1), (2). Видно, что в пределах погрешности измерений результаты рис. 2((а), (б)) близки, если в качестве актинометра используется Хе. Если в качестве актинометра служит Аг, значения концентраций О оказываются выше от полутора до двух раз. То, что отличия от результатов измерений с учетом ФРЭЭ больше в последнем случае, очевидно, связано с большими различиями в порогах возбуждения линий исследуемой частицы и актинометра Аг (рис. 1).
Аналогичные результаты, приведенные на рис. 3((а), (б)), получаются и при измерении концентраций атомов водорода.
Рис. 3: Поведение концентрации атомов водорода во времени после включения разряда. (а) обработка результатов без учета ФРЭЭ; (б) с учетом экспериментальной ФРЭЭ. 1,2- актинометры Хе, Аг, соответственно.
0.6
0.4-
0.2-^ 0.0-
-0.2-
-0.4
-0.6
3
4
1
2
(в), еУ
10 11 12
Рис. 4: Поправки 5Х для учета влияния максвелловских ФРЭЭ с различными средними энергиями. Актинометрические пары: 1 - О-Хе, 2 - О-Аг, 3 - Н-Хе, 4 - Н-Аг.
Таким образом, использование нескольких актинометрических пар приводит к хорошо согласующимся результатам. На практике, конечно, гораздо проще проводить только оптические измерения, не обращаясь к зондовым измерениям ФРЭЭ. Поправка 8х в формуле (5) может быть принята за меру связанных с этим погрешностей. Для их оценки мы провели расчеты 8х для ряда максвелловских ФРЭЭ с различными средними энергиями (е) применительно к рассматриваемым случаям измерений атомов кислорода и водорода.
Результаты представлены на рис. 4. Поправки убывают по мере увеличения (е) и уменьшения различий порогов возбуждений пар актинометрических спектральных линий. В диапазоне от 12 эВ до 6 эВ они не превышают 60%. Они приближенно могут быть введены, если средняя энергия электронов оценивается из величин приведенных напряженностей электрического поля Е/Ы [12].
Работа выполнена за счет средств гранта Российского научного фонда (проект №1412-00784).
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. Н. Очкин, Спектроскопия низкотемпературной плазмы (М., Физматлит, 2010).
[2] ITER Final Design Report No. G 31 DDD 14 01.07.19 W 0.1, Section 3.1: Vacuum
Pumping and Fuelling Systems (IAEA, Vienna, 2001).
[3] Au. Durocher, A. Bruno, M. Chantant, et al., Fusion Engineering and Design 88, 1390
(2013). doi: 10.1016/j.fusengdes.2013.02.078.
[4] А. Б. Антипенков, О. Н. Афонин, В. Н. Очкин и др., Физика плазмы 38(3), 221
(2012).
[5] А. Б. Антипенков, О. Н. Афонин, А. В. Бернацкий, В. Н. Очкин, Ядерная физика
и инжиниринг 5(7-8), 644 (2014). doi: 10.1134/S2079562914070021.
[6] А. В. Бернацкий, В. Н. Очкин, О. Н. Афонин, А. Б. Антипенков, Физика плазмы
41(9), 767 (2015). doi: 10.7868/S0367292115090036
[7] А. В. Бернацкий, В. Н. Очкин, Краткие сообщения по физике ФИАН 42(9), 30
(2015).
[8] Biagi-v8.9 (Magboltz version 8.9) database, www.lxcat.net, retrieved on June 10, 2015.
[9] R. R. Laher, F. R. Gilmore, J. Phys. Chem. Ref. Data 19(1), 277 (1990).
[10] H. W. Drawin, Collision and transport cross-sections (EUR-CEA-FC report 383, 1966).
[11] A. Yanguas-Gil, J. Cotrino, L. L. Alves, Journal of Physics D: Applied Physics 38, 1588
(2005).
[12] Ю. П. Райзер, Физика газового разряда (М., Наука, 1987).
Поступила в редакцию 29 марта 2016 г.
