СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ Российский патент 1995 года по МПК H05H1/24 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для генерации ионов, для введения их в газовые пространства, например в МГД-генераторах, в плазмохимических установках, а также для преобразования спектральных характеристик излучения и охлаждения газовой смеси.

Известен способ получения плазмы при фотоионизации оптически-активного вещества (ОАВ) [1]
Известен также способ, включающий создание в газовом объеме паров ОАВ, получение излучения в полосе частот поглощения ОАВ и облучение им газового объема [2]
Недостатками известного способа являются: неоднородность распределения возбужденных атомов ОАВ по ходу лучей возбуждающего излучения за счет влияния процесса реабсорбции, что приводит к ограниченной длине оптического поглощающего слоя и, как следствие, к невозможности ионизации больших газовых объемов ОАВ, либо объемов с высокой концентрацией ОАВ; низкий энергетический КПД источников излучения.

Техническим результатом заявляемого способа является увеличение эффективности оптического возбуждения и повышение энергетического КПД. Этот технический результат обеспечивается следующей совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения.

Как и в прототипе, происходит подача паров оптически активного вещества в рабочую камеру, образующих газовый объем, и облучение газового объема электромагнитным излучением, причем спектр излучения содержит полосу частот поглощения оптически активного вещества.

В отличие от прототипа в рабочую камеру дополнительно подают буферный газ, который образует с атомами оптически активного вещества квазимолекулярную подсистему газовой смеси. При этом количество буферного газа, температуру и давление газовой смеси выбирают из условий: N_OAB/N_БГ 0,001-0,01, N_OАВ˙N_БГ l ≥ 10³⁵ cм^-5, Т=(300-3000)К, Р=(0,01-1,0) МПа, где N_Б1 и N_ОАВ концентрации частиц буферного газа и оптически активного вещества соответственно;
l длина поглощающего оптическое излучение слоя газовой смеси;
Т и Р температура и давление газовой смеси.

Ширину спектра Δ ν электромагнитного излучения выбирают из условий Δ ν Δ E_m/h, МГц, где Δ Е_m глубина разностной потенциальной функции квазимолекулы, состоящей из частиц оптически активного вещества и буферного газа,
h постоянная Планка.

Таким образом, заявляемый способ отличается от прототипа тем, что кроме резонансного поглощения излучения атомами ОАВ, реализуется резонансное поглощение в квазимолекулах, состоящих из частиц ОАВ и частиц буферного газа, а также использование части тепловой энергии газовой смеси для возбуждения и ионизации атомов ОАВ.

На фиг. 1 представлены термы квазимолекулы в основном и электронно-возбужденном состояниях и переходы между ними; на фиг.2 зависимость коэффициента поглощения К(ν) от частоты (ν); на фиг.3 схема установки, реализующей предлагаемый способ.

Создание газовых смесей с существенно различными оптическими свойствами компонентов позволяет, избирательно воздействуя излучением на выбранную группу энергетических уровней, эффективно перекачивать энергию источника оптического возбуждения в энергию электронного возбуждения газовой среды.

В качестве оптически активных веществ наиболее удобными являются щелочные металлы, а также металлы II-й группы Периодической системы. В качестве буферного газа могут выступать инертные газы, компоненты воздуха, продукты сгорания различных углеводородов.

Важнейшим условием является существование так называемой квазимолекулярной подсистемы газовой смеси, состоящей из совокупности квазимолекул, образующихся в моменты столкновений оптически активных атомов с атомами и молекулами буферного газа. Кинетическая энергия относительного движения частиц в квазимолекулу превышает энергию связи, поэтому время существования квазимолекулы невелико порядка времени пролета микрочастиц друг относительно друга на расстоянии длины эффективного воздействия.

Поведение квазимолекулярной системы при облучении ее светом в спектральном диапазоне, попадающем в область квазистатического широкополосного поглощения (квазимолекулярного поглощения), поясняет фиг.1. Здесь схематично изображены термы квазимолекулы в основном и электронно-возбужденном состояниях и переходы между ними. Из соображений простоты выбрана двухуровневая модель квазимолекулы.

Тем не менее, эта простейшая модель позволяет правильно описать важнейшие характеристики рассматриваемого явления.

Квазимолекула в основном электронном состоянии обозначена как А + В, в возбужденном А^* + В. Здесь А оптически-активный атом, В атом и молекула буферного газа. Потенциальные функции основного и возбужденного состояний квазимолекулы обозначены соответственно U₁(r) и U₂(r), где r расстояние между взаимодействующими частицами. Е h ν_o энергия резонансного перехода оптически-активного атома, E_K1 и E_K2 кинетическая энергия относительного движения частиц в квазимолекуле в основном и возбужденном состоянии соответственно. Е h ν энергия перехода между термами квазимолекулы, соответствующая межъядерному расстоянию r.

Пунктирной стрелкой показан соответствующий переход между состояниями с полной энергией квазимолекулы.

Δ E h ( ν_o ν ) дефекты энергии фотона при поглощении света в квазистатической области спектра по сравнению с энергией резонансного поглощения оптически активным атомом.

В квазистатическом приближении
Δ Е U₂(r) U₁(r) (1) Из фиг.1 находим
E_K1 + h ν E_K2 + h ν_o. (2)
Из (1) и (2) следует
E_K1 E_K2 h (ν_o ν) U₂(r) U₁(r) (3) Таким образом
E_K2 E_K1 Δ (4)
Если дефект энергии фотона положительный, то кинетическая энергия разлетевшихся частиц, составляющих квазимолекулу, уменьшается за счет преодоления сил притяжения. Если дефект Δ Е < 0, то кинетическая энергия частиц после столкновения увеличивается.

Используя отмеченное обстоятельство, можно тепловую энергию газовой среды эффективно преобразовывать в энергию электронного возбуждения атомов А, что в свою очередь, будет способствовать росту степени ионизации газа.

Необходимым условием охлаждения газовой смеси при поглощении света является выполнение неравенства
U(r) U₂(r) U₁(r) > 0. (5)
Важнейшей оптической характеристикой среды является ее коэффициент поглощения К(ν). Интенсивность светового потока, проходящего через поглощающую среду, изменяется в соответствии с законом Бугера
Φ (l) Φ (o)l^-Kl (6) где l длина поглощающего слоя.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны в квазистатической области спектра может быть найдена, если известна разностная потенциальная функция U(r) (1), а также из анализа экспериментальных данных.

На фиг.2 приведена типичная зависимость коэффициента поглощения от частоты в области резонансной линии поглощения оптически-активного атома. Здесь Ω частота, определяющая границу применимости ударного и квазистатического приближений теории уширения спектральных линий.

Область квазистатического поглощения соответствует частотам
I ν_o ν I > Ω (7)
Показана также характерная особенность, обычно присутствующая в длинноволновом квазистатическом крыле спектральных линий сателлит, положение которого Ω _m относительно центра линии ν_o определяется глубиной разностной потенциальной функции Δ Е_m h Ω _m. За сателлитом с удалением от центра линии коэффициент поглощения обычно резко убывает.

Следовательно, область эффективного квазистатического поглощения, отсчитываемая от центра линии, обычно находится в пределах частот от Ω до Ω _m. При ширине спектра Δ ν 1,2 кТ/h эффективно может преобразовываться около 20% энергии теплового движения (при условии h Δ ν < Δ Е_m). В ряде случаев (малые температуры, большие величины Δ Е_m) такой выбор ширины спектра сужает диапазон эффективно работающих частот облучающего света.

Облучение газовой смеси в указанной полосе частот приводит к образованию возбужденных атомов А, одновременно уменьшая тепловую энергию системы. Из закона Бугера (6) следует, что оптимальное соотношение между эффективностью поглощения энергии излучения и одновременностью возбуждения среды по объему достигается при
K(ν)·l ≃ (1-3) β (8)
Для случая типичного вандерваальсова взаимодействия
U(r) C₆ ˙ r^-6 (9) коэффициент поглощения в квазистатическом крыле имеет вид
K(ν) B·N_A·N-, (10) где В постоянная контура, определяемая разностью
Δ C₆ C₆⁽²⁾ C₆⁽¹⁾ постоянных Ван-дер-Ваальса в основном и электронно-возбужденном состоянии квазимолекулы.

Из (8) и (10) находим условие оптимальности оптической длины поглощения
B·N_A·N-l β
Для середины области квазистатического поглощения получаем
N_A·N_B·l (11)
Выполнение условия (11) может достигаться изменением давления оптически активных атомов; изменением давления буферного газа; изменением геометрических размеров газовой среды; выбором типа взаимодействующих частиц.

Если диапазон температур газовой смеси Т (300 3000)К, диапазон давлений газовой смеси Р 0,01 1,0 МПа и диапазон оптических длин поглощения l 0,2 2,0 м, то условие (11) имеет вид
N_ОАВ/N_БГ 0,001-0,01
N_OАВ ˙ N_БГ ˙ l ≥ 10³⁵ см^-5.

В качестве примера реализации описанного способа рассмотрим квазимолекулярную систему Na Ar, возбуждаемую электромагнитным излучением вблизи резонансного перехода с длиной волны 589 нм.

Для этой системы величина Δ С₆ 200 x x 10^-60 эрг см⁶, а характерная ширина квазистатического крыла линии составляет 25 см^-1.

Величина В в (10,11) равна 10^-19 см⁵ с^-3/2, а ( Ω + Ω_m) /2 (0,4-0,6) ˙ 10¹² Гц при Т(600-700) К и Р 0,01 1 МПа.

Условие (11) для длины поглощающего слоя l 20 см удовлетворяется при N_ОАВ˙N_БГ 0,5˙10³⁶ см^-6, т. е. при Т 700 К, соответствующей концентрации атомов натрия N_ОАВ 10¹⁶ см^-3, концентрация атомов аргона N_БГ 5˙10¹⁹ см^-3 (Р_БГ ≈ 0,5 МПа). Достижение таких параметров паро-газовой смеси не является технически сложной задачей.

Заявляемый способ получения плазмы в случае фотовозбуждения паров натрия на резонансном переходе с длиной волны λ589 нм с последующей ионизацией позволяет увеличить оптическую длину поглощения от 2 см (у прототипа) до 20 200 см в предлагаемом способе; увеличить энергетический КПД за счет использования одного широкополосного источника излучения вместо двух узкополосных, применяемых в прототипе; увеличить полосу поглощения излучения при фотовозбуждении от 10² до 10⁴при использовании широкополосного излучения.

Установка (фиг.3), реализующая предлагаемый способ получения плазмы, может быть выполнена следующим образом.

Экспериментальная установка содержит кювету 1 со смесью паров ОАВ и буферного газа, включающую окна (2.1 и 2.2) для ввода и вывода излучения, электроды 3 для сбора заряженных частиц, соединенные с системой 4 регистрации электрических параметров плазмы, и термодатчик 5, электрически связанный с регистратором 6 температуры смеси ОАВ и буферного газа.

Кювета 1 размещена в печи термостате 7 и соединена с источником 8 паров ОАВ и трубопроводом с датчиком 9 давления буферного газа через вентиль-регулятор 10 давления буферного газа с баллоном 11 буферного газа. Источник 12 излучения расположен у окон 2.1 ввода, а система 13 регистрации преобразованного излучения у окна 2.2 вывода излучения.

Установка работает следующим образом.

После включения печи-термостата 7 в кювету 1 через вентиль-регулятор 10 напускает буферный газ из баллона 11, регистрируя его давление по датчику 9. Создают в кювете 1 требуемую смесь паров ОАВ и буферного газа, при этом выдерживают давление смеси и температуру, которую контролируют термодатчик 5 и регистратор 6 температуры.

После включения источника 12 излучения в кювете 1 образуется плазма по предлагаемому способу получения плазмы, оптические параметры которой определяет система 13 регистрации преобразованного излучения, а электрофизические система 4 регистрации электрических параметров плазмы с помощью электродов 3 для сбора заряженных частиц.

Использование: для генерации ионов, для преобразования спектральных характеристик излучения и охлаждения газовой смеси. Сущность изобретения: в рабочую камеру, заполненную парами оптически-активного вещества, подают буферный газ определенной концентрации. Газовый объем облучают электромагнитным излучением, спектр которого содержит полосу частот поглощения оптически-активного вещества. Ширина спектра излучения определяется по указанной в описании формуле. 3 ил.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ, включающий подачу паров оптически активного вещества, образующих газовый объем, в рабочую камеру, и облучение газового объема электромагнитным излучением, спектр которого содержит полосу частот поглощения оптически-активного вещества, отличающийся тем, что в рабочую камеру дополнительно подают буферный газ, образующий с атомами оптически активного вещества квазимолекулярную подсистему газовой смеси, при этом количество буферного газа, температуру и давление газовой смеси выбирают из условий
N_oав / N_бг 0,001 0,01,
N_оав · N_бг · l ≥ 10³⁵см^-5, T (300 3000)K, P (0,01 1,0) МПа,
где N_бг, N_оав концентрация частиц буферного газа и оптически активного вещества соответственно;
l длина поглощающего оптическое излучение слоя газовой смеси;
T, P температура и давление газовой смеси,
причем ширину спектра Δν электромагнитного излучения выбирают из условия
Dn = Δε_m/h, мГц,
где Δε_m глубина разностной потенциальной функции квазимолекулы, состоящей из частиц оптически активного вещества и буферного газа;
h постоянная Планка.