СФ ФИАН
Самарский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Разряды в газе исследуются уже многие годы, тем не менее при переходе в новые области параметров и при создании новых конфигураций разрядных систем обнаруживаются всё новые и новые формы разрядов, физические эффекты в них. Открываются и новые возможности их использования. В разрядах, как известно, интенсивно протекают процессы, превращающие исходные молекулы газа в возбужденные и химически активные частицы - атомы и молекулы, ионы, радикалы. Это даёт возможность, используя разряды, получать активные среды лазеров или химически активные среды плазмохимических устройств. Именно с развитием лазеров и плазмохимических технологий и связаны интенсивные исследования разрядов в последние два десятилетия.
Разряды исследуются и в Самарском филиале ФИАН - творческим коллективом «Фотон». Основное направление работ коллектива - получение разрядными способами возбужденных молекул и атомов, в частности, частиц, составляющих активную среду кислородно-йодного лазера (КИЛ).
Первая из таких частиц - электронно-возбужденная молекула синглетного дельта кислорода O2(a1D). Она является основным энергоносителем в среде КИЛ. В сегодняшних кислородно-йодных лазерах синглетный кислород получают химическим способом, используя токсичные и химически агрессивные вещества - газ хлор и раствор щелочи с перекисью водорода.
Синглетный кислород можно создавать и из обычного кислорода, если воздействовать на него электрическим разрядом. Еще в конце 50-х годов в экспериментах было обнаружено образование в разряде частиц O2(a1D), и в последующем это использовалось для научных задач. Возможность получения в разряде синглетного кислорода привлекла особое внимание в связи с успехами в развитии химического КИЛ.
Получить генерацию КИЛ, используя разрядное возбуждение, впервые попытался В.Ю. Залесский (1974) еще до создания химического КИЛ. Эти эксперименты не были успешными. Позднее, по результатам исследований химического КИЛ стало ясно, что для создания лазерной кислородно-йодной среды требуется кислород, свыше 20% молекул которого находится в состоянии O2(a1D). Задача разрядного получения синглетного кислорода для КИЛ была вновь рассмотрена в работе Велихова Е.П., Клоповского К.С., Ковалёва А.С., Рахимова А.Т. и др. Начались поиски способа получения в разряде высоких относительных концентраций молекул O2(a1D). Этой группой, а затем и другими, проводились эксперименты и теоретические исследования, но необходимые концентрации синглетного кислорода до настоящего времени не достигнуты.
Отрицательные результаты первых экспериментов, на наш взгляд, показывают, что для решения этой задачи необходимо создание более глубокой научной базы.
Рис. 1. Установка "Разряд в потоке" 04.2002г.
Требуется получить ответы, в частности, на такие основные вопросы:
Энергетическими оценками можно показать, что для достижения необходимой концентрации синглетного кислорода требуется создавать разряд с очень высокими уровнями удельного энерговклада. Для разряда в чистом кислороде требуются вкладывать энергию ~1 эВ на каждую молекулу (около 100 кДж/моль). Такие значения энерговкладов многократно превышают типичные пороги устойчивости разрядов; например, они в 5-10 раз больше, чем в разрядах мощных СО2-лазеров.
В упомянутой работе даже был сделан вывод, что получение разрядов со столь высокими энерговкладами не реально. Таким образом, одно из условий получения высоких концентраций синглетного кислорода - создание разряда с необычно высокими энерговкладами.
Достаточно высоким должно быть и давление газа - не менее нескольких единиц мм рт. ст. В существующих образцах химических КИЛ давление кислорода обычно составляет ~1 Тор и более.
Требуются, кроме того, достаточно большие молярные расходы, что необходимо для непрерывного или импульсно-периодического режима работы. Расход должен составлять ~1 ммол/c для получения мощности генерации ~5 Вт (при условии получения КПД ~5%).
В СФ ФИАН физика образования в разряде синглетного кислорода исследуется экспериментально и теоретически. Работы ориентированы на получение как можно более высоких концентраций молекул O2(a1D).
Используется экспериментальная установка "Разряд в потоке", которая позволяет создавать тлеющий разряд постоянного тока в высокоскоростном газовом потоке и проводить спектроскопическую диагностику продуктов, вытекающих из разрядной области. Типичные параметры исследуемых разрядов:
Внешний вид разрядной камеры и диагностического канала установки показан на фотографии, рис.1. Схема эксперимента показана на рис.2.
Рис. 2. Схема эксперимента с разрядом в вихревом потоке.
Особенность экспериментов - разряды в сильно закрученных или вихревых газовых потоках. Такие потоки позволяют получать тлеющие разряды с высокими энерговкладами и повышенной устойчивостью к самопроизвольному переходу в неоднородную, шнуровую форму. Это показали наши эксперименты с разрядом в вихревом потоке (1991 г.). Поэтому для создания разрядов с большими удельными энерговкладами при повышенных давлениях кислорода в использование сильно закрученных потоков представлялось перспективным.
Измерение абсолютных концентраций молекул O2(a1D) - непростая задача, и в литературе некоторые данные ошибочные.
В наших экспериментах используется метод эмиссионной спектроскопии по излучению, соответствующему переходу молекул кислорода из состояния O2(a1D) в основное. Это ИК излучение (1,27 мкм) очень слабое, в наших условиях его мощность 10-12 - 10-11 Вт. Используя спектральную фильтрацию ИК монохроматором, регистрацию - высокочувствительным фотоприемником с применением синхронного детектирования, надежную абсолютная калибровка по излучению разработанной модели "абсолютно черного тела", удаётся измерять концентрации ~5×1014 см-3 c точностью ~20%.
Некоторые результаты наших экспериментов по разрядному получению синглетного кислорода названы на отдельной странице. Там же дан список публикаций.
Вторая активная частица среды КИЛ - атомарный йод. Именно эти атомы генерируют лазерное излучение КИЛ, получая энергию от молекул синглетного кислорода O2(a1D).
В активной среде химического КИЛ с традиционной схемой атомы йода создаются из молекулярного йода непосредственно в активном объёме. При смешении газовых потоков - потока кислорода, содержащего возбуждённые молекулы O2(a1D), и потока молекулярного йода с газом-носителем происходит диссоциация молекулярного йода на атомы. На это затрачиваются молекулы O2(a1D), то есть расходуется часть энергозапаса среды.
В настоящее время перспективным представляется использование в КИЛ атомарного йода взамен молекулярного. Для этого требуется предварительно получать атомарный йод вне активного объёма, а затем смешивать его с синглетным кислородом в активном объёме. В такой схеме исключаются потери энергозапаса на диссоциацию йода, а также потери возбужденных атомов, вызванные сильным тушением на молекулах I2. Наиболее рациональным и удобным, по нашему мнению, является получение йодных атомов в разряде, хотя недавно и выполнены работы, в которых атомы йода для этой цели получают химически.
В 2000-2001 гг. появились первые работы японских исследователей по получению атомарного йода для использования в КИЛ в высокочастотных разрядах.
Для КИЛ требуются концентрации атомов йода свыше ~1×1015 см-3. Препятствием для получения таких концентраций атомов йода является повышенная неустойчивость разряда в сильно электроотрицательных газах. Нам представлялось перспективным, использовать для стабилизации такого разряда сильно закрученный поток.
В экспериментах с разрядом постоянного тока в вихревом потоке нами недавно (опубликовано в КЭ. 2002. №1) были получены концентрации атомарного йода достаточные для получения среды КИЛ. Стабилизация разряда вихревым потоком газа позволила поддерживать тлеющий разряд в галогеносодержащей газовой смеси при давлениях газа-носителя аргона до 15 Тор. Прямые измерения показали, что при этом были достигнуты концентрация атомов йода 3.6×1015 см-3.
В этих экспериментах концентрации атомов йода измерялись с помощью приборного комплекса на основе одночастотного перестраиваемого лазера. Этот комплекс разработан нашими партнерами из Air Force Research Laboratory USA и был предоставлен нам на короткое время в рамках контракта МНТЦ.
Разряды в газе при изменении условий эксперимента: давления, состава газа, размеров промежутка - обычно принимают различные формы. Могут появляться и новые разрядные формы, так как механизмы разрядов сложны и многообразны. Разряды различных форм нашли со временем множество практических применений. Многие послужили удобным средством в исследованиях свойств плазмы, ионизованного газа, характеристик атомов и молекул. Всегда остается интерес к новым, прежде не наблюдавшимся формам разрядов. Разряды обычно проявляют себя свечениями, физические механизмы которых столь же многообразны как и формы разрядов.
Пример, сложного разрядного явления - крупномасштабных страт, наблюдающихся в наших экспериментах с разрядом в потоке газа, показывает видиофрагмент 1. Можно видеть рождение яркого светящегося образования и его весьма медленное движение (видио показывается в реальном масштабе времени) навстречу потоку, а затем вниз. Отметим его особенность - имеют место одиночные крупномасштабные (~1 см и более) неоднородности (страты) в высокоскоростном газовом потоке.
Другое необычное свечение, наблюдающееся в наших экспериментах, показано на рис.3. Видно синее свечение возбужденного газа, выходящего из зоны разряда.
Видео 1. (0,98 Mb)
Один из вариантов поведения страт.
Обычно свечения разрядов имеют слабый желтоватый, зеленоватый или голубоватый цвет. Здесь же - свечение насыщенного синего цвета. Оно появляется при подмешивании двуокиси азота в продукты разряда в азоте, и интенсивно в очень узком диапазоне режимов разряда, как по давлению, так и по току. В литературе нет сообщений о наблюдении такого свечения. Несомненно, оно имеет хемилюминисциентную природу, но детально механизм пока не ясен.
Рис. 3. Свечение возбужденного газа, выходящего из зоны разряда.