Исследование и моделирование спектров излучения газового разряда

В данной работе рассматриваются исследование плазмы газового разряда и её параметров, представления об излучении плазмы, методах диагностики и написание программного кода для моделирования спектров излучения газоразрядной плазмы. Разработка способа моделирования спектров излучения плазмы газового разряда с дальнейшим его применением в области диагностики и определения параметров плазмы по сравнительному анализу экспериментальных и промоделированных спектральных характеристик.

Ключевые слова: плазма газового разряда, излучение плазмы, методы диагностики, спектры излучения, спектральный анализ, сравнительный анализ

На сегодняшний день роль плазмы газового разряда и интерес к ее изучению обусловлен тем, что диапазон ее практического применения очень широк и разнообразен. С помощью управляемого термоядерного синтеза можно получить из нее источник энергии, с последующим преобразованием из тепловой в электрическую энергию. Достаточно часто ее используют в качестве активной среды лазера, а также в плазмохимии и плазменных технологиях.

1. Исследование имоделирование.
   1. Определение плазмы.

Плазма — это ионизованный газ, состоящий из большого числа положительных и отрицательно заряженных частиц, иногда из нейтральных атомов и молекул. Именно наличие в плазме большого числа заряженных частиц обуславливает ее характерные свойства, позволяющие считать плазму как четвертое агрегатное состояние вещества [1].

1.2 Параметры плазмы.

Плотность (концентрация) как заряженных, так и нейтральных частиц. В плазме необходимо достижение высокой концентрации частиц.

где N — концентрация заряженных частиц; r_d — радиус Дебая.

Степень ионизации. Число ионизаций, производимых одним электроном на единицу пути от катода к аноду.

,

где E — напряженность электрического поля; p — давление газа; A и B — константы, зависящие от рода газа.

Температура. Представляется либо в целом плазменной системы, либо отдельных составляющих, в частности электронная температура.

1.3 Газовый разряд.

Газовый разряд — это комплекс явлений, сопровождающихся протеканием электрического тока через газовую среду [2, 3]. Под действием внешних факторов, в частности электрического поля, происходит изменение состояния газа, сопровождающееся ионизацией, образованием свободных электронов и ионов. Также может наблюдаться перераспределение по всему объему плазмы носителей заряда.

Рис. 1. Виды газового разряда

В нашем же случае, нас интересует тлеющий и дуговой.

1.4 Излучение плазмы.

Плазма по своей структуре способна излучать, представляется в виде электромагнитных волн, длина которых может достигать от радиоволн до волны рентгеновского излучения. Это излучение возникает ввиду движения одинарных или коллективных частиц плазмы.

hv = E₂ — E₁.

Фактически все спектры излучения атома располагаются в видимых и ультрафиолетовых областях, длина волны которых достигает от 200 до 1190 нм.

С помощью квантовых чисел описывают положение электрона на оболочке или внутри атома. Существуют следующие квантовые числа:

− главное n, описывает нахождение электрона в зависимости от ядра;

− орбитальное углового момента l, описывает распределение электронов в пространстве, называемое электронной плотностью;

− орбитальное магнитное m_l;

− спиновое m_s.

В итоге имеем следующее, каждый элемент соответствует своему индивидуальному спектру. По наличию в спектре некоторых характеристических для данного элемента линий можно провести качественный элементный анализ объекта.

Также как и в излучении в атоме, в плазме излучение характеризуется интенсивностью процессов испускания или поглощения электромагнитной энергии [4]. Спектральная излучательная способность представляет собой распределение фотонов по длине волны, создаваемых в единице объема плазмы.

Одним из главных видов потерь плазмы как раз и является ее излучение. Данный вид получения энергии довольно широко используют в данное время в промышленности.

О любом веществе, которое способно к излучению, необходимо иметь полное представление о составе, его параметрах, способов влияния. Поэтому на сегодняшний день проводят полный анализ вещества. В данном случае это диагностика плазмы, представляющее собой полное или частичное определение параметров плазмы и их значений, которые описывают и характеризуют ее состояние.

Сама по себе плазма представляет собой достаточно сложную многокомпонентную неравновесную неоднородную систему с огромными различными вероятностями значений параметров и состояний [4]. Поэтому, для определения этих параметров необходимо выполнение многих достаточно сложных условий, не нарушающих как саму плазму, так и проходимых в ней процессов. Ее диагностика встречается с большими принципиальными и техническими трудностями. Возникают проблемы со снятием и изучением таких характеристик, как: большие температуры, огромные плотности и скорости протекания процессов в плазме, мощное внешнее воздействие.

Зондовый метод. Контактный метод. Зонд представляет собой вспомогательный электрод, вводимый в плазму для ее исследования [6]. Относительно одного из электродов на зонд задается потенциал и снимается зависимость поступающего тока от этого потенциала. Электрический ток складывается из токов электронов и положительно заряженных ионов:

Iz = Ie+Ii.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика зонда

1.6 Спектральный анализ.

Спектральный анализ позволяет точно определить химический состав вещества. Основные требования, относимые к данному методу, это определение количества всех элементов (качественный анализ), входящих в состав плазмы, и их концентрация (количественный анализ). Спектральный анализ обладает большим преимуществом в сравнении с химическим методом: быстрота определения и повышенная чувствительность. Именно поэтому анализ по спектрам довольно широко используется в современном производстве и научных опытах и исследованиях.

Рис. 3. Спектр излучения и его уширение

Спектр излучения плазмы газового разряда строится на основе следующей формулы:

,

где — коэффициент излучения для i — той длины волны; h — постоянная Планка; с — скорость света; – вероятность перехода с одного энергетического уровня на другой; – статистический вес; – концентрация компонентов плазмы; k — коэффициент Больцмана; T — температура плазмы.

Также, для построения качественного спектра излучения газоразрядной плазмы все значения, полученные при помощи формулы (3.1), были умножены на функцию распределения по длинам волн:

,

что позволило также анализировать значения не только для заданных длин волн, но и на всем промежутке рассмотрения от 300 до 800 нм с шагом 0.01 нм.

Рис. 4.

Результат моделирования на примере излучения Ti в промежутке от 200 до 250 нм, все необходимые данные берутся с международной базы данных Kuruzc Data Base.

Заключение.

Полностью был изучен спектральный метод диагностики, на основе которого была написана программа в среде Mathcad для моделирования спектров излучения. Данное моделирование оказалось достаточно точным и способствовало упрощению анализа спектральных характеристик плазмы газового разряда. С его помощью были определены интенсивные линии экспериментального спектра.

Литература:

1. Александров А. Ф., Богданкевич Л. С., Рухадзе А. А. Основы электродинамики плазмы, М.: Высшая школа, 1988.
2. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. 536 с.
3. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Т. 2. М.: Наука, 1971.
4. Голант В. Е. Диагностика плазмы. М.: Мир, 1973.
5. Гарифзянов А. Р. Атомно-абсорбционная спектроскопия. К.: Казанский федеральный университет, 2009.
6. Моделирование процессов плазменной электроники. Методические указания к лабораторным работам / сост.: В. Т. Барченко, О. И. Гребнев, С. А. Марцынюков, В. В. Черниговский. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008. 48 с.