Библиографическое описание:

Рыков Е. А., Цветков Р. Ю. Исследование и моделирование спектров излучения газового разряда // Молодой ученый. — 2016. — №14. — С. 37-41.



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; rdрадиус Дебая.

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

где Ne — концентрация заряженных частиц; Nn — концентрация нейтральных частиц. Можно представить в виде:

,

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.

Возникновение атомного спектра характеризуется поглощением излучения или его испусканием, состоящий в совокупности из единичных спектральных линий свободных атомов газа [5]. Такой спектр характеризуется отдельным параметром — частотой излучения, которая в свою очередь равняется энергии межуровневым переходом атома:

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 ml;

− спиновое ms.

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.

1.5 Диагностика плазмы.

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

1.7 Моделирование.

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.

Рис. 5.

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.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle