Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
IНСТИТУТ ФIЗИКИ
СТАРОДУБ ВАЛЕРІЙ ПЕТРОВИЧ
Iндекс УДК 533.9
539.186
ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В АКТИВНИХ СЕРЕДОВИЩАХ
ПЛАЗМОДИНАМІЧНИХ ЛАЗЕРІВ НА ПАРІ МЕТАЛІВ
ТА ГАЛОГЕНІДАХ ІНЕРТНИХ ГАЗІВ
01.04.05 – оптика, лазерна фізика
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
дисертацiї на здобуття наукового ступеня
доктора фiзико-математичних наук
Київ – 1999
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті електронної фізики
Національної академії наук України
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, Щедрін Анатолій
Інститут фізики НАН України, Іванович
провідний науковий співробітник
доктор фізико-математичних наук, професор, Пінкевич Ігор
Київський університет ім. Т.Г.Шевченка, Павлович
завідуючий кафедрою теоретичної фізики
доктор фізико-математичних наук, Покровський Валерій
Інститут хімії поверхні Олександрович
НАН України, провідний науковий
співробітник
Провідна установа:
Харківський університет Міністерства освіти України
Захист відбудеться ”28” жовтня 1999 р. о 14 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 252650 МСП, Київ-22, проспект Науки, 46.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці
Інституту фізики НАН України
Автореферат розіслано “ 15 ” вересня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Іщук В.А.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальнiсть теми. До цього часу в розв`язаннi проблеми плазмодинамiчних лазерiв (ПДЛ) досягнуто певного прогресу, але ПДЛ, аналогічного газоди намiчному CO2–лазеру за своїми вихiдними характеристиками та технiчною реалізацією, ще не створено.
Подальші дослідження ведуться в напрямках пошуку нових активних середовищ, покращення їх енергетичних характеристик, просування в область коротких довжин хвиль. У руслі реалізації цих напрямків і лежить ця робота.
Одна з причин низьких значень енергетичних характеристик реалізованих ПДЛ, очевидно, пов`язана з вибором початкових продуктів для створення активного середовища. Досі в основному дослі джувались активнi середовища на основі газів: H, He, Ar, Kr, Xe. Усвідомлення того факту, що серед елементів таблицi Д.І. Менделеєва більшість становлять метали, привело до дослідження активних середовищ як плазмових лазерів, так і ПДЛ на їх основі. На наш погляд, такі пошуковi дослідження будуть розширюватися, бо багато металів мають низькі потенціали іонізації, що полегшує створення високоіонізованої плазми при відносно невеликих вкладених потужностях і забезпечує високий граничний ККД ПДЛ на парі металів.
Проведенню як теоретичного, так і експериментального дослі дження активних середовищ на основі пари металів до певної міри перешкоджає відсутність надійних даних щодо констант швидкостей процесів, що відбуваються в плазмі пари металів (особливо констант взаємодії електронів з атомами та іонами металів). До певної міри ця перешкода знімається в результаті досліджень, проведених у рамках цієї роботи. Так, нами вперше отримано надійнi ефективнi перерізи збудження електронним ударом багатьох (~200) спектральних переходів атомів та іонів Mg, Ca, Sr, Ba, Cu, Pb, Bi.
До цього часу практично не досліджувалися активнi середовища ПДЛ на суміші компонент. На наш погляд, суміші мають більше можливостей для одержання більш високих параметрів генерації. Так, у плазмових струменях на суміші декількох елементів, заселення та очистка робочих рівнів може реалізовуватись як за рахунок додаткових непружних процесів (екзотермічної перезарядки, реакції Пеннінга, передачі збудження і т.п.), так і завдяки впливу домішок через зміну таких параметрів плазми, як температура та концентрація електронів. Роль цих факторів для активних середовищ на парі металів досліджено та обговорено в даній роботі.
Нами також запропоновано перспективне, на наш погляд, активне середо вище для ПДЛ – плазму на суміші інертного газу з галогенагентом. В активному середовищі ПДЛ на суміші інертного газу і галогенагента можуть ефективно проходити різнi плазмохімічні реакції (прилипання електронів, іон-іонна рекомбі нація, гарпунна реакція, дисоціативна рекомбінація та ін.). У зв`язку з цим виникає науковий та прикладний інтерес до проведення теоретичних і експериментальних досліджень з метою з`ясування ролі та внеску різних процесів в утворення моно галогенідів інертних газів у плазмовому струмені. Дуже важливо також відповісти на принципове питання про можливість отримання стаціонарної або хоча б квазістаціонарної генерації на ексимерних молекулах у плазмових струменях.
Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що представлені в дисертації, виконані в 1970 – 1986 рр. у Проблемній лабораторії фізики електронних зіткнень і на кафедрі квантової електроніки Ужгородського держуніверситету, а також в 1986 – 1998 рр. в Інституті електронної фізики НАН України у відпо відності з планами науково-дослідних робіт відповідних установ, затвердженими Постановами:
Держкомітету РМ СРСР з науки і техніки з тем:
1. “Розробити методику і створити апаратуру для прецизійних досліджень ефективних перерізів пружного і непружного розсіювання повільних монохроматичних електронів на атомах металів для створення робочих середовищ газових ОКГ, термоелектронних перетворювачів, МГД-генераторів”. Пост. № 263 від 21.05.74 р., держ. реєстр. № 74050119.
2. “Розробка і виготовлення ефективних імпульсно-періо дичних лазерів на парі вісмуту на довжину хвилі 0,47 мкм для вирішення задач лазерної спектроскопії, лазерних маяків, багатокольорових систем зондування атмосфери та передача в Науково-дослідний радіофізичний інститут Мінвузу РРФСР для застосування”. Пост. № 274 від 03.08.87 р., держ. реєстр. № 0188.0000763.
Постановами Президії АН УРСР з тем:
3. “Розвиток теоретичних та експериментальних методів визначення спектроскопічних констант атомів (ефективні перерізи зіткнень, сили осциляторів, часи життя) та систематичних їх досліджень з метою вивчення будови атомів та атомних ядер і використання даних у прикладних та теоретичних роботах, в тому числі в новій техніці, в дослідженнях в галузі ОКГ, космосу та ін.”. Пост. № 418 від 15.12.71 р., держ. реєстр. № 7304609.
4. “Прецизійні дослідження процесів збудження атомів лужноземельних металів повільними електронами”. Пост. № 416 від 7.12.73 р., держ. реєстр. № 74043302.
5. “Дослідження активних середовищ для ефективних газових лазерів на основі плазмових струменів”. Пост. № 27 від 31.01.90 р., держ. реєстр. № 01900061099.
Мета роботи. Новi ефективнi середовища для плазмодинамічних лазерів на основі пари металів та хімічних сполук, нові ефективнi способи підвищення інверсних заселеностей у рекомбінуючій плазмі.
Для досягнення поставленої мети розв`язувалися наступні завдання:
1) дослідження фізичних процесів, що призводять до утворення інверсних заселеностей у плазмових струменях на парі металів (Li, Na, Sr, Cd);
2) дослідження ефективних перерізів збудження електронами атомів металів (лужноземельнi атоми та Cu, Pb, Bi), перспективних для створення активних середовищ ПДЛ;
3) пошук та дослідження способу підвищення інверсних заселеностей у рекомбінуючій плазмі;
4) проведення комплексних досліджень утворення моногалогенідів інертних газів у неперервному плазмовому струмені.
Наукова новизна. Практично всі результати наукових досліджень та розробок, які представлено в дисертаційній роботі, отримано вперше в світовій науці. Найбільш вагомі з них:
– отримано ефективні перерізи збудження ~200 спектральних переходів атомів та іонів Mg, Ca, Sr, Ba, Cu, Pb, Bi та резонансних рівнів цих атомів;
– встановлено закономірності збудження валентних електронних оболонок вищезгаданих атомів, включаючи багатоелектронні процеси;
– запропоновано нові активні середовища для плазмодинамічних лазерів та виявлено основні фізичні процеси, які призводять до утворення інверсної заселеності в цих середовищах;
– запропоновано та реалізовано спосіб підвищення ефективності лазерів на рекомбінації за рахунок введення присадки Cs.
– запропоновано та реалізовано спосіб неперервного отримання ексимерних молекул у плазмовому струмені.
Багато нових результатiв було підтверджено в дослідженнях провідних лабораторій США та Росії.
Наукова та практична цінність. Отримані результати з досліджень елементарних процесів взаємодії електронів з атомами металів носять у першу чергу фундаментальний характер і є критерієм достовірності різних теоретичних методів та наближень, що використовуються у фізиці електронних зіткнень. Вони дозволяють глибше зрозуміти такі принципові питання фізики електронно-атомних зіткнень, як закономірності збудження валентних електронів з основного стану атома, механізми багатоелектронних збуджень, роль автоіонізаційних станів в утворенні іонів. Ці результати вже неодноразово використовувались рядом дослідницьких груп у роботах експериментального та теоретичного характеру з фізики електронних зіткнень та фізики лазерів як в СНД, так і за її межами. Крім того, ці результати використовувались нами в даній роботі при розрахунку кінетики процесів у плазмових струменях на парі металів.
Надалі ці результати досліджень можуть бути використані:
– для створення теорії активних середовищ та оптимізації режимів роботи лазерів різного типу;
– для розрахунку швидкостей елементарних процесів у густій нерівноважній низькотемпературній плазмі з метою оптимізації режимів роботи пристроїв прямого перетворення енергії;
– для аналізу емісійних спектрів астрофізичної та лабораторної плазми;
– при постановці активних експериментів у навколоземному космічному просторі.
Результати даної роботи з досліджень фізичних процесів у плазмових струменях мають важливий науковий (вивчення основних механізмів, відповідальних за створення інверсних заселеностей) та практичний (основи для створення ефективного ПДЛ у видимій та УФ області спектру – аналога газодинамічного лазера в ІЧ області спектру) інтерес. Крім того, ці результати вже частково використовувалися при розробці та дослідженні ефективних джерел УФ випромінювання, при створенні випромінювачів (XeCl та XeF) для озонометричного лідара.
Особистий внесок автора полягає в тому, що ним обгрунтовано і забезпечено постановку актуальних напрямків досліджень фізичних процесів в активних середовищах ПДЛ; розроблено методики експериментальних досліджень, спроєктовано та виготовлено експериментальні установки; самостійно, а також разом з аспірантами та співробітниками його групи проведено дослідження та обговорення отриманих результатів; сформульовано основні висновки та положення роботи, винесені на захист.
Роботи (1–5) (див. “Список публікацій автора по темі дисертації”) написано без співавторів, у (6–13, 24, 25, 29, 34–39) автору належать постановка наукової задачі, вибір шляху і методу її розв`язання, аналіз отриманих результатів і основна роль в написанні робіт. Вклад автора в роботи (15–23, 27, 28) – проведення експерименту, обговорення результатів, написання статей. Результати робіт (14, 26, 30–33) належать авторам рівною мірою.
Апробація результатів дисертації. Викладені в роботі і винесенi на захист результати досліджень автора доповідалися та обговорювались на VII Між народній конференції з фізики електронно-атомних зітк нень (Амстердам, 1971); на V Європейській конференції з атомної та молекулярної фізики (Единбург, 1995); на Міжнародній школі–семінарі "Високотемпературна газодинаміка, ударні хвилі, ударні труби" (Мінськ, 1983); на Першому Всесоюзному симпозиумі з плазмохімії (Москва, 1971); на VII, IX та X Всесоюзних конференціях з фізики електронно-атомних зіткнень (Петрозаводськ, 1978; Рига, 1984; Ужгород, 1988); на VIII Всесоюзній конференції з динаміки розріджених га зів (Москва, 1985); на Всесоюзній конференції "Інверсна заселеність і генерація на переходах в атомах і молекулах" (Томськ, 1986, три доповіді) на VII Всесоюзній конференції із фізики низькотемпературної плазми (Ташкент, 1987); на II Всесоюзному семінарі з фізичних процесів у газових ОКГ (Ужгород, 1978); на Всесоюзних семінарах "Лазе ри на парах металів та їх застосування" (Новоросійськ, 1982; 1985);
Публiкацiї. Основнi результати дисертацiйної роботи опублiковано в 38 друкованих працях та 1 опису до винаходу, список яких наведено в кiнцi автореферату.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, основних висновків, списку використаних джерел, що вміщує 244 найменувань, і додатків. Повний обсяг роботи становить 330 сторінок, включаючи 100 рисунків (65 стор.), 11 таблиць (10 стор.), список використаних джерел (25 стор.) та додаток (5 стор.).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність досліджень, визначено мету роботи, відзначено її наукову новизну та практичну цінність, приведено інформацію про апробацію роботи та особистий внесок автора, викладено короткий зміст роботи, наведено список публікацій автора з теми дисертації.
Перший розділ присвячений опису техніки пересічних пучків та методики експерименту для дослідження збудження атомів металів електронним ударом.
Експериментальна установка з електронним та атомним пучками, що перетинаються, складається з таких основних вузлів: джерела нейтральних атомів, електронної гармати, блока реєстрації випромінювання, каліброваної лампи порівняння. Для отримання пучка нейтральних атомів використовувалося ефузійне джерело. Конструкція джерела забезпечувала високу стабільність атомного пучка протягом тривалого часу при інтенсивності 1015– 1016 см2с–1 з кутом розходження не більше 150.
При проведенні систематичних досліджень використовувались електронні пучки прямокутного та круглого перерізу. Електронні пучки прямокутного перерізу використовувалися для визначення абсолютних величин ефективних перерізів збудження. Використання їх дозволяє більш точно визначити геометрію області перетину пучків, спрощує розрахунки при визначенні ефективних перерізів збудження переходів з довгоживучих рівнів, а при визначенні реабсорбції випромінювання дозволяє досягти повного перекриття атомного пучка електронним. Пучки круглого перерізу використовувалися для дослідження енергетичних залежностей, бо вони, на відміну від пучків прямокутного перерізу, менше підлягають перефокусуванням, простіші у виготовленні, складанні та юстуванні. Такі системи після прогрівання дозволили одержати пучки електронів з густиною 3–7 10–3 А/см2 та неоднорідністю 0,8–1,0 еВ.
В основу методики визначення ефективних перерізів збудження атомів металів електронним ударом було покладено оптичний метод з фотоелектричною реєстрацією, який дозволяє отримати детальну і найбільш повну інформацію про збудження цих атомів. Абсолютні ефективні перерізи збудження спектральних ліній визначалися методом порівняння їх інтенсивностей з інтенсивністю випромінювання відповідної ділянки неперервного спектру еталонної лампи за отриманою нами формулою: , (1)
де k – поверхнева яскравість вольфрамової лампи;
d/dl – обернена дисперсія спектрального приладу;
l – ширина вихідної щілини спектрального приладу;
– коефіцієнт, який враховує втрати інтенсивності на гранях поворотної призми;
N – середня концентрація атомів у місці перетину пучків;
i – сила струму;
e – заряд електрона;
I1 та I2 – сигнали на виході фотометра, що відповідають випромінюванню із зони збудження та від еталонної лампи.
Концентрація атомів визначалася радіотехнічним методом. Суть цього методу така. Зміна власної частоти п`єзокварцу f при конденсації атомів на його поверхні прямо пропорційна масі конденсату Мk .
Mk = kf S f , (2)
де kf – стала, що визначається типом зрізу та власною частотою кристала;
S – площа конденсату на кристалі.
У свою чергу, концентрація атомів у місці перетину пучків N визначалася через масу сконденсованої речовини з виразу:
N = Mk /(mtlbv) , (3)
де m – маса атома,
t – час, за який маса Mk конденсується на детекторі,
l, b – усереднені геометричні параметри атомного пучка в місці перетину його з електронним,
v – середня швидкість атомів у пучку,
– коефіцієнт конденсації.
Особливу увагу в даному розділі приділено розробці методичних вказівок для знаходження оптимальних умов одержання достовірних результатів при проведенні експериментів зі збудження атомів електронним ударом з використанням техніки пересічних пучків. Встановлено вплив різних факторів (реабсорбція випромінювання, ступінь поляризації випромінювання ліній, винесення атомів, що знаходяться в довгоживучих збуджених станах з зони спостереження детектора випромінювання, зміна геометрії електронного пучка в залежності від енергії електронів, неоднорідність електронів за енергією в пучку та ін.) на величини ефективних перерізів збудження спектральних переходів та їх енергетичні залежності. Запропоновано методики усунення перерахованих факторів або врахування їх впливу на ефективні перерізи збудження. Відносна похибка визначення ефективних перерізів збудження резонансних ліній становить ~21%. Для більш високих членів головної серії ця похибка відповідно рівна 26%, а для спектральних ліній інших серій не перевищує ~ 20%.
У другому та третьому розділах представлено результати систематичних досліджень процесів збудження атомів та іонів металів, перспективних для створення активних середовищ лазерів, а саме лужноземельних елементів (розділ 2), міді, свинцю та вісмуту (розділ 3).
Досліджувалися процеси:
e + A0 e + A* – Mg, Ca, Cu, Pb, Bi; (4)
e + A** – Ca, Sr, Ba; (5)
2e + A+* – Pb, Bi; (6)
3e + A++* – Pb, Bi. (7)
Вперше отримано абсолютні ефективні перерізи збудження ~200 спектральних переходів атомів та іонів досліджуваних металів.
Вперше виявлено, що величини перерізів збуджень переходів з рівнів двохелектронного збудження великі і порівнянні з одноелект рон ними. Дано зіставлення експериментально отриманих перерізів збудження з наявними теоретичними роз рахунками (рис.1). Для по двій них збуджень атома кальцію ми маємо несподівано хороше узгодження результатів розрахунку в першому наближенні теорії збурень з експериментом як у величинах перерізів, так і в ході енергетичної залежності.
Детальний аналіз отриманих результатів як з одноелектронного, так і з двохелектронного збудження дозволив встановити, що вид функцій збудження спектральних переходів не залежить від конфігурації основного стану, а визначається величиною зміни повного моменту та наявністю обмінної взаємодії. В разі справедливості LS–зв`яз ку характер енергетичної залежності перерізу збудження стану атома визначається в першу чергу різницею спінових S та орбітальних L моментів початкового та кінцевого станів. При S0 перерізи збудження мають максимум поблизу порогу і швидко спадають з ростом енергії, на відміну від переходів з S=0, коли функції збудження мають пологу форму з максимумом при енергіях у декілька порогових одиниць. Як для переходів з S=0, так і для переходів з S0 функції збу джен ня звужуються зі збільшенням L і максимум їх зміщується до порогу.
Проведено порівняння експериментальних даних із збудження резонансних рівнів досліджуваних атомів з наявними результатами більш пізніх вимірювань та теоретичних розрахунків інших авторів (див. рис.2,3). В області порогової енергії збудження найкраще узгодження спостерігається з розрахунками, викона ними методом сильного зв`язку. Задовіль не узгодження для ре зо нансних синглетних рів нів (з урахуванням стандартного завищен ня в області малих енергій) має місце з результатами розрахун ків, виконаних ме то дом Борна при використанні таблиць Вайн штейна. Метод Бор на рекомендується до використання в розрахунках констант процесу збудження атомів електронним ударом при аналізі кінетики процесів в активних се редовищах плазмових та плазмодинамічних лазерів.
Збудження атомів Cu, Pb та Bi електронним ударом є основним процесом в активних середовищах лазерів на самообмежених переходах. Тому отримані ефективні перерізи збу дження будуть вельми корисні для оптимізації роботи цих лазерів.
У четвертому розділі описано експериментальну та теоретичну базу для проведення комплексних досліджень надзвукових плазмових струменів на парі металів, яка дозволяє вивчити фізичні процеси, що призводять до заселення та спустошення рівнів, між якими утворюється інверсна заселеність, дослідити умови утворення інверсної заселеності на переходах атомів та іонів вибраних об`єктів.
Джерелом плазмового струменя служив плазмотрон з "фіксацією" середньої довжини дуги "уступом". Параметри дуги регулювалися в межах Uдуги=15–40 В, Iдуги=40–200 A.
У процесі експерименту вимірювалися такі основні параметри: тиск у дуговій, передсопловій та вакуумній камерах; масові витрати газів та металів; температура та концентрація електронів у плазмовому струмені на різних відстанях від сопла; заселеність збуджених станів атомів та молекул у плазмовому струмені; коефіцієнти поглинання та підсилення спектральних ліній та їх контури.
Заселеність збуджених станів атомів у плазмовому струмені визначалася за отриманою нами формулою
(8)
де l – ширина вихідної щілини спектрального приладу;
n – відношення світлових енергій, що попадають на фотокатод фотоелектронного помножувача від струменя та еталонного джерела;
r – радіус струменя.
Абсолютна концентрація збуджених молекул в електронному стані визначалася схожим чином:
(9)
де SП – величина, пропорційна повній енергії (потужності) випромінювання смуги, зареєстрована при тих же умовах, що і n2 (величина, пропорційна енергії випромінювання еталонної лампи на частоті ср).
Для визначення температури та концентрації електронів використовувалась зондова методика, а також методи визначення за відносними інтенсивностями спектральних ліній та за рекомбінаційним континуумом.
Величини відносного поглинання та підсилення (А) спектральних ліній у плазмовому струмені вимірювалися методом одного дзеркала. Коефіцієнт під силення визначався з отриманого нами виразу: (10)
де l – довжина поглинаючого шару
Запропонований метод дозволяє визначити величину відносного підсилення та коефіцієнт підсилення випромінювання для різних величин оптичної густини, аж до k0 l = 5. При більш високих оптичних густинах ряд (12) стає розбіжним і метод стає непридатним через незадовільну точність визначення 0.
У цьому ж розділі розглянуто ідеалізовану схему розрахунку заселеностей збуджених станів атомів та іонів виключно з метою уточнення фізики процесів, що відбуваються в плазмовому струмені.
Було прийнято такі припущення: розширення відбувається в інерційній стадії; розглядалося однорідне розширення плазмового згустку, в рівняннях теплового балансу покладалося, що в плазмі відсутні сторонні макрополя, вплив в`язкості та дифузії знехтовно малий; процеси фотоіонізації та фоторекомбінації не враховува лись; характерні розміри плазмового згустку вважалися достатньо великими, щоб не враховувати вплив межі плазми на кінетику релаксаційних процесів, теплоємність суміші газів у всьому діапазоні вільного розширення є постійною.
Система диференційних рівнянь, які описують релаксацію плазми, що розлітається, включала диференційні рівняння для заселеності збуджених рівнів атомів та іонів, рівняння для опису концентрації атомів в основному стані, рівняння балансу для концентрації електронів та рівняння теплового балансу для температур електронів та важких частинок, де враховувалися пружні та непружні співудари компонент плазми.
Параметри плазми, що повільно змінюються, Te , T0 , Ne , N0 визначалися чисельним інтегруванням (методом Рунге-Кутта або методом Гіра) відповідних диференційних рівнянь, а заселеності збуджених рівнів атомів та іонів, що швидко підлаштовуються під зміну Te , T0 , Ne , N0, визначалися з системи рівнянь методом "стаціонарного стоку" або "переважного стоку".
Метод "стаціонарного стоку" використовувався нами для розрахунку заселеностей збуджених рівнів літію, натрію та цезію. Число збуджених рівнів, що враховувались у відповідній системі диференційних рівнянь, звичайно становило 15–20. Крім того, враховувалося біля 20 квазірівноважних станів.
Для визначення заселеностей збуджених рівнів іонів звичайно використо вується метод "переважного стоку". В цьому наближеному методі покладається, що в заселенні рівнів іонів переважає потік прорекомбінованих іонів вищої зарядності, що рухаються по рівнях згори вниз; враховується невелика кількість рівнів іона і нехтується квазірівноважним спектром, а рекомбінаційний потік вводиться на групу найбільш верхніх врахованих рівнів, переходи між рівнями в напрямку згори вниз враховано всі, а переходи знизу вгору тільки між сусідніми рівнями.
Наявність наших експериментальних вимірювань заселеностей збудженних рівнів іонів кадмію та стронцію, які утворюються в рекомбінуючій плазмі He–Cd, He–Sr, дозволила оцінити точність методу "переважного стоку" і запропонувати більш точний метод "урізаного стоку", який є його різновидом. Відмінність методу "урізаного стоку" полягає в тому, що в ньому враховуються всі переходи – і згори вниз, і знизу вгору – між врахованими рівнями іона.
Тут же наведено аналіз перерізів елементарних процесів, які відбуваються в рекомбінуючій плазмі, та методів їх розрахунку. Зокрема, ефективні перерізи збудження атомів електронним ударом, отримані в розділах 2 і 3, або безпосередньо використову вались у розрахунку констант швидкостей збудження, або служили критерієм для вибору теоретичного методу їх розрахунку.
У п`ятому розділі обговорюються результати комплексного (екс перимен тально–розрахункового) дослідження умов та механізмів створення інверсних заселеностей у плазмових струменях на парі металів.
Вперше отримано й досліджено інверсні заселеності атомів літію та натрію, іонів кадмію та стронцію в області вільного розширення плазмових струменів на парі цих металів.
З`ясовано основні механізми, які призводять до заселення верхніх робочих рівнів інвертованих переходів, а саме: трьохчастинкова електрон-іонна рекомбіна ція для атомів літію та натрію; екзотермічна перезарядка та реакція Пеннінга для іона кадмію; трьохчастинкова електрон-іонна рекомбінація та перезарядка двократних іонів стронцію на метастабільних станах атомів стронцію та гелію.
З рис. 4 видно, що для літію та натрію максимальні величини інверсної заселеності спостерігаються поблизу зрізу сопла і різко падають вздовж струменя, відстежуючи при цьому зміну концентрації електронів. Усе це говорить про те, що суттєву роль у створенні інверсної заселеності грають процеси з участю електронів, зокрема процес трьохчастинкової електрон-іонної рекомбінації. Цей висновок підтверджують додатковий експеримент з введенням присадки Cs у He–Li-плазмо вий струмінь (див. рис.5) та розрахунки кінетики заселеностей He–Li–Cs-плазми.
На відміну від лужних металів, максимум величини інверсної заселеності у іонів Sr+ та Cd+ спостерігався на значній віддалі від зрізу сопла (див. рис.4, криві 3,4). Це однозначно говорить про те, що в кадмієвій та стронцієвій плазмі реакції з участю електронів не вносять суттєвого вкладу в утворення інверсної заселеності, оскільки концентрація електронів там занадто мала. Механізмами, які призводять до заселення верхніх робочих рівнів іонів кадмію та стронцію, є процеси з участю важких частинок.
Вперше запропоновано, експериментально та теоретично дослі джено механізм впливу присадки, яка легко іонізується і збагачує плазму електронами, на формування інверсних заселеностей у рекомбінуючій плазмі. Встановлено, що така присадка впливає на величину інверсних заселеностей як через зміну основних параметрів плазми Ne та Te, так і через заселення рівнів атомів реакціями атомних співударів. При введенні присадки в оптимальній концентрації в рекомбінуючу плазму можна збільшити інверсні заселеності на 1–2 порядки (рис.5). Виявлено, що для літієвої плазми з густиною 1016–1018 см–3 оптимальна концентрація присадки цезію становить близько 51015 см–3.
Показано, що введення присадки Cs в плазмові струмені на основі елементів з високими потенціалами іонізації є зручним експериментальним методом для з`ясування ролі трьохчастинкової електрон-іонної рекомбінації у створенні інверсної заселеності. Там, де цей процес є домінуючим, введення присадки суттєво збільшує величину інверсних заселеностей, і, навпаки, там, де цей процес не вносить істотного вкладу, введення присадки понижує величину інверсних заселеностей.
Вперше отримано підсилення випромінювання на 32S1/2–22P3/2 переході атома літію (рис.6) і тим самим показано принципову можливість отримання неперервної лазерної генерації на вказаному переході LiI.
У шостому розділі вперше реалізовано та експериментально обгрунтовано запропонований нами спосіб неперервного отримання ексимерних молекул.
Вперше проведено експериментальні дослідження утворення ексимерних молекул KrF*, XeF*, KrCl* та XeCl* в неперервному плазмовому струмені на сумішах інертних газів з молекулами SF6 та CCl4. Встановлено оптимальні умови утворення ексимерів за компонентним складом робочих сумішей, витратами та тисками газів (див., наприклад, рис.7) і потужністю, що вводиться в плазмотрон (рис.8), при двох способах змішування (до і після сопла) попередньо отриманої в дуговому розряді плазми інертних газів з SF6 та CCl4.
Виміряно абсолютні концентрації ексимерних молекул в електронних B2+1/2 станах. Максимальна концентрація ексимерів, досягнута для молекули KrF* і до рів нює N=51011 см-3. Отримана концентрація KrF(B) відповідає питомій потужності 40–60 Вт/см3 спонтанного випромінювання ексимерної молекули KrF(B) та ККД перетворення електричної потужності, що вводиться в дуговий розряд, –2–4%.
Проведено вимірювання коефіцієнтів поглинання і ширин спектральних ліній атомів Kr та Xe, оптично зв`язаних з метастабільними станами. Виконано оцінки заселеностей 3P2 та 3P0 _ станів KrI та XeI у плазмовому струмені. Величини заселеностей цих станів досягають значень ~1012см-3, і їх необхідно враховувати в кінетиці процесів, які відбуваються в плазмовому струмені.
Виміряно температуру та концентрації електронів у струмені, а також вивчено вплив SF6 та CCl4 на зміну цих параметрів. Встановлено взаємозв`язок ефектів прилипання електронів до галогеновмісних молекул з утворенням ексимерів (рис.9). Показано, що основним каналом утворення ексимерів є іон-іонна рекомбінація.
У сьомому розділі проведено аналіз механізмів утворення монофторидів та монохлоридів інертних газів у плазмовому струмені. На основі порівняння розподілів інтенсивності випромінювання ексимерів вздовж струменя (рис.10), отриманих при двох різних способах змішування ексимероутворюючих компонент (введенні галогенагенту до і після сопла), та аналізу зміни основних параметрів плазми (Ne, Te, Tг та ін.) при введенні галогенагенту, було встановлено взаємозв`язок утворення ексимерів з ефективністю прилипання електронів до галогенагентів та перебігом у струмені іон-іонної рекомбінації:
+ продукти , (13)
продукти (14)
R+ + Cl– + M RCl* + M , (15)
де R = Kr , Xe . M - третя частинка.
У цьому ж розділі на основі створеної нами математичної моделі було проведено оцінку оптимальних початкових параметрів плазми, необхідних для отримання генерації в плазмовому струмені на молекулі KrF*, і дано рекомендації по досягненню цих параметрів.
Модель створення активного середовища ексимерного KrF* ПДЛ включає опис потоку плазми криптону по надзвуковому соплу, її охолодження внаслідок розширення та змішування з фтором на певній віддалі від критичного перерізу сопла. Модель забезпечує знання основних параметрів плазми криптону на вході в область змішування: концентрації та температури компонент плазми і швидкості струменя. Крім того, вона відображає кінетику процесів, які відбу ваються в області змішування і призводять до утворення ексимерних молекул KrF*.
Розглядалася одновимірна течія плазми криптону по надзвуковому соплу. Багатокомпонентна плазма складається з електронів, нейтральних атомів, іонів різної кратності в основному та збудженому станах. Усі частинки мають максвелівський розподіл за швидкостями. Вплив в`язкості, теплопровідності та дифузії не враховувався. Зовнішні електричні та магнітні поля були відсутні.
Внаслідок різної залежності швидкостей іонізації та рекомбінації від температури всю течію можна разбити на ділянки: а) рівноважну (швидкість іонізації дорівнює швидкості рекомбінації); б) кінетичну (швидкість іонізації набагато менша від швидкості рекомбінації); в) заморожену (обидві швидкості прямують до нуля).
Межі ділянок визначалися співвідношенням між характерними газодинамічним (h) та рекомбінаційним (р) часами. За газодинамічний час брався час прольоту плазмою зі швидкістю V віддалі, рівної розміру критичного перерізу сопла H: h=H/V. Характерний час рекомбінації p = 1/Ne2, де Ne – концентрація електронів, - коефіцієнт рекомбінації іона. Розрахунки показали, що область переходу від рівноважного потоку до замороженого є вузькою в широкому діапазоні параметрів гальмування плазми. Це послужило підгрунтям для використання моделі "миттєвого заморожування", за якою течія плазми розбивається на дві ділянки – рівноважну та заморожену. Перехід відбувається в "точках заморожування", а їх положення знаходиться із умови рівності h і p.
Рівняння плазмодинаміки на кожній з ділянок течії розв`язувалися незалежно, а в точці заморожування "зшивалися".
Процеси, що відбуваються в зоні змішування, описувалися системою швид кісних рівнянь виду
де Nm, Nn – концентрації взаємодіючих компонент суміші, яка складається з Kr, Kr* , Kr+ , KrF*(B), KrF*0(B), KrF(X), F2 ,e, h.
Початковими параметрами для системи рівнянь (16) служили дані, отримані при розв`язанні рівнянь плазмодинаміки.
У розрахунках враховувалося, що в результаті реакції іон-іонної рекомбінації та гарпунної реакції, а також при передачі енергії від різних компонент, відбувається заселення верхніх коливних рівнів молекули KrF*(B) (n4). Група нижніх коливних рівнів (n=03) молекули KrF*0(B), на переходах з яких відбувається генерація, заселяється в результаті коливної релаксації з урахуванням гасячих співударів. Радіаційний розпад KrF*(B), KrF*0(B) відбувається в результаті як спонтанних, так і індукованих переходів у KrF(X) стани з наступним розпадом молекули на атоми. Враховувалося також поглинання випромінених квантів як молекулою KrF(X), так і іншими компонентами суміші.
Результати розрахунків заселеностей KrF*0(B) у залежності від температури гальмування плазмового потоку Kr і концентрації галогену (F2) в місці змішування двох потоків показано на рис.11. Цифри на топограмі відповідають величині lg(KrF*0,см–3). Концентрація Kr в передсопловій камері при цьому становила NKr=1019 см –3. Змішування проводилося на віддалі 3 мм від критичного перерізу плоского клиновидного сопла з кутом напіврозкриття 70 .
Як видно з рис. 11, із ростом температури гальмування вихід ексимерних молекул спочатку збільшується, досягає максимуму, а потім падає. Ріст концентрації ексимерів з ростом T0 пов`язаний зі збільшенням концентрації іонів Kr+ та електронів. Зменшення ефективності утворення KrF*0(B) після досягнення максимуму зумовлене гасячими процесами, в першу чергу, гасінням електронами.
Оптимальне відношення концентрації Kr+(Ne) та галогену (F2) близьке до одиниці. В діапазоні температур до значень, при яких досягається максимальний вихід KrF0*(B), електрони не вносять відчутного вкладу в гасіння ексимерної молекули, оскільки їх концентрація незначна внаслідок інтенсивного прилипання до F2 і утворення стабільного негативного іона F–. Подальше збільшення температури при незмінній концентрації F2 призводить до надлишку концентрації електронів, що, в свою чергу, приводить до зменшення концентрації KrF*0(B). Домінуючий вклад в утворення ексимерних молекул вносить іон-іонна рекомбінація.
У загальних висновках сформульовано основні результати дисертації:
1. Запропоновано та реалізовано:
– новий спосіб неперервного отримання ексимерних молекул;
– нову методику визначення коефіцієнта підсилення в діапазоні оптичних густин l 5 за поглинанням спектральних ліній з використанням одного дзеркала, застосовану до плазмових струменів;
– новий, більш точний метод розрахунку заселеностей збуджених рівнів іонів у рекомбінуючій плазмі – метод "урізаного стоку". Показано, що розрахунки заселеностей рівнів іонів кадмію та стронцію, виконані даним методом, краще інших узгоджуються із результатами експериментальних досліджень.
2. Вперше отримано ефективні перерізи збудження валентних оболонок атомів лужноземельних елементів, міді, свинцю та вісмуту. В цілому вивчено ефективні перерізи збудження для ~200 спектральних переходів.
3. Показано, що вид енергетичних залежностей спектральних переходів як для одноелектронного, так і двохелектронного збудження не залежить від конфігурації основного стану, а визначається величиною зміни повного моменту та наявністю обмінної взаємодії. В разі справедливості LS–зв`язку характер енергетичної залежності перерізу збудження стану атома визначається в першу чергу різницею спінових S та орбітальних L моментів початкового та кінцевого станів. При S0 перерізи збудження мають максимум поблизу порогу та швидко спадають з ростом енергії, на відміну від переходів з S=0, коли функції збудження мають пологу форму з максимумом при енергіях в декілька порогових одиниць. Як для переходів з S=0, так і переходів з S0 функції збудження звужуються зі збільшенням L і максимум їх зміщується до порогу.
4. Вперше створено та досліджено інверсні заселеності атомів літію та натрію, іонів кадмію та стронцію в області вільного розширення плазмових струменів на парі цих металів. Встановлено основні механізми, які призводять до заселення верхніх робочих рівнів інвертованих переходів, а саме:
– трьохчастинкова електрон-іонна рекомбінація для атомів літію та натрію;
– екзотермічна перезарядка та реакція Пеннінга для іона кадмію;
– трьохчастинкова електрон-іонна рекомбінація та перезарядка двократних іонів стронцію на метастабільних станах атомів стронцію та гелію.
5. Вперше отримано підсилення випромінювання на 32S1/2–22P1/2 переході атома літію (=812,6 нм, 0=0,05-0,13 см–1) і цим самим показано принципову можливість отримання неперервної лазерної генерації на вказаному переході LiI.
6. Вперше запропонований, експериментально та теоретично досліджено механізм впливу присадки, яка легко іонізується і збагачує плазму електронами, на формування інверсних заселеностей у рекомбінуючій плазмі. Встановлено, що така присадка впливає на величину інверсних заселеностей як через зміну основних параметрів плазми Ne та Te, так і через заселення рівнів атомів реакціями атомних співударів. При введенні іонізованої присадки в оптимальній концентрації в рекомбінуючу плазму можна збільшити інверсні заселеності на 1-2 порядки. Виявлено, що для літієвої плазми з густиною 1016–1018 см–3 оптимальна концентрація присадки цезію становить біля 5 1015 см–3. Показано, що введення присадки Cs в плазмові струмені на основі елементів з високими потенціалами іонізації є зручним експериментальним методом для з`ясування ролі трьохчастин кової електрон-іонної рекомбінації у створенні інверсних заселеностей. Там, де цей процес є домінуючим, введення присадки суттєво збільшує величину інверсних заселеностей і навпаки: там, де цей процес не вносить істотного вкладу, введення присадки зменшує величину інверсних заселеностей.
7. Вперше проведено експериментальні дослідження утворення ексимерних молекул KrF, XeF, KrCl та XeCl у неперервному плазмовому струмені на сумішах інертних газів з молекулами SF6 та CCl4. Встановлено оптимальні умови утворення ексимерів за компонентним складом робочих сумішей, витратами та тисками газів при двох способах змішування (до і після сопла) попередньо отриманої в дуговому розряді плазми інертних газів з SF6 та CCl4.
8. На основі аналізу експериментальних залежностей та розрахункових даних виявлено взаємозв`язок ефектів прилипання електронів до галогенмістких молекул з утворенням ексимерів. Встановлено, що основним процесом, який призводить до заселення збуджених станів моногалогенідів інертних газів у плазмовому струмені, є трьохчастинкова рекомбінація іонів Kr+, Xe+ та іонів F–, SF–5 у випадку монофторидів та відповідних позитивних іонів з негативними іонами Cl– – у випадку монохлоридів.
9. Розглянуто шляхи подальшого підвищення концентрацій моногалогенідів інертних газів у плазмовому струмені та досягнення порогових умов для лазерної генерації. Показано принципову можливість досягнення густин ексимерів N*– 1013 см–3 та коефіцієнту підсилення – 5 10–3 см–1 на B–X – переході KrF*.
СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ АВТОРА З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Стародуб В.П. Про механізми утворення інверсної заселеності рівнів Sr+ у неперервному плазмовому срумені // УФЖ. – 1997. – Т.42, №10. – C. 1204–1206.
2. Стародуб В.П. Про роль метастабільних атомів Kr i Xe в утворенні ексимерних молекул галогенідів інертних газів у плазмовому струмені // УФЖ. – 1998. – Т.43, №1. – C. 42–44.
3. Стародуб В.П. О механизмах образования инверсной заселенности уровней атомов и ионов металлов в плазменной струе // ЖТФ. – 1998 – Т.68, вып.6. – С.134–135.
4 Стародуб В.П. Двухэлектронное возбуждение атомов кальция, стронция и бария под действием электронного удара // ЖПС.– 1998.–Т.65, вып.3.–С.433–436.
5. Стародуб В.П. Эффективные сечения возбуждения n 3P1–уровней щелочноземельных атомов // Опт. и спектр. – 1998. – Т.85, вып.1.– С.24–26.
6. Инверсная заселенность уровней лития и цезия в плазменной струе / С.П.Богачева, М.Ф.Вереш, В.С.Рогулич, В.П.Стародуб / УФЖ. – 1985. – Т.30, №2. – С.186–189.
7. Рогулич В.С, Стародуб В.П., Шевера В.С. Излучение эксимеров KrF* и XeF* в плазменной струе // Письма в ЖТФ. – 1986. – Т.12, №10. – С.606–609.
8. Вереш М.Ф., Запесочный И.П., Стародуб В.П. О двух механизмах образования инверсной заселенности уровней Cd+ в непрерывной плазменной струе // ЖТФ. 1987. – Т.57, №3. – С.573–574.
9. Вереш М.Ф, Запесочный И.П, Стародуб В.П. Отрицательное поглощение на =812,6 нм атома лития в He-Li плазменной струе // Опт. и спектр. – 1987 – Т.62, №2. – С.245–247.
10. Влияние присадки цезия на формирование инверсных заселенностей в рекомбинирующей литиевой плазме / Богачева С.П., Воронюк Л.В., Запесочный И.П., Стародуб В.П., Федорченко А.М. / ПМТФ. – 1984. – №6. – С.10–15.
11. Рогулич В.С, Стародуб В.П., Шевера В.С. Об эффективности образования эксимерных молекул в плазменной струе на смесях инертных газов с SF6 и CCl4 // ЖТФ. – 1988 – Т.58, №10. – С.1893–1896.
12. Рогулич В.С., Стародуб В.П., Шевера В.С. К вопросу образования эксимерных молекул в непрерывной плазменной струе // Опт. и спектр. – 1990. – Т.69, вып.4. – С.756–758.
13. Сердюк В.А., Стародуб В.П. Расчет параметров плазменной струи на смеси криптона и галогенагента // Оптика атмосферы и океана. – 1996. – Т.9, №2. – С.1 6.
14. А.с. 1611186 А1 СССР, МКИ H 01 S 3/22 Способ непрерывного получения эксимерных молекул / В.П. Стародуб, М.Ф. Вереш (СССР). – №4685192/31–25; Заявлено 25.04.89; Опубликовано 01.08.90. – 2с.
15. Возбуждение резонансных линий атомов бария и кальция / И.С.Алексахин, И.П.Запесочный, И.И.Гарга, В.П.Стародуб / Опт. и спектр. – 1971. – Т.20, вып.6. – С.1178–1179.
16. Возбуждение щелочноземельных атомов электронным ударом. I. Магний / И.С.Алексахин, И.П.Запесочный, И.И.Гарга, В.П.Ста родуб / Опт. и спектр. – 1973. – Т.34, вып.6. – С.1053–1061.
17. Возбуждение щелочноземельных атомов электронным ударом. II. Стронций (синглеты) / В.П.Стародуб, И.С.Алексахин, И.И.Гарга, И.П.Запесочный, / Опт. и спектр. – 1973. – Т.35, вып.4. – С.1037–1045.
18. Возбуждение щелочноземельных атомов электронным ударом. III. Стронций (триплеты) / И.С.Алексахин, И.И.Гарга, И.П.Запе соч ный, В.П.Стародуб / Опт. и спектр. – 1974. – Т.37, вып.1. – С.20–25.
19. Возбуждение щелочноземельных атомов электронным ударом. IV. Кальций / И.И.Гарга, И.С.Алексахин, И.П.Запесочный, В.П.Старо дуб / Опт. и спектр. – 1974. – Т.37, вып.5. – С.843–849.
20. Возбуждение щелочноземельных атомов электронным ударом. V. Барий / И.С.Алексахин, И.И.Гарга, И.П.Запесочный, В.П.Стародуб / Опт. и спектр. – 1975. – Т.38, вып.2. – С.228–235.
21. О возбуждении атомов меди электронным ударом / И.С.Алексахин, А.А.Боровик, В.П.Стародуб, И.И.Шафраньош / ЖПС. – 1979. – Т.30, вып.2. – С.236 239.
22. Эффективные сечения возбуждения спектральных линий атома свинца / И.С.Алексахин, А.А.Боровик, В.П.Стародуб, И.И. Шафраньош / Опт. и спектр. – 1979. – Т.46, вып.6. – С.1125–1129
23. О возбуждении висмута электронным ударом / И.И.Шафраньош, В.П.Стародуб, Т.А.Шишова, И.С.Алексахин / Опт. и спектр. – 1981. – Т.50, вып.4. – С.658–662.
24. Исследование заселенностей уровней Cd+ в He–Cd плазмодинамической струе / С.П.Богачева, М.Ф.Вереш, В.П.Стародуб, В.С.Ро гулич – Ужгород, 1984. – 18с. Рус. Деп. в УкрНИИНТИ 11.06. 1984, №1011 – Ук84-ДЕП.
25. О роли трехчастичной рекомбинации в заселении уровней атомов щелочных металлов в плазменной струе / С.П.Богачева, М.Ф.Ве реш, В.С.Рогулич, В.П.Стародуб / Процессы элементарных взаимодействий в атомах. – Ужгород. – 1985. – С.168–177.
26. Самопоглощение излучения спектральных линий в атомном пучке / С.Ю.Медведев, И.И.Шафраньош, В.П.Стародуб, М.И.Суховия – Ужгород, 1977.–7с. Рус. Деп. в ВИНИТИ 17.06.1977 г., №2391–77.
27. Шафраньош И.И., Стародуб В.П., Алексахин И.С. Эффективные сечения возбуждения спектральных переходов висмута электронным ударом // Ужгород, 1979. – 8с. Рус. Деп. в ВИНИТИ 25.07.1979 г., №2813–79.
28. Inelastic collisions of slow electrons with twovalency atoms / I.S.Aleksakhin, I.P.Zapesochny, I.I.Garga, V.P.Starodub / Proc. VII ICPEAC. – Amsterdam. – 1971. – P.723–725.
29. Starodub V.P., Serdyuk V.A. Investigation of krypton and halogenagent mixture in plasma flow // Proc. The fifth Europen conf. on atomic and molecular physics – Edinburgh (United Kingdom) – 1995. – V.19A, Part II. – P.733.
30. Излучательные переходы в щелочноземельных атомах под действием медленных электронов / Алексахин И.С., Запесочный И.П., Стародуб В.П., Гарга И.И., Постой Е.Н. / Труды Первого Всесоюзного симпозиума по плазмохимии – Москва –1971 – С.108.
31. Алексахин И.С., Стародуб В.П., Шафраньош И.И. Изучение эффективных сечений возбуждения лазерных уровней CuI, PbI, BiI электронами низких энергий // Труды VII Всесоюзной конференции по электронно-атомным столкновениям (ВКЭАС 78).– Часть II. – Петрозаводск. !978. С.80.
32. Роль автоионизационных состояний в заселении лазерного 62S1/2 – уровня иона стронция / И.С.Алексахин, А.А.Боровик, И.П. Запесочный, В.П.Стародуб / Труды II Всесоюзного семинара по физическим процессам в газовых ОКГ. – Ужгород.–1978. – С.156–158.
33. Расчет сечений экзотермической перезарядки ионов He+ на атомах Cd при медленных столкновениях / Богачева С.П., Вереш М.Ф., Стародуб В.П., Рогулич В.С., Карбованец М.И. / Труды IX Всесоюзной конференции по физике электрон ных и атомных столкновений (ВКЭАС 84). – Часть I. – Рига. – 1984. – С.86.
Исследование заселенностей возбужденных состояний атомов щелочных металлов и моногалогенидов инертных газов в плазменной струе / Богачева С.П., Вереш М.Ф., Стародуб В.П., Рогулич В.С., Запесочный И.П., Шевера В.С. / Труды VIII Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов – Часть 2. – Москва. – 1985. – С.97.
35. Вереш М.Ф., Стародуб В.П. Усиление излучения на =812,6 нм атома лития в He–Li плазменной струе // Труды Всесоюзной конференции "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах". – Часть I. – Томск. – 1986. – С.39–40.
36. Рогулич В.С., Стародуб В.П., Шевера В.С. Исследование образования монофторидов инертных газов в плазменной струе // Труды Всесоюзной конференции "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах". – Часть I. – Томск. – 1986. – С. 60–61.
37. Исследование образования эксимеров XeF, XeCl, KrF, KrCl в плазменной струе / В.П. Стародуб, В.С. Рогулич, В.С. Шевера, С.П. Богачева / Труды VII Всесоюзной конференции по физике низко температурной плазмы – Часть II. – Ташкент. – 1987. – С.53–54.
38. Стародуб В.П., Рогулич В.С. Тушение B2+ состояний молекул KrF и XeF в плазменной струе на смеси инертных газов с SF6 // Труды X Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (ВКЭАС 88). – Часть II. – Ужгород.–1988. – С.181.
39. Исследование плазменной струи на смеси инертных газов и галоген агентов на предмет получения лазерной генерации / В.П.Ста родуб, В.А.Сердюк, Ю.Ю.Машика, В.Ю.Фучко / Праці конф. ІЕФ–93. – Ужгород. – 1993. – C.185–188.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
[1] Бейгман И.Л. Вычисление эффективных сечений рассеяния с атомными функциями, учитывающими взаимодействие конфигураций // Тр.ФИАН СССР.– 1970.– Т.51.–С.55–62.
[2] Виноградов А.В. Классический метод в теории столкновений атомов с тяжелыми частицами и электронами // Тр.ФИАН СССР.– 1970.– Т.51.– С.44–54.
[3] Cheen S.T., Leep D., Gallagher A. Excitation of the Sr and Sr resonance lines by electron impact on Sr atoms // Phys. Rev.A.–1976.–V.13, №3. –P.947–952.
[4] Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Сечения возбуждения атомов и ионов электронами. –М.:Наука, 1973. – 143 с.
[5] Савченко В.Н. Борновские эффективные сечения тонкой структуры 1S0–1P1 и 1S0–3P0,1,2 переходов атомов магния, кальция, стронция и бария электронным ударом // Уч. зап. Дальневост. ун–та. – 1970. – Т.51. С.14–16.
[6] Фабрикант И.И. Столкновение медленных электронов с атомами щелочноземельных элементов // Атомные процессы Под ред. Петеркопа Р.К. – Рига: Зинатне. – 1975. –С.80–123.
[7] Елецкий А.В., Смирнов В.М. Полуэмпирический расчет неупругого рассеяния электронов на атомах // ЖЭТФ. – 1968. – Т.38, №1. – С.3–7.
[8] Van Blerkom I.K. Low energy electron scattering by MgI // J.Phys. B.: Atom. Molec. Phys. – 1970. – V.3. – P.932–936.
Анотації
Стародуб В.П. Фізичні процеси в активних середовищах плазмодина мічних лазерів на парі металів та галогенідів інертних газів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 – оптика, лазерна фізика. – Інститут фізики НАН України, Київ. 1999.
В дисертації приведені результати експериментального та теоретичного дослідження фізичних процесів в плазмовому струмені, які ведуть до утворення активного середовища для плазмодинамічного лазеру на парі Li, Na, Sr, Cd. Запропоновано спосіб підвищення ефективності активного середовища на плазмі, яка рекомбінує за рахунок введення присадки Cs, який обгрунтовано теоретично і підтверджено експериментально. Отримано та досліджено понад 200 ефективних перерізів одноелектронного та двохелектронного збудження атомів Mg, Ca, Sr, Ba, Cu, Bi та Pb. Запропоновано та реалізовано спосіб неперервного отримання ексимерних молекул в плазмовому струмені на суміші інертних газів з галогенагентами. Розглянуто шляхи підвищення концентрації моногалогенідів інертних газів у плазмовому струмені.
Ключові слова: лазер, плазмовий струмень, метали, галогеніди інертніх газів, рекомбінація, ефективні перерізи збудження, експериментально-теоретичні методи.
Starodub V.P. Physical processes in the active media of plasmodynamic metal-vapour and noble gas-halide lasers. – Manuscript.
Thesis for Dr.Sc. (Physics and Mathematics) degree. Speciality 01.04.05 – Optics, laser physics. – Institute of Physics, Ukr. Nat. Acad. Sci., Kyiv, 1999.
The results of experimental and theoretical studies of physical processes in a plasma jet, resulting in the formation of an active medium for Li, Na, Sr, Cd vapour plasmodynamic laser, are reported. A method for increasing the efficiency of the active medium on the recombining plasma due to the introduction of Cs additive is suggested, being substantiated theoretically and confirmed experimentally. About 200 effective cross-sections of one-electron and two-electron excitation of Mg, Ca, Sr, Ba, Cu, Bi and Pb atoms are obtained and studied. A method for continuous obtaining of excimer molecules in the plasma jet on the mixture of noble gases and halogen agents is suggested and realized. The ways of increasing the noble gas monohalide concentration in the plasma jet are considered.
Key words: laser, plasma jet, metals, noble gas holids, recombination, effective cross-sections of excitation, experimental and theoretical methods.
Стародуб В.П. Физические процессы в активных средах плазмодинамических лазеров на парах металлов и галогенидов инертных газов. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико–математических наук по специальности 01.04.05 – оптика, лазерная физика.– Институт физики НАН Украины, Киев, 1999.
В диссертации приведены результаты экспериментального и теоретического исследования физических процессов в плазменной струе, которые приводят к образованию активной среды для плазмодинамического лазера на парах Li, Na, Sr, Cd. Созданы и исследованы инверсные заселенности атомов лития и натрия, ионов кадмия и стронция в области свободного расширения плазменных струй на парах этих металлов. Установлены основные механизмы, которые приводят к заселению верхних рабочих уровней инвертированых переходов, а именно: трехчастичная электрон-ионная рекомбинация для атомов лития и натрия; экзотермическая перезарядка и реакция Пеннинга для иона кадмия; трехчастичная электрон-ионная рекомбинация и перезарядка двухкратных ионов стронция на метастабильных атомах стронция и гелия. Получено усиление излучения на 32S1/2–22P1/2 переходе атома лития (=812,6 нм, 0=0,05-0,13 см–1) и этим показана принципиальная возможность получения непрерывной лазерной генерации на указаном переходе LiI. Предложен способ повышения эффективности активной среды на рекомбинирующей плазме за счет введения присадки Cs, который обоснован теоретически и подтвержден экспериментально. Уста новлено, что такая присадка влияет на величины инверсных заселенностей как через изменение основных параметров плазмы Ne и Te, так и через заселение уровней атомов реакциями атомных соударений. При введении присадки в оптимальной концентрации в рекомбинирующую плазму можно увеличить величину инверсной заселенности на 1-2 порядка. Установлено, что для литиевой плазмы плотностью 1016–1018 см–3 оптимальная концентрация присадки цезия составляет ~ 5 1015 см–3.
Получено и исследовано около 200 эффективных сечений одноэлектронного и двухэлектронного возбуждения атомов Mg, Ca, Sr, Ba, Cu, Bi и Pb электронным ударом. Установлены основные закономерности как одноэлектронного, так и двухэлектронного возбуждения этих атомов. Показано, что вид функции возбуждения не зависит от конфигурации основного состояния, а определяется величиной изменения пол ного момента и наличием обменного взаимодействия. Установлено, что функции возбуждения переходов, обусловленных двухэлектронным возбуждением, подобны функциям возбуждения переходов с уровней одноэлектронного возбуждения, а их эффективные сечения равновелики.
Предложен и реализован способ непрерывного получения эксимерных молекул в плазменной струе на смеси инертных газов с галогенагентами. Установлено, что основным процессом, который приводит к заселению возбужденных состояний моногалогенидов инертных газов в плазменной струе, является трехчастичная рекомбинация ионов Kr+, Xe+ и ионов F–, SF–5 в случае монофторидов и соответствующих положительных ионов с отрицательными ионами Cl– – в случае монохлоридов. Показана принципиальная возможность достижения плотности эксимеров N* – 1013 см–3 и коэффициента усиления – 510–3 см–1 на B–X – переходе KrF.
Ключевые слова: лазер, плазменная струя, металлы, галогениды инертных газов, рекомбинация, эффективные сечения возбуждения, экспериментально–теоретические методы.