Исследование непрерывного спектра излучения тлеющего разряда низкого давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

В. А. Пинаев,

И. М. Уланов

Введение

Применение тлеющего разряда в различных технологических процессах (обработка и модификация поверхности, плазмохимия) в лазерной технике, в качестве среды для исследований (пылевая плазма), в технологиях создания источников света (лампы дневного света, ультрафиолетовые лампы) делает актуальным его исследование в широкой области фундаментальных и прикладных задач физики низкотемпературной плазмы.

Исследование излучения непрерывного спектра тлеющего разряда выполнено в области положительного столба при средних давлениях плазмообразующего газа (p = 1-100 мм рт. ст.) [1-3]. С понижением давления длина области положительного столба уменьшается и отрицательное свечение заполняет практически весь объём разрядной камеры. Отсутствие работ рассматривающих излучение непрерывного спектра в данной области связано с тем, что интенсивность его излучения чрезвычайна мала. Целью данной работы являлось измерение абсолютной величины спектральных компонент излучения тлеющего разряда низкого давления в области отрицательного свечения, анализ влияния элементарных процессов в тлеющем разряде на формирование непрерывного спектра.

Экспериментальная установка и методы измерений

Тлеющий разряд создавался в цилиндрической кварцевой трубке диаметром 42 мм и длиной 50 см (см. рис. 1). Для определения температуры и плотности электронов в разрядную камеру были введены зонды, способные перемещаться по длине разряда. Сигнал с зондов подавался через АЦП на компьютер, где с помощью специально разработанного программного обеспечения осуществлялся расчет температуры и плотности электронов по формулам метода двойного зонда [4]. Точность измерений температуры электронов составляла 20%. Точность измерения плотности электронов _ порядок величины. Оптический тракт был проградуирован с помощью сертифицированной ленточной вольфрамовой лампы, что позволило проводить спектральные измерения в абсолютных единицах (эрг см^-1 с^-1). Излучение разряда фокусировалось на щель монохроматора МДР-23 и записывалось через АЦП на компьютер. Точность спектральных измерений не превышала 15%. Более подробное описание экспериментальной установки и методик измерений приведено в работе [5].

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - разрядная камера, 2 - зонды, 3 - электроды, 4 - газовый баллон, 5 - игольчатый вентель, 6 - газовые линии, 7 _ форвакуумный насос.

Непрерывный спектр излучения тлеющего разряда

Из всего многообразия процессов взаимодействия электронов с атомами и молекулами, способных приводить к излучению электромагнитного кванта в непрерывный спектр (фоторекомбинация, фотоприлипание, тормозное излучение на ионах и нейтральных частицах), основным процессом, при данных условиях тлеющего разряда, является тормозное излучения электрона на нейтральных частицах [6]:

Оценки интенсивности излучения других процессов показывают [7], что в исследуемой плазме тлеющего разряда, где плотность электронов лежит в интервале n_e~10⁹-10¹⁰ см^-3(степень ионизации составляет d~10^-7 _ 10^-5), их интенсивность на три и более порядка меньше и может не учитываться.

Согласно выводам классической электродинамики, энергия dQ_?, излучаемая одним электроном в результате рассеяния на тяжёлой нейтральной частице в спектральный диапазон l,l+dl может быть записана в следующем виде [7]:

(1)

где v _ скорость электрона, n_m - эффективная частота столкновения электрона с нейтральной частицей. Усредняя (1), считая, что функции распределения электронов имеет максвелловский вид, получим общее излучение одного см³ плазмы J_? в спектральный диапазон l,l+dl:

(2)

где v_min = (2hc/(ml))^1/2 _ наименьшая скорость электрона, при которой он способен излучить световой квант с энергией hc/l.

Точный квантово-механический расчёт спектральной плотности излучения электронов в результате рассеяния на нейтральных частицах J_l^brems приводит к следующему выражению [3]:

(3)

где N - концентрация атомов, T_e - электронная температура, e =mv²/2 _ энергия электрона, s_tr(e) - транспортное сечение упругих столкновений.

Из формул (2), (3) видно, что интенсивность тормозного излучения при заданном давлении зависит от температуры и концентрации (в общем случае - функции распределения) электронов. Спектральный состав тормозного излучения лежит в интервале от нижней границы пропускания электромагнитных волн в плазме (~ ГГц) вплоть до частот при которых энергия светового кванта совпадает с максимальной энергией электронов в плазме.

Измеренная спектральная плотность непрерывного спектра сравнивалась с расчетом по формулам (2) и (3).

Экспериментальные результаты

Для нахождения распределений температуры и плотности электронов по длине разряда были выполнены зондовые измерения для двух значений давления p 20 и 70 Па и падения напряжения на разряде U_d составляющего 2350 В и 1400 В, соответственно (рис. 2, 3). Ток разряда в обоих случаях равнялся I_d = 10 мА.

Рис. 2. Распределение температуры T_e и плотности n_e электронов по длине разряда. He, p = 20 Па, I_d = 10 мА, U_d = 2350 В.

По мере удаления от катода отсутствие электрического поля в области отрицательного свечения тлеющего разряда приводит к падению температуры основной группы электронов T_eза счёт амбиполярной диффузии на стенку и различных соударений с нейтралами (рис. 2, 3). Релаксация группы быстрых электронов по длине разряда приводит к уменьшению актов ионизации, и следовательно, скорости рождения новых заряженных частиц. В результате, плотность заряженных частиц падает. Для дальнейшего поддержания баланса заряженных частиц продольное электрическое поле увеличивается и формируется область положительного столба рис. 3 (x > 34 см).

Рис. 3. Распределение температуры T_e и плотности n_e электронов по длине разряда. He, p = 70 Па, I_d = 10 мА, U_d = 1400 В.

Рис. 4. Спектральная плотность излучения разряда J_l^exp и рассеяния электронов на нейтральных частицах J_l, J_l^brems при l=532 нм от продольной координаты x. He, p = 20 Па, I_d= 10 мА, U_d = 2350 В.

Результаты измерения J_l^exp и расчёта J_l, J_l^brems спектральной плотности излучения в непрерывном спектре в зависимости от продольной координаты x представлены на рис. 4. Расчёт выполнен по результатам зондовых измерений (рис. 2) с помощью формул (2), (3). Поскольку в расчёт спектральной плотности излучения входят величины T_e и n_e определены из эксперимента, то величины J_l, J_l^brems также имеют свою погрешность, представленную на графике.

Измеренные и расчётные величины спектральной плотности излучения сильно различаются между собой (рис. 4), как по абсолютной величине так и по относительному изменению, причём наибольшая разница наблюдается в конце области отрицательного свечения, где температура и плотность электронов основной группы минимальны (рис. 2).

Изучение функции распределения электронов по энергиям в области отрицательного свечения показало [8], что помимо основной группы электронов с температурой ~ 1эВ в распределение присутствует немногочисленная группа высокоэнергетичных электронов с энергией близкой к потенциалу катодного падения U_fall ~ кэВ. Появление данной группы связано с тем, что электроны ускоренные сильным электрическим полем в области катодного падения не успевают термолизоваться и проникают в сопряжённую область отрицательного свечения, где и происходит их окончательная релаксация.

Оценим вклад высокоэнергетичных электронов в светимость непрерывного спектра за счёт тормозного излучения. Для этого считая, что согласно [9] их функция распределения имеет моноэнергетичный вид с энергией равной напряжению на разряде E_beam ? U_d, а концентрация n_beam на три порядка меньше концентрации основной группы электронов [7], то есть n_beam ~ 10⁶ см^-3, из (1) получим J_l~10³_10⁴ эрг/(см•с). Учитывая отсутствие точных экспериментальных данных о концентрации n_beam, в качестве гипотезы объясняющей столь сильное расхождение измеренной и расчётной величины спектральной плотности излучения (см. рис. 4) можно предположить, что основной вклад в излучение непрерывного спектра области отрицательного свечения тлеющего разряда даёт группа высокоэнергетичных электронов.

Заключение

Получены новые результаты по излучению в видимой области непрерывного спектра тлеющего разряда низкого давления. Особый интерес вызывает сильное различие между измеренной величиной спектральной интенсивности непрерывного спектра и расчетной величиной тормозного излучения электрона на нейтральных частицах. Измерения превышают расчет на 2-4 порядка. Рассмотрены все элементарные процессы, дающие вклад в светимость непрерывного спектра. Показано, что при исследованных параметрах тлеющего разряда (n_e~10⁹-10¹¹ см^-3, степень ионизации d~10^-7-10^-5) основной вклад в непрерывный спектр должно давать тормозное излучение электрона на атоме. Предложена гипотеза для объяснения эффекта сильного расхождения между расчетной и измеренной интенсивностью компонент непрерывного спектра тлеющего разряда низкого давления.

свечение тлеющий спектральный тормозной

Литература

1. Ю. Б. Голубовский, А. К. Зинченко, Каган Ю.М. Исследование положительного столба в неоне при повышенных давлениях // ЖТФ. 1977. Т. 47. № 7. С.1478_1485.

2. Ю. Б. Голубовский, В. А. Иванов, Каган Ю.М. Диагностика разряда в неоне при средних давлениях по тормозному континууму // Оптика и спектроскопия. 1973. Т. 35. № 2. С. 213_220.

3. Каган Ю.М., Христов Н.Н Об использовании сплошного спектра гелия для диагностики плазмы среднего давления // Оптика и спектроскопия. 1969. Т. 27. № 4. С. 710_711.

4. Методы исследования плазмы / Под ред. Лохте-Хольтгревена В. М.: Мир, 1971. 552 с.

5. Уланов И.М., Литвинцев А.Ю., Пинаев В.А. Влияние продольного магнитного поля на рекомбинационное излучение тлеющего разряда низкого давления в водороде и гелии // ТВТ. 2011. Т. 49. №1. С. 3_12.

6. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. М.: Физматлит, 2010. 592 с.

7. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Интелект, 2009. 736 с.

8. Cohen C., Kagan Yu. M., Avivi P. The negative glow in a magnetic field in a helium discharge // J. Appl. Phys. 1989. V. 66. № 7. P. 2914_2919.

9. Jorge J. Rocca, Zeng qi Yu, George J. Collins Studies of a glow discharge electron beam // J. Appl. Phys. 1983. V. 54. P. 131_136.

Размещено на Allbest.ru