Определение параметров плазмы по сравнительному анализу реальных ипромоделированных спектров излучения
Рыков Евгений Анатольевич, студент
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина)
В статье рассматривается моделирование спектров излучения плазмы газового разряда и разработка нового метода диагностики для определения параметров плазмы на основе разработанного программного кода. Применение с целью упрощения анализа состава вещества.
Ключевые слова: спектр излучения, диагностика плазмы, моделирование спектров излучения, сравнительный анализ, интенсивность линий
На сегодняшний день диагностика плазмы сталкивается с большими принципиальными техническими трудностями: возникают проблемы со снятием и изучением таких характеристик, как: большие температуры, огромные плотности и скорости протекания процессов в плазме, мощное внешнее воздействие. Поэтому, актуально ввести новый метод определения параметров плазмы с помощью промоделированных спектров излучения.
- Моделирование спектров.
В одной из прошлых статей, которую можно найти в предыдущем выпуске журнала «Молодой учёный», рассматривалось моделирование спектров излучения газового разряда. В этот раз, будут рассматриваться способы применения данного моделирования, также его «плюсы» и «минусы».
Построение по промоделированным спектрам дало следующий результат: по полученным спектрам можно сделать следующий вывод, интенсивность линий излучения значительно увеличивается с ростом концентрации компонентов плазмы, так как увеличивается количество актов ионизации и рекомбинации в процессе протекания разряда в плазме. Количество ионов, способных излучать, тоже увеличивается. Поэтому, эффективнее проводить анализ при больших концентрациях, что позволит увеличить точность в определении химического состава плазмы.
Суть упрощения анализа спектра после моделирование заключается в том, что имея полный спектр излучения его можно разложить на отдельные спектры, то есть определить вероятность излучения и интенсивность линий для каждой его составляющей, каждого энергетического уровня. Возможность определения энергии и вероятности перехода с одного уровня на другой. Увеличивается точность качественного анализа. Единственный минус на данный момент — это маленькие диапазоны рассмотрения длин волн. Количество реальных интенсивных линий в десятки раз превышает количество промоделированных линий, поэтому для введения большого количества переменных необходимо много времени, которые также замедляют процесс вычисления программы. Процесс необходимо довести до автоматизма.
- Определение параметров плазмы по промоделированным спектрам излучения.
Как говорилось ранее, качественный спектральный анализ позволяет определить химический состав плазмы газового разряда. Для определения параметров плазмы газового разряда данный метод не подходит. Но, при помощи промоделированных спектров можно иметь представления о состоянии плазмы, в частности температура и концентрация частиц.
Актуальность решения этой проблемы заключается в том, что для анализа не приходится вводить вспомогательный электрод в плазму, который вносит свои изменения, с последующими погрешностями. И достаточно часто просто нет возможности ввести в плазму зонд.
Для решения этой проблемы необходимо провести сравнительный анализ экспериментальных и промоделированных спектральных характеристик.
Для исследования берутся полученный спектр титана и его промоделированная версия. Суть заключается в следующем, максимально точно подобрать значения интенсивностей линий и длин волн промоделированного спектра, чтобы он был приблизительно одинаков со спектром экспериментальным. При этом варьируются именно параметры плазмы, а не величины, характерные для вещества, такие как: длина волны, вероятность перехода и энергия межуровневого перехода.
На данном этапе разработки результат оставляет желать лучшего. Погрешность определения составляет порядка 10–15 %.
Данный процесс занимает достаточно долгое время, в перспективе имеет место возможность разработки и написания сложного программного кода для максимально точного сопоставления спектров. Также, этот код позволит уменьшить погрешность определения параметров плазмы до минимума.
- Применение моделирования.
Для получения экспериментальных характеристик использовалась вакуумно-дуговая установка коаксиальной конструкции, представленная на рис. 1. Она состоит из цилиндрического анода 1, торцевой катод 2, который предназначен для образования металлической составляющей плазмы. Вспомогательный электрод 3 выполняет функцию зажигания разряда. Экран 4 фокусирует область распространения катодных пятен, чтобы они попадали только на рабочую поверхность катода. Магнитная система состоит из стабилизирующего 5 и фокусирующего 6 соленоидов. Между анодом и рабочим объемом должно выполняться условие полного соприкосновения 7, в котором на оси системы располагаются обрабатываемые изделия 8. Планетарный механизм 9 позволяет обеспечивать передвижение отдельных деталей в потоке плазмы [1].
Рис. 1. Вакуумно-дуговой источник плазмы
Для определения интенсивности линий и длины волны, снимались спектральные характеристики дугового разряда в диапазоне от 350 до 950 нм. В результате были получены спектры излучения чистого титана (материал катода титан, давление в вакуумной камере 7.8·10–3 Па) и смеси титана с углеродом, представленные на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Спектр излучения чистого титана от 300 до 900 нм
На спектре присутствует большое количество интенсивных линий, нас в данном случае интересуют наиболее интенсивные линии. Возбужденные линии нейтральных атомов наблюдаются в 368.9 и 416.93 нм, а для однозарядных ионов титана, длины волн соответствуют 375.93 и 390.47 нм.
Наблюдается существенное отличие от первоначального спектра чистого титана, это вызвано влиянием углерода на состав металлической плазмы, образованной титаном. Наиболее интенсивные линии как для атомного, так и для однозарядного иона проявляются в диапазоне от 429.97 до 518.96 нм, а именно, в для нейтральных атомов — 453.47 нм и однозарядных ионов – 453.39 нм. Также на спектре проявляется интенсивная линия, соответствующая однозарядному иону углерода — 657.63 нм.
Рис. 3. Спектр излучения титана с углеродом от 300 до 900 нм
Определение соответствия спектральных линий элементам было осуществлено с помощью промоделированных спектров. Характеристические спектральные линии, полученные с помощью установки, соответствуют теоретическим, а в дальнейшем и промоделированным спектрам излучения. Работоспособность и качество данного метода моделирования, позволяющее судить о химическом составе плазмы каждой ее составляющих, заметно упрощает анализ спектров излучения газоразрядной плазмы.
Литература:
- Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992.
- Рыков Е. А., Цветков Р. Ю. Исследование и моделирование спектров излучения газового разряда // Молодой ученый. — 2016. — № 14. — С. 37–41.
