Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
(СФ ФИАН)

443011, Самара, ул. Ново-Садовая, 221,
Творческий коллектив «Фотон»
Шепеленко Александр Андреевич
тел.: (846-2) 34-86-43
факс: (846-2) 35-56-00
e-mail: shepelenko@fian.smr.ru
 

В СФ ФИАН проводятся исследования разрядов в газовых потоках, направленные на получение возбужденных и химически активных молекулярных и атомарных частиц - кислорода О₂(¹D), атомарного йода и других.

  Исследования разрядных способов получения кислорода в электронно-возбужденном состоянии О₂(¹D), иными словами - синглетного дельта кислорода (СК), активно проводятся в последние годы в США, Японии, Чехии, России. Стимулом для исследований электроразрядного способа получения СК являются успешное развитие химических кислородно-йодных лазеров. Особый интерес представляет получение концентраций СК свыше ~15-20%, которые минимально достаточны для создания активной лазерной кислородно-йодной среды. 

Образование СК в разрядной плазме исследуется в СФ ФИАН в экспериментах с тлеющим разрядом постоянного тока в высокоскоростном газовом потоке. Исследуются разряды при повышенных давлениях, от единиц Тор до ~30 Тор, и при предельно больших энерговкладах. Высокие энерговклады – необходимое условие для достижения высоких относительных концентраций СК, требующихся для создание среды кислородно-йодного лазера. Разряды повышенной устойчивости удаётся получать, используя стабилизацию высокоскоростным вихревым газовым потоком с интенсивной турбулентностью. Разработаны разрядные системы, которые обеспечивают устойчивое горение тлеющего разряда с высокими удельными энерговкладами, например, до ~100 кДж/моль (3 кДж/г) в чистом кислороде при давлениях ~5-10 Тор и более [1, 2]. Разрядные системы позволили, в частности, получать атомарный йод с концентрацией свыше ~1·10¹⁶ см^-3 в аргоне с давлением до ~30 Тор, то есть с параметрами, достаточными для использования в активной среде  химического кислородно-йодного лазера [3].      

Описывающие кинетику образования СК в разряде теоретические модели, представленные в литературе и применимые для предсказания возможных наибольших концентраций СК, остаются недостаточно подтвержденными экспериментально и неполными. Главное их ограничение в недостатке знаний по константам скоростей физико-химических процессов, существенно влияющих на концентрации СК в разряде. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных показывает расхождения, особенно значительные при больших давлениях и энерговкладах, где различия могут быть двух-трех кратными [4]. Поэтому актуальным остаётся получение экспериментальных данных, позволяющих проверять качественное и количественное соответствие теоретических моделей.

В СФ ФИАН в 2004 году экспериментально исследуется двойной разряд постоянного тока поперечный потоку газа с электродами коаксиальной геометрии как средство создания СК. Два разряда располагаются последовательно по потоку газа так, что первый разряд создает внешнюю ионизацию для второго (см. рис.1). Возбужденный газ и плазма, образующиеся в первом разряде, выносятся газовым потоком и попадают в область второго разряда. Плазма при этом не успевает полностью рекомбинировать.

Экспериментально определены вольтамперные характеристики такого разряда в кислороде при давлениях от 6 до 12 Тор и в смесях кислород-гелий, кислород-аргон при давлениях от 6 до ~30 Тор, а также концентрации получаемого СК при различных параметрах системы [5].

Эксперименты показали, что при используемых расстояниях между разрядами - 2,5 см или 5 см, и скоростях газа, соответствующих временам транспорта газа от конца верхнего разряда и до начала нижнего ~2-5 мс, второй разряд горит в режиме несамостоятельного. Напряжение второго разряда в случае горения первого разряда снижается, значительно снижается при этом значение параметра E/N в плазме и, соответственно, средняя энергия электронов. Например, в кислороде при давлении 10 Тор в самостоятельном разряде значение параметра E/N ~31·10^-17 В·см², а во втором разряде ~26·10^-17 В·см².

Измерения концентраций молекул О₂(¹D), получаемых в потоке кислорода при воздействии на него двойного разряда, показали существенное влияние первого разряда на эффективность наработки молекул О₂(¹D) во втором разряде (см. рис.2). Концентрации СК, получаемые в двойном разряде, оказываются более низкими, чем можно ожидать в предположении независимой наработки СК в газе последовательно двумя разрядами. В отношении образования СК мощность, вкладываемая в разряды, оказывается неаддитивной. Мощность, вкладываемая в газ одним разрядом, даёт более эффективное образование О₂(¹D), чем такая же суммарная мощность, вложенная последовательно в два разряда. Не наблюдается и, ожидаемого по результатам некоторых расчетных работ, возрастания эффективности наработки О₂(¹D) в разряде при снижении параметра E/N.

Литература:

1. Шепеленко А.А., Михеев П.А., Воронов А.И., Купряев Н.В. Материалы конф. по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001. Петрозаводск. 2001. Т.1. С. 216.

2. Шепеленко А.А., Михеев П.А., Воронов А.И., Купряев Н.В. В кн.: 3-й междунар. симпозиум по теор. и прикладной плазмохимии. Иваново: ИГХТУ. 2002. Т.1. С.138.

3. Mikheyev P.A., Shepelenko A.A., Voronov A.I., Kupryayev N.V. Production of iodine atoms dissociating CH₃I and HI in the DC glow discharge in the flow of argon. J. Phys. D: Applied Physics. 2004, V. 37. P. 3202–3206.

4. Шепеленко А.А., Фомин Е.В. В кн.: 3-й междунар. симпозиум по теор. и прикладной плазмохимии. Иваново: ИГХТУ. 2002. Т. 1. С. 199.

5. Шепеленко А.А., Михеев П.А., Воронов А.И., Купряев Н.В. Известия Самарского научного центра РАН. 2005 (в печати).         
   
   

Важнейшие результаты

Исследован двойной разряд постоянного тока в потоке O₂, O₂:Ar, O₂:Не как средство получения синглетного кислорода (СК). Показано, что влияние первого по потоку разряда на второй приводит к снижению в плазме второго разряда параметра E/N, но эффективность образования СК при этом не возрастает. Мощность, вкладываемая в разряды, оказывается неаддитивной в отношении образования СК.