Плазмохимические процессы в активной среде электроразрядных CO-лазеров

• Автор: Григорьян, Галина Михайловна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 303 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Г лава 1. Исследование параметров активных сред и генерационных характеристик электроразрядных СО - лазеров с криогенным охлаждением.
Анализ соответствия теории и эксперимента
1.1 Теоретическая модель электроразрядного СО-лазера
1.2 Температура газа и заселенности колебательных уровней молекулы СО(Х'Х) в плазме проточного разряда в смесях Не - СО, Не - СО - О2, Не - СО - N2 , Не - СО - N2 - Ог с криогенньм охлаждением
1.3 Энергетические и спектральные характеристики активной среды СО-лазера в смесях Не - СО, Не - СО - Ог, Не - СО - N2 , Не - СО -N2 - Ог с криогенным охлаждением
1.4 О влиянии кислорода на параметры активной среды
1.5. Влияние кислорода на параметры плазмы в СО-лазере с несамостоятельным
разрядом
Глава 2. Исследование параметров активных сред и генерационных характеристик электроразрядных СО - лазеров, работающих при комнатной температуре. Анализ соответствия теории и эксперимента
2.1 Проточный электроразрядный СО-лазер, работающий при комнатной
—ПС гстгп^раг^р^
2.2 Отпаянный СО-лазер, работающий при комнатной температуре
2. 2.1 Описание эксперимента
2.2.2. Влияние условий эксперимента на заселенности колебательных уровней в
отпаянном СО-лазере
Глава 3. Влияние ксенона на плазмохимические процессы в активной среде электроразрядного СО-лазера
3.1 Описание эксперимента
3.2 Теоретическая модель
3.3 Влияние ксенона на концентрацию молекул СО2 в плазме газового разряда в
смесях Не - СО - Хе
3.4 Влияние ксенона на концентрацию молекул Ог в плазме газового разряда в
смесях Не - СО - Ог - Хе
Г лава 4.. Баланс молекул окиси углерода в активной среде отпаянного
электроразрядного СС9—лазера
4.1 Описание эксперимента
4.2 Теоретическая модель
4.3 Смесь Не - СО
4.4 Смесь Не - СО - Хе
4.5 Влияние материала стенки на величину скорости гетерогенной
рекомбинации
Глава 5. Процессы с участием продуктов плазмохимии в активной среде электроразрядного СО-лазера
5.1 Молекулы СОг в активной среде СО-лазера
5.1.1 Описание эксперимента
5.1.2 Численная модель
5.1.3 Результаты исследований
5.2. Молекулы С3О2 в активной среде СО-лазера
5.2.1 Смесь Не - СО
5.2.2 Смесь Не - СО - Хе
5.2.3 Процессы, определяющие концентрацию молекул С3О2 в плазме газового разряда
5.3 Молекулы С
5.3.1 Результаты исследований
5.3.2 Смеси Не - СО - 02, Не - СО - Хе
5.3.3 Процессы, определяющие концентрацию молекул С2 в плазме газового
разряда
5.4 Молекулы СЫ
5.4.1 Результаты экспериментальных исследований
5.4.2 Анализ процессов образования и возбуждения молекул СИ в плазме разряда
5.4.3 О влиянии молекул С1Й на заселенности колебательно-возбужденных
молекул окиси углерода в плазме
Заключение
Литература
Приложение

Введение
Электрический разряд в смесях, содержащих молекулы окиси углерода, является объектом интенсивных исследований на протяжении многих десятилетий. Это связано как с важными прикладными возможностями использования таких разрядов - в первую очередь это мощные СО-лазеры, работающие на колебательных переходах основного электронного состояния молекулы СО(Х'Х), и плазмохимические реакторы, так и с разработкой фундаментальных аспектов молекулярной и электронной кинетики.
Низкотемпературная плазма газового разряда в смесях, содержащих окись углерода, используется для создания активной среды мощных СО-лазеров. Эти лазеры обладают целым рядом уникальных свойств, выделяющих их среди других мощных лазеров. В частности они имеют максимальный для газовых лазеров электрооптический КПД. Теоретический КПД превышает 90%, причем его отклонение от 100% обусловлено превращением в тепло небольшой доли энергии (связанной с энгармонизмом) при столкновениях в процессе колебательного обмена. Экспериментально реализованы рекордные значения КПД ~ 60% в импульсном режиме и ~ 50% в непрерывном режиме). По мощности он сравним с ССЬ-лазерами, но по КПД и удельному энергосъему существенно их превосходит.
Хотя впервые генерация на молекулах СО была получена почти в то же время, что и на молекулах СО2, развитие работ по его исследованию началось не сразу, т.к. первоначально СО-лазер не привлек внимания исследователей, в отличие от СО2-лазера, который сразу стал объектом пристального интереса не только ученых, но и технологов. Отсутствие интереса к СО-лазеру было в первую очередь связано с непониманием механизма создания инверсии в его активной среде, следствием чего был низкий уровень мощности лазера в первых

- в активной среде СО лазера, при использовании смесей содержащих азот, вероятности обмена квантами между молекулами N2 невелики на всех уровнях, представляющих практический интерес для кинетики СО-лазеров, и в уравнениях (1.1) для них можно ограничиться процессами одноквантового обмена;
- частоты межмолекулярного обмена между молекулами СО и N2 малы и достаточно учитывать только одноквантовые процессы: СО(у) + N2^) —> СО(у + 1) + N2 (уу - 1).
При больших степенях возбуждения характерных для активной среды СО-лазера функция распределения электронов по энергиям зависит не только от Е/ТЧ, но и от степени колебательного возбуждения молекул СО. Увеличение заселенностей колебательных уровней приводит к увеличению роли ударов второго рода СО(у) с электронами и как следствию - к росту числа электронов с более высокими энергиями. Это, в конечном счете, ведет к изменению доли энергии, идущей на возбуждение различных уровней, поэтому совместно с уравнениями колебательной кинетики (1.1) в теоретической модели производится решение стационарного уравнения Больцмана для сферически симметричной части функции распределения электронов по энергиям. Схематически оно может быть представлено в виде:

где с - энергия электрона в плазме газового разряда,.//. и ,/е1 - потоки электронов в энергетическом пространстве, обусловленные соответственно, наличием электрического поля и потерями энергии при упругих электрон-молекулярных столкновениях и при возбуждении молекулярных вращений, 5/(/в) - интеграл столкновений, учитывающий возбуждение (и девозбуждение) колебательных и электронных состояний, диссоциацию и ионизацию компонент активной среды при столкновениях с электронами.