Masarykova univerzita. Optická diagnostika parametrů plazmatu

Masarykova univerzita ˇ´ırodove ˇdecka ´ fakulta Pr

´ pra ´ ce Diplomova

´ diagnostika parametr˚ Opticka u plazmatu

´ celova ´ Dana Ska

Brno 2009

Prohlaˇsuji,ˇze jsem diplomovou práci vypracovala samostatnˇe, za pouˇzit´ı uvedené literatury a podle pokyn˚ u vedouc´ıho diplomové práce.

V Brnˇe dne:

Podpis:

Podˇekov´ an´ı: Ráda bych zde podˇekovala Mgr. Pavlu Slav´ıˇckovi, Ph.D. za jeho odborné a vstˇr´ıcné veden´ı mé diplomové pr´ ace, doc. RNDr. Ctiboru Tesaˇri, CSc. za jeho cenné rady a pˇripom´ınky, Mgr. Zdeˇ nku Navrátilovi, Ph.D. za program Spectrum Analyzer a samozˇrejmˇe i vˇsem ostatn´ım z Katedry fyzikáln´ı elektroniky.

Annotace Tato pr´ ace se zab´ yv´ a optickou diagnostikou vysokofrekvenˇcn´ıho neizotermického plazmového zdroje zvaného plazmová tuˇzka. V´ yboj byl generován v prostˇred´ı proud´ıc´ıho argonu za atmosferického tlaku jednak harmonick´ ym napˇet´ım o frekvenci 13,56MHz, jednak v pulzn´ım reˇzimu pouˇzit´ım modulaˇcn´ı frekvence 27kHz. Byla zkoumána dvˇe experiment´ aln´ı uspoˇr´ ad´ an´ı - jednopólové a dvojpólové se zemˇenou elektrodou. V kontinuáln´ım reˇzimu bylo vyˇsetˇrováno chován´ı rotaˇcn´ı, elektronové a vibraˇcn´ı teploty a koncentrace elektron˚ u v z´ avislosti na pracovn´ıch podm´ınkách pro obˇe experimentáln´ı uspoˇr´ ad´ an´ı. V pulzn´ım reˇzimu byl zkoumán ˇcasov´ y v´ yvoj vlastnost´ı r˚ uzn´ ych sloˇzek plazmatu na z´ akladˇe ˇcasovˇe rozliˇsené optické emisn´ı spektroskopie a elektrick´ ych mˇeˇren´ı. Bylo dosaˇzeno zaj´ımav´ ych v´ ysledk˚ u t´ ykaj´ıc´ıch se chován´ı jednotliv´ ych sloˇzek plazmatu, pˇreváˇznˇe atomu argonu a OH radikálu. ˇova ´ slova Kl´ıc diagnostika plazmatu, plazmov´ a tuˇzka, ˇcasovˇe rozliˇsená spektroskopie, ICCD, jednopólov´ y a dvojp´ olov´ y v´ yboj.

Annotation This work is concerned with optical diagnostics of radiofrequency non-isothermic plasma called the plasma pencil. The discharge was generated at atmospheric pressure in flowing working gas argon, either by AC voltage with frequency of 13,56 MHz, or in pulsed regime with modulated frquency of 27kHz. Two experimental set-ups in both regimes were investigated – unipolar and bipolar with grounded electrode. In continual regime electron, rotational and vibrational temperature and electron concetration were measured in various working conditions. The pulsed discharge was futher studied by time resolved optical emission spectroscopy and by electrical measurements. The results bring some interesting information about different particle behaviour in plasma, especially about argon atoms and OH radical. Keywords plasma diagnostics, plasma pencil, time resolved emission spectroscopy, ICCD, unipolar discharge, bipolar discharge.

Obsah ´ 1 Uvod

7

2 V´ yboj typu plazmov´ a tuˇ zka

8

3 Optick´ a emisn´ı spektroskopie 3.1 Spektrometr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Mˇeˇren´ı teplot z emisn´ıch spekter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Stanoven´ı excitaˇcn´ı teploty intenzit atomov´ ych ˇcar . . . . . . . . 3.2.2 Stanoven´ı rotaˇcn´ı teploty z intenzit rotaˇcn´ıch ˇcar . . . . . . . . . 3.2.3 Stanoven´ı vibraˇcn´ı teploty z vibraˇcn´ıch pás˚ u . . . . . . . . . . . 3.3 Mˇeˇren´ı koncentrace elektron˚ u z rozˇs´ıˇren´ı spektráln´ıch ˇcar . . . . . . . . 3.3.1 Rozˇs´ıˇren´ı spektráln´ıch ˇcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Urˇcen´ı koncentrace elektron˚ u z rozˇs´ıˇren´ı spektráln´ı ˇcáry Hβ . . . 3.3.3 Urˇcen´ı koncentrace elektron˚ u z rozˇs´ıˇren´ı spektráln´ı ˇcáry argonu 549 nm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Experiment´ aln´ı ˇ c´ ast 4.1 Experiment´ aln´ı uspoˇr´ adán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 P˚ uvod radik´ alu OH a dus´ıkov´ ych molekul ve v´ ybojovém kanálu . . . . 4.3 Mˇeˇren´ı v jednop´ olové konfiguraci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Pr˚ ubˇeh teploty neutráln´ıho plynu . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Teplota a koncentrace elektron˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Vibraˇcn´ı teplota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Mˇeˇren´ı teploty termokamerou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Mˇeˇren´ı v dvojp´ olové konfiguraci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Pr˚ ubˇeh teploty neutráln´ıho plynu . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Teplota a koncentrace elektron˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Srovn´ an´ı jednop´ olové a dvojpólové konfigurace v kontinuáln´ım reˇzimu 4.6 Pulzn´ı provoz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Jednop´ ol v pulzn´ım reˇzimu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 V´ yvoj intenzity v pr˚ ubˇehu pulzu . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2 Vyˇsetˇrov´ an´ı ˇcasového posunu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

10 10 14 14 15 16 17 17 18

. 18

. . . . . . . . . . . . . . .

19 19 21 22 22 26 28 29 31 31 32 34 36 37 37 41

4.7.3

4.8

4.9

V´ yvoj intenzity OH radikálu a argonov´ ych ˇcar v pr˚ ubˇehu pulzu pro r˚ uzn´ y duty cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dvojp´ ol v pulzn´ım reˇzimu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.1 V´ yvoj intenzity v pr˚ ubˇehu pulzu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.2 V´ yvoj intenzity OH radikálu a argonov´ ych ˇcar v pr˚ ubˇehu pulzu pro r˚ uzn´ y duty cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Srovn´ an´ı jednop´ olové a dvojpólové konfigurace v pulzn´ım reˇzimu . . . .

. 45 . 48 . 48 . 51 . 53

5 Z´ avˇ er

55

Literatura

57

Publikace

59

Kapitola 1

´ Uvod Bˇehem nˇekolika posledn´ıch let se v´ yboje typu n´ızkoteplotn´ı neizotermické vysokofrekvenˇcn´ı plazmové trysky dost´ avaj´ı stále v´ıce do popˇred´ı zájmu. K jeho nejv´ yznamnˇejˇs´ım v´ yhod´ am patˇr´ı schopnost pracovat za atmosferického tlaku, ˇc´ımˇz docház´ı k velkému sn´ıˇzen´ı provozn´ıch n´ aklad˚ u d´ıky absenci vakuov´ ych a ˇcerpac´ıch aparatur. Velmi zaj´ımavou aplikac´ı se nab´ız´ı pr´ ace pod hladinou kapaliny, pˇriˇcemˇz je d´ıky vysoké frekvenci souˇcasnˇe zaruˇcena bezpeˇcnost práce. Jedineˇcné vlastnosti tohoto typu v´ yboje nab´ız´ı mnoho technologick´ ych aplikac´ı jako napˇr´ıklad depozice tenk´ ych vrstev, u ´prava nebo ˇciˇstˇen´ı povrch˚ u, u ´prava kapalin, syntéza nebo odbouráván´ı chemick´ ych slouˇcenin [1, 2]. Nicménˇe i pˇres ˇsiroké vyuˇz´ıv´ an´ı tˇechto kapacitnˇe vázan´ ych radiofrekvenˇcn´ıch plazmov´ ych zdroj˚ u v pr˚ umyslu nen´ı jeˇstˇe jejich princip plnˇe pochopen a co se t´ yˇce plazmochemick´ ych proces˚ u uvnitˇr duté trysky, stále pˇretrvávaj´ı jisté nevyˇreˇsené otázky. Za zm´ınku stoj´ı napˇr´ıklad snaha o lepˇs´ı pochopen´ı chemické pˇremˇeny prob´ıhaj´ıc´ı v tomto typu plazmatu, urˇcen´ı fyzik´ aln´ıch proces˚ u zodpovˇedn´ ych za tyto pˇremˇeny, vysvˇetlen´ı transportu iont˚ u a elektron˚ u uvnitˇr plazmatu, podm´ınky rovnováhy ˇcástic a v neposledn´ı ˇradˇe vytvoˇren´ı vhodného funkˇcn´ıho modelu. Tato pr´ ace si vzala za c´ıl kompletn´ı studium vlastnost´ı plazmatu n´ızkoteplotn´ı plazmové trysky za atmosférického tlaku. Byla detailnˇe mˇeˇrena optická emisn´ı spektra v ˇsirokém rozsahu vnˇejˇs´ıch podm´ınek v´ yboje a v r˚ uzn´ ych technick´ ych uspoˇrádán´ıch, nicménˇe nejvˇetˇs´ı pozornost byla vˇenována vlastnostem ˇcasovˇe modulovaného plazmatu tohoto typu v´ yboje. Na z´ akladˇe informac´ı z´ıskan´ ych z ˇcasového v´ yvoje r˚ uzn´ ych fyzikáln´ıch veliˇcin charakterizuj´ıc´ıch tento typ v´ yboje bylo moˇzné alespoˇ n ˇcásteˇcnˇe pochopit nˇekteré dalˇs´ı procesy prob´ıhaj´ıc´ı uvnitˇr trysky. U nˇekter´ ych dalˇs´ıch pˇrekvapuj´ıc´ıch v´ ysledk˚ u bylo zat´ım moˇzné pouze vyslovit domnˇenky ˇci hypotézy, jeˇz je tˇreba dále potvrdit nebo vyvr´ atit dalˇs´ımi detailnˇejˇs´ımi mˇeˇren´ımi.

Kapitola 2

V´ yboj typu plazmov´ a tuˇ zka ´ V plazmochemické laboratoˇri Ustavu fyzikáln´ı elektroniky byl vyvinut specifick´ y zdroj neizotermického plazmatu, nazvan´ y plazmová tuˇzka (obr. 2.1). Základn´ım prvkem uspoˇrádán´ı je speci´ aln´ı dut´ a elektroda se zabudovanou dielektrickou (kˇremennou) tryskou. Tato elektroda je napojena na vysokofrekvenˇcn´ı generátor. Skrz kˇremennou trysku uvnitˇr elektrody proud´ı pracovn´ı médium, kter´ ym m˚ uˇze b´ yt plyn, kapalina ale i smˇes rozpr´ aˇsen´ ych jemn´ ych ˇc´ astic. Právˇe toto proud´ıc´ı médium stabilizuje vznikl´ y plazmov´ y kanál uvnitˇr trysky a un´ aˇs´ı jej aˇz do vnˇejˇs´ıho prostˇred´ı mimo trysku. Speciáln´ı konstrukc´ı elektrody a kapil´ ary, jako dielektrické bariéry, se plazmová tuˇzka stala zdrojem chemicky ˇcistého plazmatu bez jakékoliv kontaminace materiálem elektrody.

Obrázek 2.1: Plazmová tuˇzka D´ıky jednoduchému konstrukˇcn´ımu ˇreˇsen´ı plazmové tuˇzky je umoˇznˇena snadná manipulace libovolnˇe v prostoru. Nab´ız´ı se ˇsiroká oblast aplikac´ı jak ve v´ yzkumu tak v praxi. Mezi z´ akladn´ımi lze jmenovat modifikace povrch˚ u, napˇr´ıklad ˇciˇstˇen´ı, leptán´ı,

´ ´ TUZKA ˇ KAPITOLA 2. VYBOJ TYPU PLAZMOVA

9

zvyˇsov´ an´ı nebo sniˇzov´ an´ı sm´ aˇcivosti, nanáˇsen´ı tenk´ ych vrstev, konzervován´ı archeologick´ ych pˇredmˇet˚ u, popˇr´ıpadˇe jejich regenerace. Jelikoˇz u ´ˇcinná stopa plazmového kanálu ve vnˇejˇs´ım prostˇred´ı m˚ uˇze dosahovat pˇribliˇznˇe 0,1 - 7 mm2 , najdeme jej´ı nejvˇetˇs´ı uplatnˇen´ı v oblasti lok´ aln´ıho vyuˇzit´ı. Lze ji tedy s v´ yhodou vyuˇz´ıt k nanáˇsen´ı glazury, kresbˇe, dekoraci keramiky nebo porcel´ anu bez nutnosti následného vypékán´ı, k jemnému opracován´ı detail˚ u v odvˇetv´ ych jako restaurátorstv´ı, skláˇrské ˇci ˇsperkaˇrské práci nebo ke zvyˇsov´ an´ı adheze lepen´ ych spoj˚ u v mikroelektronice [1]. Jako dalˇs´ı moˇznost se nab´ız´ı aplikace v lékaˇrstv´ı jako modifikace v praxi jiˇz existuj´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı, které slouˇz´ı k ˇrezán´ı ˇzivé tkánˇe, jej´ı koagulaci a souˇcasnˇe k dezinfekci povrchu [13]. Vzhledem k tomu, ˇze plazmov´ a tuˇzka generuje plazma ve velkém rozsahu vnitˇrn´ıch energi´ı, v závislosti na podm´ınkách 50 – 1600◦ C, byla d´ ale u ´spˇeˇsnˇe zkoumána jako prostˇredek ke sterilizaci jak nejr˚ uznˇejˇs´ıch materi´ al˚ u, tak vodn´ıch roztok˚ u nebo vody [12].

Kapitola 3

Optick´ a emisn´ı spektroskopie Optick´ a emisn´ı spektroskopie (OES) je základn´ı metodou diagnostiky plazmatu. Na rozd´ıl od ostatn´ıch metod, jako jsou napˇr´ıklad sondová mˇeˇren´ı, hmotnostn´ı spektroskopie nebo laserové diagnostické metody, nijak neovlivˇ nuje procesy prob´ıhaj´ıc´ı uvnitˇr plazmatu. Je zaloˇzen´ a na detekci a anal´ yze záˇren´ı emitovaného excitovan´ ymi ˇcásticemi v plazmatu. Je pouˇziteln´ a pro vˇsechny typy v´ yboj˚ u a za nejr˚ uznˇejˇs´ıch podm´ınek. Kvalitativn´ı optick´ a emisn´ı spektroskopie je pouˇz´ıvána ke stanoven´ı jednotliv´ ych sloˇzek plazmatu. Kvantitativnˇe n´ am poskytuje informace o koncentraci atom˚ u, molekul nebo iont˚ u, nach´ azej´ıc´ıch se v z´ akladn´ım nebo excitovaném stavu. Dále slouˇz´ı k urˇcen´ı elektronové teploty, teploty neutr´ aln´ıho plynu, vibraˇcn´ı a rotaˇcn´ı teploty jednotliv´ ych molekulov´ ych stav˚ u. Vzhledem ke komplikovanosti molekulárn´ıch spekter se zpravidla omezujeme jen na spektra dvouatomov´ ych molekul, která jsou nejjednoduˇsˇs´ı. K disociaci molekul, tedy k rozloˇzen´ı molekul na jednotlivé atomárn´ı sloˇzky, docház´ı za zv´ yˇsené teploty. Takˇze tyto molekuly se v n´ızkoteplotn´ım plazmatu vyskytuj´ı v podstatˇe vˇzdy, a proto je lze pro stanoven´ı energetick´ ych pomˇer˚ u v plazmatu snadno pouˇz´ıt.

3.1

Spektrometr

Následuj´ıc´ı kapitola byla vypracována s pouˇzit´ım literatury [3]. Elektromagnetické z´ aˇren´ı emitované n´ızkoteplotn´ım plazmatem dosahuje ˇsirokého rozmez´ı vlnov´ ych délek od FUV (vzdálená ultrafialová oblast) aˇz po IR (infraˇcerven´ a oblast). Modern´ı OES spektrometry se vyznaˇcuj´ı vysok´ ym spektráln´ım rozliˇsen´ım, citlivost´ı bl´ıˇz´ıc´ı se k detekci jediného fotonu, a ˇcasov´ ym rozliˇsen´ım aˇz v jednotkách nanosekund. Spektrometr je zaˇr´ızen´ı slouˇz´ıc´ı k oddˇelen´ı a mˇeˇren´ı vlnov´ ych délek pˇr´ıtomn´ ych v elektromagnetickém z´ aˇren´ı a k zobrazen´ı relativn´ı intenzity jednotliv´ ych vlnov´ ych délek. Rozloˇzen´ı intenzity z´ aˇren´ı v závislosti na frekvenci nebo vlnové délce naz´ yváme spektrum. V praxi se uˇz´ıvaj´ı pˇr´ıstroje, které pouˇz´ıvaj´ı k rozkladu svˇetla hranoly nebo difrakˇcn´ı mˇr´ıˇzky, s optikou pouˇz´ıvaj´ıc´ı ˇcoˇcky nebo konkávn´ı zrcadla, s r˚ uzn´ ymi detektory. Následuj´ıc´ı v´ yklad se proto bude vˇenovat pˇreváˇznˇe uspoˇrádán´ı spektrometru pouˇzitého pˇri

Spektrometr

11

mˇeˇren´ı. Z´ akladn´ımi prvky kaˇzdého spektrometru jsou • disperzn´ı soustava, kter´ a studované záˇren´ı rozkládá • optick´ a soustava, kter´ a studované záˇren´ı kolimuje a fokusuje. Nejbˇeˇznˇejˇs´ı je uspoˇr´ ad´ an´ı Czerny-Turner (obr. 3.1). Záˇren´ı je svazkem optick´ ych vláken pˇrivedeno na vstupn´ı ˇstˇerbinu monochromátoru tak, aby osvˇetlen´ı ˇstˇerbiny bylo homogenn´ı. Po pr˚ uchodu ˇstˇerbinou dopadá záˇren´ı na konkávn´ı zrcadlo, které ho fokusuje na difrakˇcn´ı mˇr´ıˇzku. Zde doch´ az´ı k rozkladu polychromatického záˇren´ı na jednotlivé sloˇzky difrakc´ı na soustavˇe vryp˚ u mˇr´ıˇzky. Takto rozloˇzené záˇren´ı je dalˇs´ım konkávn´ım zrcadlem fokusov´ ano do v´ ystupn´ı ˇstˇerbiny monochromátoru odkud je dále pˇrivedeno na detektor, kter´ ym u vˇetˇsiny modern´ıch pˇr´ıstroj˚ u b´ yvá polovodiˇcov´ y CCD ˇcip (z ang. Charge Coupled Device), popˇr´ıpadˇe zesiluj´ıc´ı ICCD (z ang. Intensified CCD).

Obr´ azek 3.1: Nejbˇeˇznˇejˇs´ı uspoˇrádán´ı spektrometru Czerny-Turner obsahuje kromˇe difrakˇcn´ı mˇr´ıˇzky dvˇe konkávn´ı zrcadla, která slouˇz´ı ke kolimaci a fokusaci z´ aˇren´ı. Pˇrevzato z [3]. Detektory CCD se d´ıky schopnosti pˇrevádˇet svˇetlo na elektrick´ y signál staly velmi uˇziteˇcné a ˇcasto pouˇz´ıvané detektory svˇetla. Jejich schopnost akumulace náboje po dlouhou dobu dovoluje postupnˇe nashromáˇzdit dostatek svˇetla i z velmi slab´ ych svˇeteln´ ych zdroj˚ u. Pokud se vˇsak jedn´ a o opravdu slab´ y svˇeteln´ y signál, napˇr´ıklad v pˇr´ıpadˇe pulzn´ıho provozu, je nutné z´ aˇren´ı zes´ılit jeˇstˇe pˇred dopadem na CCD detektor. K tomu slouˇz´ı zesilovaˇce jasu, které pro svou funkci vyuˇz´ıvaj´ı fotoelektrickou emisi, sekundárn´ı emisi a luminiscenci, tedy fotokatody, sekundárn´ı emitery a luminiscenˇcn´ı st´ın´ıtka. V souˇcasnosti doch´ az´ı k rozˇs´ıˇren´ı pˇr´ıstroj˚ u pracuj´ıc´ıch s mikrokanálkov´ ymi destiˇckami (MCP – z ang. Microchannel plate). Základn´ım detektorem pracuj´ıc´ım s mikrokanálko-

Spektrometr

12

v´ ymi destiˇckami je mikrokan´ alkov´ y zesilovaˇc. Spojen´ım mikrokanálkového zesilovaˇce a CCD prvku vznik´ a ICCD detektor, kter´ y se pouˇz´ıvá k mˇeˇren´ı velmi n´ızk´ ych intenzit a slab´ ych pulz˚ u z´ aˇren´ı. Z´ akladn´ı principi´ aln´ı schéma zesilovaˇce jasu obrazu je na obr. 3.2. Obraz je prom´ıtnut na pr˚ uhledné vstupn´ı okno (Obr. 3.3). Na evakuované stranˇe tohoto okénka je nanesena tenká polopr˚ uhledn´ a fotoemisn´ı vrstva – fotokatoda. Záˇren´ı absorbované ve fotokatodˇe

Obr´ azek 3.2: Z´ akladn´ı schéma ICCD, jehoˇz nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı prvky tvoˇr´ı zesilovaˇc obrazu, CCD senzor, ˇr´ıd´ıc´ı elektronika a vnˇejˇs´ı konektor. Pˇrevzato z [3].

Obr´ azek 3.3: Detail zesilovac´ıho ˇclenu a schéma pˇriloˇzeného napˇet´ı mezi jednotliv´ ymi ˇc´ astmi zesilovac´ıho ˇclenu. Pˇrevzato z [3].

Spektrometr

13

zp˚ usob´ı emisi elektron˚ u, které se podle jejich vzniku ˇcasto naz´ yvaj´ı fotoelektrony. Tyto fotoelektrony jsou pomoc´ı elektrického pole taˇzeny do mikrokanálkového zesilovaˇce (Obr. 3.4). Vysok´ y potenci´ al podél kanálk˚ u zp˚ usob´ı lavinovitou sekundárn´ı emisi fotoelektron˚ u, na v´ ystupu kaˇzdého kan´ alku tedy dostáváme elektronov´ y mrak, jehoˇz v´ ysledné zes´ılen´ı m˚ uˇze b´ yt aˇz 104 . Tento elektronov´ y mrak je dále urychlen napˇet´ım nˇekolika tis´ıce volt˚ u smˇerem na luminiscenˇcn´ı st´ın´ıtko, docház´ı k emisi foton˚ u, které jsou soustavou optick´ ych vláken pˇrivedeny na detektor CCD. Mikrokan´ alkov´ a destiˇcka (Obr. 3.4) je tenká destiˇcka skládaj´ıc´ı se z mnoˇzstv´ı kanálk˚ u um´ıstˇen´ ych vedle sebe. Pr˚ umˇer kanálk˚ u pouˇz´ıvan´ ych v dneˇsn´ı dobˇe se pohybuje v rozmez´ı 8 – 45 µm a délka je 40 – 100 n´ asobkem jejich pr˚ umˇeru. Základ mikrokanálkové destiˇcky tvoˇr´ı tenk´ a destiˇcka skla, kˇrem´ıku nebo hlin´ıku. Vnitˇrn´ı stˇeny jsou pokryty vrstvou sekund´ arnˇe emisn´ıho materi´ alu, kter´ ym b´ yvaj´ı napˇr. oxidy olova, cesia, zlata a nˇekter´ ych polovodiˇc˚ u. Na ˇcela destiˇcky jsou naneseny kovové elektrody, nejˇcastˇeji chromové nebo chromniklové.

Obr´ azek 3.4: Mikrokan´ alková destiˇcka a detail jednoho kanálku s vyznaˇcen´ ym pˇriloˇzen´ ym napˇet´ım VM CP , d´ıky nˇemuˇz nastává lavinovitá sekund´ arn´ı emise fotoelektron˚ u. Pˇrevzato z [3]. Z´ akladn´ı parametry, které jsou d˚ uleˇzitou charakteristikou kaˇzdého zesilovaˇce, jsou: • Kvantov´ au ´ˇcinnost urˇcuje, kolik dopadaj´ıc´ıch foton˚ u se pˇremˇen ˇuje na fotoelektrony, které budou po zes´ılen´ı detekovány na detektoru CCD. Kvantová u ´ˇcinnost ICCD pouˇzitého v této pr´ aci dosahuje nejv´ yˇse 18%, na obr. 3.5 je znaˇcena jako W. • Spektr´ aln´ı citlivost ud´ av´ a frekvenˇcn´ı rozsah, ve kterém je ICCD nejcitlivˇejˇs´ı a je urˇcena hlavnˇe materi´ alem fotokatody. Nejuˇz´ıvanˇejˇs´ı je polovodiˇcová GaAs fotokatoda, jeˇz poskytuje dobrou spektráln´ı citlivost od viditelné do bl´ızké infraˇcervené oblasti (obr. 3.5). ˇ • Sum ICCD je d´ an kromˇe vlastnost´ı zesilovaˇce obrazu, pˇredevˇs´ım termáln´ı generac´ı elektron˚ u z fotokatody, které jsou následnˇe také zes´ıleny. Velikost ˇsumu tedy velmi z´ avis´ı na teplotˇe fotokatody, u ´ˇcinnˇe mu lze pˇredcházet volbou krátkého ˇcasu, po kter´ y je zapnuto zesilovac´ı napˇet´ı mezi fotokatodou a mikrokanálkovou destiˇckou (tzv. gate time).

Mˇeˇren´ı teplot z emisn´ıch spekter

14

Obr´ azek 3.5: Kvantov´ a u ´ˇcinnost a spektráln´ı citlivost ICCD. W oznaˇcuje zesilovaˇc pouˇzit´ y v této práci. Jeho kvantová u ´ˇcinnost nepˇresahuje 18%, spektr´ aln´ı citlivost je nejlepˇs´ı v oblasti 180nm – aˇz cca 800nm. Pˇrevzato z [3].

• Nespornou v´ yhodou ICCD oproti jin´ ym podobn´ ym zaˇr´ızen´ım jsou vlastnosti uz´ avˇerek, které mohou velmi rychle reagovat, lze tedy pracovat se signálem ˇrádovˇe v miliontin´ ach sekundy. V tomto pˇr´ıpadˇe se vˇsak nejedná o ’tradiˇcn´ı’ mechanické uz´ avˇerky, uz´ avˇerka je ˇr´ızena mal´ ym napˇet´ım pˇriloˇzen´ ym mezi fotokatodou a MCP. Vhodnou fotokatodou a ˇr´ıd´ıc´ım elektrick´ ym obvodem lze dosáhnout sp´ınán´ı v ˇcasovém intervalu menˇs´ım neˇz 2ns. • Zes´ılen´ı ICCD je d´ ano napˇet´ım pˇriloˇzen´ ym podél kanálk˚ u na mikrokanálkové destiˇcce. Maxim´ aln´ı pˇriloˇzené napˇet´ı je 800V, volba tohoto napˇet´ı se ovládá softwarem poˇc´ıtaˇce.

3.2

Mˇ eˇ ren´ı teplot z emisn´ıch spekter

Následuj´ıc´ı kapitola byla vypracována s pouˇzit´ım literatury [4, 5, 6, 7].

3.2.1

Stanoven´ı excitaˇ cn´ı teploty intenzit atomov´ ych ˇ car

Optické emisn´ı spektrum vzniká pˇrechodem nabuzen´ ych elektron˚ u atomu mezi energetick´ ymi hladinami. Elektronové stavy v molekule maj´ı nejvyˇsˇs´ı energie, s typick´ ymi vzdálenostmi mezi sousedn´ımi energetick´ ymi hladinami valenˇcn´ı elektron˚ u o velikosti nˇekolika elektronvolt˚ u, a se spektry ve viditelné a ultrafialové oblasti. Podle postulátu kvantové fyziky plat´ı, ˇze rozd´ıl energi´ı mezi horn´ı Em a doln´ı En energetickou hladinou udáv´ a energii svˇetelného kvanta o pˇr´ısluˇsné frekvenci ν


15

hc , (3.1) λ kde h je Planckova konstanta, c rychlost svˇetla. Za pˇredpokladu lokáln´ı termodynamické rovnov´ ahy je rozloˇzen´ı jednotliv´ ych excitovan´ ych stav˚ u popsáno Boltzmannov´ ym rozdˇelen´ım Em gm − kT Nm = N · (3.2) ·e e, σ kde gm je statistick´ a v´ aha horn´ıho energetického stavu, k Boltzmannova konstanta, Em excitaˇcn´ı energie horn´ı hladiny, Te excitaˇcn´ı teplota, N pˇredstavuje poˇcet libovolnˇe nabuzen´ ych stav˚ u, σ stavov´ a suma základn´ıho stavu. Je-li v urˇcitém ˇcase v horn´ım kvantovém stavu m poˇcet Nm atom˚ u, je poˇcet spontánn´ıch pˇrechod˚ u do niˇzˇs´ıho stavu n dán v´ yrazem Amn Nm a energie vyzáˇrená za sekundu je dána vztahem Imn = Amn Nm · hν. (3.3) Em − En = hν =

Dosazen´ım rovnice (3.2) do rovnice (3.3) dostaneme pro intenzitu spektráln´ı ˇcáry obecn´ y v´ yraz Em gm − kT Imn = Amn N · hν · (3.4) ·e e, σ kde Amn je Einstein˚ uv koeficient spontánn´ı emise. Po upraven´ı pomoc´ı vztahu (3.1) a zlogaritmov´ an´ı obdrˇz´ıme z´ avislost ln

Imn λ 1 =− · Em + konst. gm Amn kTe

(3.5)

Z této z´ avislosti z´ısk´ ame rovnici tzv. pyrometrické pˇr´ımky, z jej´ıˇz smˇernice tan α = −

1 kTe

(3.6)

z´ıskáme excitaˇcn´ı teplotu, kter´ a velmi pˇresnˇe reprezentuje teplotu elektron˚ u. Intenzita spektr´ aln´ıch ˇcar tedy závis´ı na poˇctu excitovan´ ych atom˚ u nebo molekul do vyˇsˇs´ıho energiového stavu, energii vyzáˇren´ ych kvant a na pravdˇepodobnosti elektronov´ ych pˇrechod˚ u. Vysokou pravdˇepodobnost maj´ı dva sousedn´ı elektronové stavy, základn´ı a nejn´ıˇze excitovan´ y. Tyto ˇcáry maj´ı ve spektru nejvˇetˇs´ı intenzitu.

3.2.2

Stanoven´ı rotaˇ cn´ı teploty z intenzit rotaˇ cn´ıch ˇ car

Uvaˇzujeme-li dvouatomovou molekulu jako tuh´ y rotátor, rotuj´ıc´ı podél osy kolmé na spojnici jader obou atom˚ u, vypl´ yvá z teorie, ˇze jej´ı rotaˇcn´ı energie je kvantována. Rotaˇcn´ı spektrum molekuly vznik´ a v d˚ usledku záˇriv´ ych pˇrechod˚ u právˇe mezi tˇemito rotaˇcn´ımi energetick´ ymi hladinami, a to na základˇe jist´ ych v´ ybˇerov´ ych pravidel. Rotaˇcn´ı stavy jsou oddˇeleny jen mal´ ymi energetick´ ymi intervaly, ˇrádovˇe 10−3 eV . Podle kvantové mechaniky jsou moˇzné energetické stavy dány vztahem E=

h2 J(J + 1) , 8π 2 I

(3.7)


16

kter´ y je ˇreˇsen´ım Schr¨ odingerovy rovnice. Zde h je Planckova konstanta, J rotaˇcn´ı kvantové ˇc´ıslo, I moment setrvaˇcnosti systému. Pˇri hled´ an´ı rovnice pro intenzitu rotaˇcn´ı ˇcáry vycház´ıme ze základn´ı rovnice (3.3) pro intenzitu spektr´ aln´ı ˇc´ ary. Pro vyzaˇrovanou vlnovou délku plat´ı Bohrova podm´ınka (3.1). Intenzita rotaˇcn´ı ˇc´ ary v r´ amci jednoho vibraˇcn´ıho pásu je tedy dána vztahem IJ 0 J 00

SJ 0 J 00 − EJ 0 = konst. 4 · e kTr , λ 0

(3.8)

00

kde konst. je konstanta pro danou rotaˇcn´ı vˇetev, J , J jsou rotaˇcn´ı kvantová ˇc´ısla horn´ıho a doln´ıho stavu, SJ 0 J 00 je relativn´ı s´ıla rotaˇcn´ı ˇcáry, tzv. Hönl˚ uv – London˚ uv intenzivn´ı faktor, k Boltzmannova konstanta, Tr rotaˇcn´ı teplota a EJ 0 je energie horn´ıho rotaˇcn´ıho stavu, kter´ a je v r´ amci modelu tuhého rotátoru dána 0

0

0

EJ 0 = hc · [Bv J (J + 1)],

(3.9)

0

kde Bv je rotaˇcn´ı konstanta horn´ıho stavu. Logaritmujeme-li vztah pro intenzitu, obdrˇz´ıme lineárn´ı závislost ln

IJ 0 J 00 λ4 1 =− · EJ 0 + konst. SJ 0 J 00 kTr

(3.10)

Grafem této z´ avislosti je opˇet pˇr´ımka, a z jej´ı smˇernice tan α = −

1 kTr

(3.11)

urˇc´ıme rotaˇcn´ı teplotu Tr , kter´ a dobˇre reprezentuje teplotu neutráln´ıho plynu v plazmatu. Na tomto principu je zaloˇzena tzv. Ornsteinova - van Wijkova metoda. Pro stanoven´ı teploty se pouˇz´ıvaj´ı rotaˇcn´ı ˇc´ ary téˇze vˇetve, které netvoˇr´ı hranu pásu. Pˇredstava tuhého rot´ atoru je pouze idealizac´ı, ve skuteˇcnosti je tˇreba zahrnout i vliv prodlouˇzen´ı vazby. Tento fakt vede k tomu, ˇze rotaˇcn´ı energetické hladiny elastické molekuly jsou niˇzˇs´ı, neˇz odpov´ıdaj´ıc´ı hladiny tuhé molekuly a rozd´ıl roste s rostouc´ım J. Absorbovat nebo emitovat fotony vˇsak pˇri pˇrechodech mezi rotaˇcn´ımi stavy nemohou vˇsechny molekuly, ale pouze molekuly, které maj´ı elektrick´ y dipólov´ y moment.

3.2.3

Stanoven´ı vibraˇ cn´ı teploty z vibraˇ cn´ıch p´ as˚ u

V dostateˇcnˇe excitovaném stavu m˚ uˇze molekula rotovat, ale i kmitat. Pˇrestav´ıme-li si dále dvouatomovou molekulu jako vibruj´ıc´ı harmonick´ y oscilátor, bude j´ı pˇr´ısluˇset jist´ a vibraˇcn´ı energie, kter´ a bude na základˇe kvantové teorie také kvantována. Vibraˇcn´ı spektrum molekuly vznik´ a analogicky vibraˇcn´ımi pˇrechody mezi jednotliv´ ymi energetick´ ymi hladinami, které jsou opˇet d´ any ˇreˇsen´ım Schrödingerovy rovnice: 1 Ev = hωe (v + ), 2

(3.12)

Mˇeˇren´ı koncentrace elektron˚ u z rozˇs´ıˇren´ı spektr´ aln´ıch ˇcar

17

kde ωe je konstanta charakterizuj´ıc´ı vibraˇcn´ı a elektronov´ y pˇrechod daného pásu, v vibraˇcn´ı kvantové ˇc´ıslo. Vibraˇcn´ı stavy jsou oddˇeleny energetick´ ymi intervaly ˇrádovˇe desetin elektronvolt˚ u. Pˇri hled´ an´ı rovnice pro intenzitu vibraˇcn´ıho pásu opˇet vycház´ıme ze vztahu (3.3) a (3.1). Dostaneme E 0 v q 0 00 Iv0 v00 = konst. v 4v · e− kTv (3.13) λ a logaritmov´ an´ım z´ısk´ ame opˇet smˇernici pyrometrické pˇr´ımky ln 0

Iv0 v00 λ4 1 =− E 0 + konst. qv0 v00 kTv v

(3.14)

00

kde v v jsou vibraˇcn´ı kvantová ˇc´ısla horn´ıho a doln´ıho stavu, λ vlnová délka hlavy vibraˇcn´ıho p´ asu, k Boltzmannova konstanta, Tv vibraˇcn´ı teplota, qv 0 v 00 pˇredstavuje relativn´ı s´ılu p´ asu, tzv. Franck˚ uv – Condon˚ uv faktor, která je shodná pro vˇsechny pásy jedné sekvence. Protoˇze excitaˇcn´ı energie u molekulov´ ych rotac´ı jsou znaˇcnˇe menˇs´ı neˇz u vibrac´ı, volnˇe se pohybuj´ıc´ı molekuly vˇzdycky rotuj´ı, nezávisle na svém vibraˇcn´ım stavu. Proto spektra molekul obsahuj´ı spoustu hustˇe rozloˇzen´ ych ˇcar vznikaj´ıc´ıch v d˚ usledku pˇrechod˚ u mezi r˚ uzn´ ymi rotaˇcn´ımi stavy jedné vibraˇcn´ı hladiny a rotaˇcn´ımi stavy druhé vibraˇcn´ı hladiny.

3.3 3.3.1

Mˇ eˇ ren´ı koncentrace elektron˚ u z rozˇ s´ıˇ ren´ı spektr´ aln´ıch ˇ car Rozˇ s´ıˇ ren´ı spektr´ aln´ıch ˇ car

V ide´ aln´ıch pˇr´ıpadech pˇrisuzujeme energetick´ ym pˇrechod˚ um mezi pˇresnˇe definovan´ ymi energetick´ ymi stavy pˇresnˇe definované frekvence emitovan´ ych nebo absorbovan´ ych foton˚ u. Nicménˇe v re´ alném svˇetˇe se s pˇr´ısnˇe monochromatick´ ym záˇren´ım nesetkáme, v d˚ usledku fyzik´ aln´ıch z´ akon˚ u, p˚ usoben´ı vlastnost´ı vyzaˇruj´ıc´ıho atomu a r˚ uzn´ ych vnˇejˇs´ıch podm´ınek vykazuje namˇeˇren´ a ˇc´ ara jisté rozˇs´ıˇren´ı a profil. Minimáln´ı hodnota ˇs´ıˇrky ˇcáry je dána jej´ı pˇrirozenou ˇs´ıˇrkou a je pˇr´ımo dána Heisenbergov´ ym principem neurˇcitosti. Pˇrirozen´ a ˇs´ıˇrka ˇc´ ary je ovˇsem prakticky zanedbatelná ve srovnán´ı s ostatn´ımi vlivy zp˚ usobuj´ıc´ımi rozˇs´ıˇren´ı spektr´ aln´ı ˇcáry. Mezi nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı mechanismy patˇr´ı Dopplerovo rozˇs´ıˇren´ı spektr´ aln´ı ˇc´ ary, které je zp˚ usobeno pohybem záˇr´ıc´ı ˇcástice, je tedy d˚ usledkem chaotického tepelného pohybu ˇcástic. Na základˇe Dopplerova efektu se frekvence záˇren´ı zvyˇsuje, jestliˇze se zdroj z´ aˇren´ı pohybuje k pozorovateli a naopak. K dalˇs´ımu rozˇs´ıˇreni spektr´ aln´ı ˇc´ ary, tzv. Starkovu rozˇs´ıˇren´ı, docház´ı v d˚ usledku p˚ usoben´ı Coulombovsk´ ych interakc´ı mezi z´ aˇr´ıc´ım atomem nebo iontem a okoln´ımi nabit´ ymi ˇcásticemi. Nezanedbateln´ y vliv na ˇs´ıˇrku spektr´ aln´ı ˇc´ ary má vlastn´ı konstrukce a nastaven´ı spektrometru, tzv. pˇr´ıstrojov´ a funkce m´ a ovˇsem mnohem menˇs´ı ˇs´ıˇrku neˇz je ˇs´ıˇrka mˇeˇrené ˇcáry [9],[8].

Mˇeˇren´ı koncentrace elektron˚ u z rozˇs´ıˇren´ı spektr´ aln´ıch ˇcar

18

V praxi se rozˇs´ıˇren´ı charakterizuje tzv. ˇs´ıˇrkou spektr´ aln´ı ˇc´ ary ∆λ, která je definovan´ a jako ˇs´ıˇrka ˇc´ ary v poloviˇcn´ı hodnotˇe maxima v´ yˇsky ˇcáry (FWHM z ang. full width of half maximum), popˇr´ıpadˇe poloˇs´ıˇrkou spektr´ aln´ı ˇc´ ary (HWHM- half width of half maximum).

3.3.2

Urˇ cen´ı koncentrace elektron˚ u z rozˇ s´ıˇ ren´ı spektr´ aln´ı ˇ c´ ary Hβ

Velmi uˇz´ıvanou technikou k urˇcen´ı koncetrace elektron˚ u ne byla poˇcátkem 60.let metoda zaloˇzen´ a na rozˇs´ıˇren´ı vod´ıkové Balmerovy beta spektráln´ı ˇcáry (Hβ = 486,13 nm). Podle [10] je koncentrace elektron˚ u rovna ne = 10

!1,49

∆λs 2

22

,

4, 7333

(3.15)

kde ne je koncentrace elektron˚ u v m−3 a ∆λs Starkovo rozˇs´ıˇren´ı (∆λ znaˇc´ı celou ˇs´ıˇrku spektr´ aln´ı ˇc´ ary). V pˇr´ıpadˇe, ˇze Starkovo rozˇs´ıˇren´ı je malé a srovnatelné s rozˇs´ıˇren´ım Dopplerovsk´ ym a pˇr´ıstrojovou funkc´ı, lze dále pouˇz´ıt následuj´ıc´ı vztahy ∆λs = 2

∆λDI = 2

∆λm 2

1,4

∆λD 2

− 2

∆λDI 2

+

∆λI 2

Tg ∆λD = 3, 58 · 10−7 λ 2 M

1 1,4 ! 1,4

,

(3.16)

2 !0,5

,

(3.17)

0,5

,

(3.18)

kde ∆λm je namˇeˇren´ a ˇs´ıˇrka spektráln´ı ˇcáry Hβ v polovinˇe jej´ı v´ yˇsky, ∆λI je pˇr´ıstrojov´ a funkce, ∆λD Dopplerovo rozˇs´ıˇren´ı, λ vlnová délka ˇcáry Hβ (vˇsechny v jednotlách ˚ A), Tg teplota neutr´ aln´ıho plynu v K, a M hmotnostn´ı ˇc´ıslo, které je v pˇr´ıpadˇe vod´ıku rovno jedné.

3.3.3

Urˇ cen´ı koncentrace elektron˚ u z rozˇ s´ıˇ ren´ı spektr´ aln´ı ˇ c´ ary argonu 549 nm

Dalˇs´ı moˇznost´ı, jak urˇcit koncentraci elektron˚ u, je z ˇs´ıˇrky spektráln´ı ˇcáry atomárn´ıho argonu o vlnové délce 549,88 nm. Vyuˇzijeme prvn´ıho pˇribl´ıˇzen´ı vztahu podle [11] ∆λ = 2ωne · 10−16

(3.19)

kde ne koncentrace elektron˚ u v cm−3 a ∆λ je plná ˇs´ıˇrka ˇcáry v ˚ A, zahrnuj´ıc´ı v sobˇe pˇr´ıstrojovou funkci, Dopplerovo rozˇs´ıˇren´ı a Starkovo rozˇs´ıˇren´ı. Je tedy nutné provést opravu podle vztah˚ u (3.16) – (3.18). Sráˇzkov´ y parametr elektron˚ u ω je veliˇcina urˇcen´ a experiment´ alnˇe a liˇs´ı se pro r˚ uznou teplotu elektron˚ u. V naˇsem pˇr´ıpadˇe se elektronov´ a teplota pohybovala v intervalu pod 5000K coˇz podle [11] odpov´ıdá hodnotˇe ω = 1, 9.

Kapitola 4

Experiment´ aln´ı ˇ c´ ast 4.1

Experiment´ aln´ı uspoˇ r´ ad´ an´ı

Mˇeˇren´ı byla provedena pro dvˇe r˚ uzná uspoˇrádán´ı plazmové trysky (obr. 4.1). V obou pˇr´ıpadech se jednalo o dutou kˇremennou kapiláru o vniˇrn´ım pr˚ umˇeru 2mm a vnˇejˇs´ım 4mm. Skrz tuto kapil´ aru proudil pracovn´ı plyn argon (8) o ˇcistotˇe 99,999%. V prvn´ım uspoˇr´ ad´ an´ı (1a) proudil pracovn´ı plyn do volné atmosféry, ˇc´ımˇz v trysce vznikalo plazma kapacitnˇe v´ azané do okol´ı. Toto uspoˇrádán´ı bude dále v textu oznaˇcováno jako jednopól. Ve druhém pˇr´ıpadˇe (1b) byla proti trysce um´ıstˇena uzemnˇená mˇedˇenná elektroda (9), kter´ a byla chlazena vodou. Vzdálenost trysky od protielektrody byla 7mm. Toto uspoˇr´ ad´ an´ı bude d´ ale v textu oznaˇcováno jako dvojpól. Pr˚ utok pracovn´ıho plynu byl mˇeˇren odporov´ ym pr˚ utokomˇerem (8). Fotografie obou uspoˇrádán´ı ukazuje obr. 4.2. V´ yboj byl buzen pˇres vnˇejˇs´ı prstencovou elektrodu (2) pˇripojenou pˇres pˇrizp˚ usobovac´ı ˇclen VM 600 (3) k vysokofrekvenˇcn´ımu generátoru Dressler Cesar 136 (4) pracuj´ıc´ımu na frekvenci 13,56MHz a v´ ykonu do 600W. Naˇse mˇeˇren´ı vˇsak byla provádˇena pouze do v´ ykonu 200W z d˚ uvodu velkého zahˇr´ıván´ı koaxiáln´ıho kabelu. Optick´ a spektra byla sn´ım´ ana jednak spektrometrem Jobin-Yvon FHR 1000 (6) vybaveného dvˇema difrakˇcn´ımi mˇr´ıˇzkami s hustotou vryp˚ u 2400 vr./mm a 3600 vr./mm, ICCD detektorem a CCD ˇcipem (2048 x 512 pixel˚ u) chlazen´ ym ˇctyˇrstupˇ nov´ ym Peltierov´ ym ˇcl´ ankem na teplotu -70◦ C, tak spektrometrem Triax 550 s difrakˇcn´ımi mˇr´ıˇzkami se 300 vr./mm, 1200 vr./mm a 2400 vr./mm, CCD ˇcip (2000 x 800 pixel˚ u) chlazen´ y ◦ kapaln´ ym dus´ıkem na teplotu -130 C. Vˇsechna optick´ a spektra byla sn´ımána podél kapiláry ve smˇeru kolmém na plazmov´ y kanál (5) ve vzd´ alenosti 20mm a nebude-li uvedeno jinak, bude v grafech oblasti kapiláry pˇr´ısluˇset z´ aporn´ a hodnota. Kladné hodnoty znaˇc´ı oblast mimo kapiláru. Spektra byla d´ ale zpracov´ ana programem Spectrum Analyzer [15]. Absolutn´ı chyby, které jsou vynáˇseny v grafech, jsou urˇceny metodou nejmenˇs´ıch ˇctverc˚ u a jsou vyjádˇreny pro hladinu spolehlivosti 68,3%. Celé pˇredchoz´ı zapojen´ı bylo dále mˇeˇreno v pulzn´ım reˇzimu. Jeho detailn´ı popis bude následovat v samostatné kapitole.

Experiment´ aln´ı uspoˇr´ ad´ an´ı

20

8 2 99

1a

3

4 6

1b

5

7

10

Obr´ azek 4.1: Schéma zapojen´ı: 1 – plazmová tryska a) kapacitnˇe vázaná do okol´ı, b) se zemnˇenou elektrodou, 2 – dutá elektroda, 3 – pˇrizp˚ usobovac´ı ˇclen, 4 – RF gener´ ator (13,56 MHz), 5 – spektrometr, 6 – optick´ y kabel , 7 – poˇc´ıtaˇc, 8 – pr˚ utokomˇer, 9 – pracovn´ı plyn, 10 – zemnˇená elektroda

Obr´ azek 4.2: Fotografie experimentáln´ıho uspoˇrádán´ı plazmové tuˇzky v jednop´ olové a dvojp´ olové konfiguraci.

P˚ uvod radik´ alu OH a dus´ıkových molekul ve výbojovém kan´ alu

4.2

21

P˚ uvod radik´ alu OH a dus´ıkov´ ych molekul ve v´ ybojov´ em kan´ alu

Ve vˇsech pˇredchoz´ıch prac´ıch zab´ yvaj´ıc´ıch se plazmovou tuˇzkou se automaticky pˇredpokládalo, ˇze vodn´ı p´ ara, dus´ıkové molekuly a ostatn´ı sloˇzky pocházej´ıc´ı z okoln´ıho vzduchu jsou ve v´ ybojovém kan´ alu mˇeˇritelné v d˚ usledku jejich dif´ uze z vnˇejˇs´ıho prostˇred´ı proti proudu pracovn´ıho plynu. Provedená mˇeˇren´ı, která tento pˇredpoklad mˇela potvrdit, jej pˇrekvapivˇe vyvr´ atila. K dif´ uzi ˇca´stic z okol´ı sice docház´ı, ale jejich pˇr´ıspˇevˇek k namˇeˇrené intenzitˇe je zanedbateln´ y. Hlavn´ı pˇr´ıspˇevˇek tvoˇr´ı atomy a molekuly, které lze oznaˇcit za neˇcistoty v pˇr´ıvodn´ıch hadiˇck´ ach a bombˇe s pracovn´ım plynem. Byl proveden experiment s velmi dlouhou kapilárou, aby plazmov´ y kanál nedosahoval aˇz do vnˇejˇs´ıho prostoru, ale hoˇrel pouze do poloviny kapiláry. Na jej´ı konec byla napojena silikonov´ a hadiˇcka, d´ ale vedouc´ı do nádoby s tekut´ ym dus´ıkem (LN2 ). Probublán´ı LN2 mˇelo zabr´ anit dif´ uzi vodn´ı páry do kapiláry proti proudu pracovn´ıho plynu. Druh´ a vymrazovaˇcka, napojen´ a na pˇr´ıvod pracovn´ıho plynu, slouˇzila k vymraˇzen´ı vodn´ı páry obsaˇzené v pˇr´ıvodn´ıch hadiˇck´ ach a bombˇe s pracovn´ım plynem. Pˇri teplotˇe LN2 (77,35K) docházelo ke zkapalnˇen´ı argonu (teplota varu 87,13 K), bylo tedy nutné volit jin´ y pracovn´ı plyn s niˇzˇs´ı teplotou varu, v naˇsem pˇr´ıpadˇe helium (teplota varu 4,22 K).

Obr´ azek 4.3: Sniˇzov´ an´ı intenzity rotaˇcn´ıch ˇcar OH radikálu v ˇcase v pr˚ ubˇehu vymrazov´ an´ı. V této konfiguraci byla n´ aslednˇe sn´ımána v oblasti 1cm za elektrodou emisn´ı spektra OH radik´ alu v pr˚ ubˇehu 60 minut. Pracovn´ı podm´ınky byly následuj´ıc´ı: pr˚ utok helia QHe = 2,7 l/min, v´ ykon P = 150 W, integraˇcn´ı doba t = 0,5 s. Na obr. 4.3 je vynesena závislost intenzity rotaˇcn´ıch ˇcar s kvantov´ ym ˇc´ıslem 3/2, 9/2 a 11/2 v závislosti na ˇcase. Jak m˚ uˇzeme vidˇet, intenzita rotaˇcn´ıch ˇcar klesala v d˚ usledku sniˇzován´ı sráˇzek a niˇzˇs´ı poˇcet sr´ aˇzek je d˚ ukazem niˇzˇs´ıho mnoˇzstv´ı vodn´ı páry ve v´ ybojovém kanálu. Nab´ız´ı

Mˇeˇren´ı v jednop´ olové konfiguraci

22

se tedy ot´ azka, zda by bylo moˇzné vodn´ı páry z v´ ybojového kanálu zcela odstranit. I kdyby proces vymrazov´ an´ı trval nekoneˇcnˇe dlouhou dobu, nebyla by intenzita tˇechto ˇcar nulov´ a. V [14] je zkoum´ ana propustnost silikonov´ ych materiál˚ u. Vˇsechny silikonové materi´ aly maj´ı velmi dobrou propustnost (tzv. permeaci) pro vˇetˇsinu plyn˚ u, dokonce i molekul a tato propustnost nav´ıc roste s teplotou okol´ı. Na základˇe zjiˇstˇen´ ych fakt˚ u lze vyvodit z´ avˇer, ˇze v´ yskyt komponent okoln´ıho vzduchu v ˇcistém pracovn´ım plynu (ˇcistota pouˇzitého argonu byla 99,999 %) je zp˚ usoben pˇreváˇznˇe pronikán´ım okoln´ıch plyn˚ u a molekul do pracovn´ıho plynu skrz pˇr´ıvodn´ı silikonové hadiˇcky. Nicménˇe nelze zcela vyvr´ atit ani dif´ uzi proti proudu pracovn´ıho plynu, jelikoˇz k jej´ımu zamezen´ı byla pouˇzita pr´ avˇe silikonov´ a hadiˇcka. Pro zamezen´ı permeace by bylo nutné pouˇz´ıt pˇr´ıvodn´ı hadice z jiného, nepropustného materi´ alu. Sice by se dos´ ahlo absolutn´ı ˇcistoty pracovn´ıho plynu, která je pro technické aplikace velmi ˇz´ adouc´ı, avˇsak pro diagnostiku plazmatu by tak v´ yhodná b´ yt nemusela. Právˇe d´ıky tˇemto neˇcistot´ am lze z´ıskávat cenné informace o vlastnostech plazmatu v podobˇe rotaˇcn´ıch ˇci vibraˇcn´ıch teplot.

4.3 4.3.1

Mˇ eˇ ren´ı v jednop´ olov´ e konfiguraci Pr˚ ubˇ eh teploty neutr´ aln´ıho plynu

V následuj´ıc´ı kapitole je pˇrehledn´ y souhrn pr˚ ubˇehu teploty neutráln´ıho plynu podél kapil´ ary. Rotaˇcn´ı teplota TrOH radik´ alu OH byla urˇcována z relativn´ı intenzity prvn´ıch ˇsesti rotaˇcn´ıch ˇcar vˇetve Q1 pˇrechodu A2 Π+ → X 2 Π (rotaˇcn´ı ˇcára 7/2 byla vynechána). Pouˇzité rotaˇcn´ı ˇc´ ary a jim pˇr´ısluˇsné konstanty jsou shrnuty v tabulce 4.1 [15]. Tabulka 4.1: Tabulka konstant pro urˇcen´ı rotaˇcn´ı teploty. 0 J(Q1 ) Vlnová délka [nm] f [THz] Ev [eV] 3/2 307.843 973,6 0,008 5/2 308.996 973,1 0,033 9/2 308.326 972,0 0,052 11/2 308.518 971,4 0,075 13/2 308.733 970,8 0,102 Délka kapil´ ary L byla postupnˇe prodluˇzována od dvou do patnácti centimetr˚ u a spektra byla sn´ım´ ana vˇzdy po dvou milimetrech, aby bylo dosaˇzeno co nejjemnˇejˇs´ıho pr˚ ubˇehu. Mˇeˇren´ı bylo provedeno za stejn´ ych podm´ınek (pr˚ utok argonu QA = 1l/min, integraˇcn´ı doba t = 0,5s, mˇr´ıˇzka 3600vr./mm), pro dva r˚ uzné v´ ykony P1 = 125W a P2 = 100W. Ve vˇsech pˇr´ıpadech doch´ az´ı bezprostˇrednˇe za elektrodou k prudkému r˚ ustu teploty, která se po 0,5 cm ust´ al´ı a jej´ı pr˚ ubˇeh je moˇzné pro krátké kapiláry (obr. 4.4) povaˇzovat za konstant´ı podél celého v´ ybojového kanálu uvnitˇr kapiláry. Pro kapiláry delˇs´ı neˇz 10 cm (obr. 4.5) se zaˇc´ın´ a objevovat maximum teploty v oblasti 3/4 délky kapiláry.


23

Chov´ an´ı teploty u elektrody lze vysvˇetlit mechanismem vzniku a buzen´ı OH radikálu. Bylo zjiˇstˇeno [4], ˇze existuj´ı dvˇe skupiny OH radikálu, které jsou charakterizovány rozd´ıln´ ym Bolzmannov´ ym rozdˇelen´ım rotaˇcn´ıch stav˚ u. Jedná se o tzv. horkou skupinu a chladnou skupinu a d˚ uvodem jejich existence jsou odliˇsné mechanismy exci0 tace. Chladn´ a skupina, charakterizovaná rotaˇcn´ım kvantov´ ym ˇc´ıslem J < 10, pocház´ı z jednoduché excitace OH radik´ alu, kter´ y se jiˇz v plazmatu vyskytuje. Teplota vypoˇcten´ a z tˇechto rotaˇcn´ıch ˇcar velmi dobˇre reprezentuje teplotu neutráln´ıho plynu v plazmatu. Oproti tomu hork´ a skupina OH radikálu vznikne, pokud uvaˇzované radikály jsou pˇr´ım´ ym produktem disociace v´ ychoz´ı molekuly vody H2 O. Tato skupina je charakteristická vysokou excitaˇcn´ı teplotou nutnou k disociace vodn´ı molekuly nárazem elektronu. Teplota 0 spoˇcten´ a z rotaˇcn´ıch ˇcar s rotaˇcn´ım kvantov´ ym ˇc´ıslem J > 10 m˚ uˇze dokonce v´ yraznˇe pˇrevyˇsovat teplotu elektron˚ u [16]. Chov´ an´ı teploty neutr´ aln´ıho plynu u elektrody je moˇzné vysvˇetlit t´ım, ˇze nejprve mus´ı b´ yt vysok´ ym elektrick´ ym polem disociováno dostateˇcné mnoˇzstv´ı molekul vody. T´ım se postupnˇe zv´ yˇs´ı koncentrace OH radikál˚ u v plazmatu a teprve poté nastane buzen´ı tˇechto radik´ al˚ u. Prudk´ y n´ ar˚ ust teploty mimo kˇremennou kapiláru lze vysvˇetlit rozd´ıln´ ymi sráˇzkov´ ymi procesy. Jelikoˇz se jedn´ a o pˇrechod z prostˇred´ı ˇcistého inertn´ıho plynu do vzduchu s mnohonásobnˇe vyˇsˇs´ı koncentrac´ı vodn´ıch par (projevuj´ıc´ı se v mˇeˇren´ ych spektrech v´ yrazn´ ym zv´ yˇsen´ım intenzity OH radik´ alu) a ostatn´ıch sloˇzek vzduchu, mˇen´ı se v´ yznamn´ ym zp˚ usobem charakter sr´ aˇzek. S rostouc´ı délkou kapil´ ary pˇrestává b´ yt tento nár˚ ust zˇreteln´ y, coˇz je zp˚ usobeno zkracován´ım plazmového kan´ alu vnˇe kapiláry a souˇcasnˇe r˚ ustem teploty uvnitˇr kapiláry.


Obr´ azek 4.4: Pr˚ ubˇeh teploty neutráln´ıho plynu v kapiláˇre délky 2cm aˇz 9cm pro dva r˚ uzné v´ ykony.

24


Obr´ azek 4.5: Pr˚ ubˇeh teploty neutráln´ıho plynu v kapiláˇre délky 10cm aˇz 15cm pro dva r˚ uzné v´ ykony.

25


4.3.2

26

Teplota a koncentrace elektron˚ u

Elektronov´ a teplota byla urˇcena z argonov´ ych ˇcar uveden´ ych v tab. 4.2 [15]. Jak ukazuje obr. 4.6, teplota elektron˚ u podél plazmového kanálu pozvolna klesá. Podél plazmového kanálu doch´ az´ı k velk´ ym ztr´ at´ am proudu, klesá tedy proudová hustota. Souˇcasnˇe kles´ a i v´ ybojové napˇet´ı UV podél kanálu, a jelikoˇz je elektronová teplota Te pˇr´ımo u ´mˇern´ a pˇriloˇzenému napˇet´ı, projev´ı se tato skuteˇcnost postupn´ ym sniˇzován´ım teploty elektron˚ u. Tabulka 4.2: Tabulka konstant pro urˇcen´ı elektronové teploty ˇcar. Argon Vlnov´ a délka [nm] Amn [s−1 ] Em [eV ] 433,533 5, 68 · 105 14,688 451,073 1, 18 · 106 14,579 452,232 8, 98 · 104 14,576 555,870 7, 90 · 104 15,515 560,673 2, 20 · 106 15,118 603,212 2, 46 · 106 15,131 667,728 2, 36 · 105 13,480 675,283 1, 93 · 106 14,743 687,129 2, 78 · 106 14,711 714,704 6, 25 · 105 13,283 751,465 4, 02 · 107 13,273

z pouˇzit´ ych argonov´ ych

gm 5 1 3 3 3 9 1 5 3 3 1

Obr´ azek 4.6: Pr˚ ubˇeh elektronové teploty podél 5cm a 10cm kapiláry. Namˇeˇren´ a teplota se vˇsak zdála b´ yt hodnˇe n´ızká, proto byla do pracovn´ıho plynu argonu pˇripuˇstˇena smˇes, kter´ a obsahovala 95% kryptonu a 5% xenonu. Pr˚ utok smˇesi byl 3 Qs = 8,2 cm /min, pr˚ utok argonu QA = 0,68 l/min. Následnˇe byla spoˇctena teplota elektron˚ u také z kryptonov´ ych ˇcar (tab. 4.3) [15] a porovnána. Obr. 4.7 ukazuje srovn´ an´ı elektronové teploty vypoˇctené z argonov´ ych resp. kryptonov´ ych ˇcar souˇcasnˇe pro dva r˚ uzné v´ ykony P1 = 100 W a P2 = 150 W. Prokázalo se,


27

ˇze teplota elektron˚ u je opravdu niˇzˇs´ı pˇri srovnán´ı s podobn´ ymi typy v´ yboj˚ u. V pˇr´ıpadˇe Te z vybran´ ych ˇcar argonu se pohybovala v rozmez´ı 3500K – 4400K, z vybran´ ych ˇcar kryptonu byla Te asi o 800K vyˇsˇs´ı. Uváˇz´ıme-li, ˇze elektronovou teplotu aproximuje teplota excitaˇcn´ı odpov´ıdaj´ıc´ı energii nutné k excitaci atom˚ u, nelze v principu ani shodnou teplotu namˇeˇrit. Avˇsak v r´ amci absolutn´ı chyby mˇeˇren´ı, lze elektronovou teplotu Te uvaˇzovat v rozmez´ı 4000K–5000K. Zv´ yˇsen´ı v´ ykonu v tak malém rozsahu patrnˇe nemˇelo na v´ yslednou teplotu vliv.

Tabulka 4.3: Tabulka konstant pro urˇcen´ı elektronové teploty z kryptonov´ ych ˇcar. Krypton Vlnov´ a délka [nm] Amn [s−1 ] Em [eV ] gm 427,397 2, 6 · 106 12,815 5 437,612 5, 6 · 106 12,865 1 446,369 2, 3 · 106 12,809 3 5 556,222 2, 8 · 10 12,144 5 557,029 2, 1 · 106 12,140 3 587,091 1, 8 · 106 12,144 5 7 758,741 5, 1 · 10 11,666 1 768,524 4, 9 · 107 12,256 1 7 805,950 1, 9 · 10 12,100 3 819,005 1, 1 · 107 11,546 5 850,887 2, 4 · 107 12,100 3

Obr´ azek 4.7: Srovn´ an´ı teploty elektron˚ u vypoˇctené z argonov´ ych resp. kryptonov´ ych ˇcar pro dva r˚ uzné v´ ykony.


28

Obr. 4.8 zn´ azorˇ nuje pr˚ ubˇeh koncentrace elektron˚ u, vypoˇctené z rozˇs´ıˇren´ı vod´ıkové spektr´ aln´ı ˇc´ ary Hβ . Pracovn´ı podm´ınky byly stejné jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe, pouze integraˇcn´ı doba musela b´ yt kv˚ uli velmi malé intenzitˇe ˇcáry mnohonásobnˇe zvˇetˇsena na hodnotu t = 10s. I kdyˇz koncentrace vykazuje podél kapiláry jist´ y klesaj´ıc´ı trend, s pˇrihlédnut´ım na rozsah kol´ısán´ı jej´ı velikosti v porovnán´ı s ˇrádovou hodnotou lze obr. 4.8 povaˇzovat sp´ıˇse za ilustrativn´ı a lze hovoˇrit o koncetraci v ˇrádu ne ≈ 1020 m−3 .

Obr´ azek 4.8: Pr˚ ubˇeh koncentrace elektron˚ u vypoˇctené z rozˇs´ıˇren´ı vod´ıkové spektr´ aln´ı ˇc´ ary Hβ .

4.3.3

Vibraˇ cn´ı teplota

Vibraˇcn´ı teplota byla mˇeˇrena z relativn´ı intenzity hlav vibraˇcn´ıch pás˚ u sekvence ∆v = −2 3 3 pˇrechodu C Πu − B Πg molekuly N2 . Vlnové délky a pouˇzité konstanty jsou uvedeny v následuj´ıc´ı tabulce 4.4 [15]. Tabulka 4.4: Tabulka konstant pro urˇcen´ı vibraˇcn´ı teploty. 0 00 v →v Vlnová délka [nm] qv0 v00 Ev0 [eV ] − 2–4 371,05 7, 66 · 10 39 0,619 1–3 375,54 9, 70 · 10− 39 0,376 − 0–2 380,49 7, 27 · 10 39 0,128 Obr. 4.9 zn´ azorˇ nuje vibraˇcn´ı teplotu pro dvˇe kapiláry délky 5cm a 10cm. Pracovn´ı podm´ınky byly n´ asleduj´ıc´ı: pr˚ utok argonu QA = 1l/min, v´ ykon P = 125W, mˇr´ıˇzka 2400vr./mm, integraˇcn´ı doba t = 0,5s. Podél celého plazmového kanálu by se vibraˇcn´ı teplota dala v r´ amci chyby mˇeˇren´ı povaˇzovat za konstantn´ı, jej´ı velikost se pohybovala v rozsahu 2000K – 2400K. Jako dalˇs´ı bylo zkoum´ ano, jak´ y vliv na vibraˇcn´ı a rotaˇcn´ı teplotu má pˇridán´ı pˇr´ımˇesi dus´ıku N2 do pracovn´ıho plynu argonu. Pr˚ utok argonu byl QA = 2l/min, pr˚ utok dus´ıku byl QN = 0,02l/min, pracovn´ı v´ ykon byl zvyˇsován od P = 125W do P = 160W.


29

Obr´ azek 4.9: Pr˚ ubˇeh vibraˇcn´ı teploty podél r˚ uzn´ ych délek kapilár v ˇcistém argonu.

Obr´ azek 4.10: Pr˚ ubˇeh vibraˇcn´ı teploty a teploty neutráln´ıho plynu podél 5 cm kapil´ ary v pracovn´ım plynu argonu s pˇr´ımˇes´ı dus´ıku pro r˚ uzn´ y pracovn´ı v´ ykon. Uk´ azalo se, ˇze pr˚ ubˇeh teploty neutráln´ıho plynu je stejn´ y jako v ˇcistém argonu, pouze n´ ar˚ ust teploty bezprostˇrednˇe za elektrodou a ve vnˇejˇs´ım prostˇred´ı kapiláry je mnohem strmˇejˇs´ı. Tento v´ ysledek je moˇzné pˇrisoudit rozd´ıln´ ym sráˇzkov´ ym proces˚ um, ˇ které v plazmatu prob´ıhaj´ı za zv´ yˇsené koncentrace dus´ıkov´ ych molekul. Cetnˇejˇs´ı sráˇzky mezi molekulou OH a molekulou N2 v tˇechto m´ıstech zˇrejmˇe zp˚ usob´ı zv´ yˇsen´ı teploty neutr´ aln´ıho plynu.

4.3.4

Mˇ eˇ ren´ı teploty termokamerou

V rámci spolupr´ ace Masarykovy univerzity a Vysokého uˇcen´ı technického v Brnˇe mohlo b´ yt provedeno mˇeˇren´ı s pomoc´ı termokamery. Termokamera SH-68/HY-6800 byla za´ p˚ ujˇcena z Ustavu v´ ykonové elektrotechniky a elektroniky, FEKT VUT. Jelikoˇz nebylo moˇzné pˇresnˇe urˇcit emisivitu pouˇzitého kˇremenného skla (nebyl znám pomˇer pˇr´ımˇes´ı), byla pouˇzita emisivita skla, která je rovna 0,90. Emisivita ˇcistého skla je pouze nepatrnˇe niˇzˇs´ı neˇz skla kˇremenného, nepˇredpokládal se tedy v´ yrazn´ y rozd´ıl v teplotˇe namˇeˇrené


Obr´ azek 4.11: Sn´ımek 2 cm kapiláry poˇr´ızen´ y termokamerou s vyobrazenou teplotn´ı ˇsk´ alou. Stˇred osového kˇr´ıˇze ukazuje maximáln´ı teplotu TM AX = 126,86◦ C.

Obr´ azek 4.12: Sn´ımek 5 cm kapiláry poˇr´ızen´ y termokamerou s vyobrazenou teplotn´ı ˇsk´ alou. Stˇred osového kˇr´ıˇze ukazuje maximáln´ı teplotu TM AX = 172,14◦ C.

30

Mˇeˇren´ı v dvojp´ olové konfiguraci

31

a skuteˇcné. Vyfocené sn´ımky byly poté zpracovány pˇriloˇzen´ ym softwarem (program SatReport). V´ ysledné sn´ımky uvedené na obr. 4.11 a obr. 4.12 zachycuj´ı kapiláry o délkách 2 cm a 5 cm pˇri stejn´ ych pracovn´ıch podm´ınkách (pr˚ utok argonu QA = 1l/min, v´ ykon P = 125W). Pr˚ useˇc´ık osového kˇr´ıˇze oznaˇcuje oblast maximáln´ı teploty která se v pˇr´ıpadˇe 2cm kapil´ ary rovnala TM AX = 126,87◦ C, v pˇr´ıpadˇe 5 cm kapiláry vzrostla na ◦ TM AX = 172,14 C a vˇzdy se nacházela ve stˇredu v´ ybojového kanálu. Bylo dosaˇzeno velmi podobn´ ych v´ ysledk˚ u jako pˇri OES pˇri porovnán´ı s teplotou neutr´ aln´ıho plynu. V obou pˇr´ıpadech bylo dokázáno, ˇze teplota podél plazmového kanálu je témˇeˇr konstantn´ı. Pro 2cm kapiláru se dokonce velmi pˇresnˇe shodovala i velikost zjiˇstˇené teploty. Nejednalo se ovˇsem o teplotu maximáln´ı. Ta se vyskytovala v oblasti plazmového kan´ alu mimo kˇremennou kapiláru. Tuto oblast vˇsak termokamera nedokázála zachytit. Vzhledem k velmi omezen´ ym moˇznostem pˇresného urˇcen´ı teploty tohoto typu v´ yboje (nelze pouˇz´ıt termoˇcl´ anek ˇci sondová mˇeˇren´ı v bˇeˇzném proveden´ı) bylo pouˇzit´ı termokamery v´ yznamn´ ym a zaj´ımav´ ym zdrojem informac´ı vhodn´ ych k porovnán´ı se spektroskopick´ ym mˇeˇren´ım.

4.4 4.4.1

Mˇ eˇ ren´ı v dvojp´ olov´ e konfiguraci Pr˚ ubˇ eh teploty neutr´ aln´ıho plynu

V konfiguraci dvojp´ olu byla pro urˇcen´ı teploty neutráln´ıho plynu sn´ımána spektra OH radik´ alu za stejn´ ych pracovn´ıch podm´ınek jako u jednopólu, tedy v´ ykon P = 125W, pr˚ utok argonu QA = 1l/min , integraˇcn´ı doba t = 0,5s, mˇr´ıˇzka 2400vr./mm, pro ˇctyˇri r˚ uzné délky kapil´ ary L (2cm, 5cm, 10cm, 14cm). Jak ukazuje obr. 4.13, nastává od bud´ıc´ı elektrody pozvoln´ y nár˚ ust teploty neutráln´ıho plynu, kter´ y lze vysvˇetlit obdobnˇe jako u jednopólového v´ yboje. Jedin´ ym rozd´ılem bylo, ˇze kv˚ uli sn´ıˇzen´ı napˇet´ı na bud´ıc´ı elektrodˇe byl proces nabuzen´ı dostateˇcného mnoˇztv´ı molekul OH pomalejˇs´ı. Pˇred zemnˇenou elektrodou docház´ı k prudkému spádu teploty neutráln´ıho plynu. Jednou z moˇznost´ı zp˚ usobuj´ıc´ı namˇeˇren´ y pokles teploty bude zˇrejmˇe spád potenciálu u zemˇenné elektrody. Na bud´ıc´ı elektrodˇe se umˇele udrˇzuje konstantn´ı napˇet´ı, tzv. Ue , ale pˇri pˇribliˇzov´ an´ı ke druhé elektrodˇe se mˇen´ı charakter v´ yboje z jednopólového na dvojp´ olov´ y. Podle [4], kde je zkoumána zmˇena elektrick´ ych makroparametr˚ u pˇri pˇrechodu z jednop´ olového na dvojpólov´ y vysokofrekvenˇcn´ı v´ yboj, se u povrchu zemˇenné elektrody vytvoˇr´ı elektrodov´ a ploˇska o tlouˇst’ce asi 0,05mm, na které docház´ı k obrovskému sp´ adu napˇet´ı, ˇr´ adovˇe 150V. V tomto m´ıstˇe proto dojde k obrovskému zpomalen´ı voln´ ych elektron˚ u, coˇz se mus´ı v´ yraznˇe projevit na jejich v´ ysledné teplotˇe. Dalˇs´ım d˚ uleˇzit´ ym faktorem, kter´ y m˚ uˇze m´ıt zásadn´ı vliv na sn´ıˇzen´ı teploty, je samotn´ a teplota zemˇenné elektrody. Ta byla chlazena vodou, jej´ı teplota se tedy pohybovala kolem 285K. Naproti tomu, teplota v u ´st´ı kapiláry se v závislosti na pracovn´ıch podm´ınk´ ach pohybovala v rozmez´ı 850K – 1100K. Na vzdálenosti 7mm byl t´ım pádem obrovsk´ y teplotn´ı rozd´ıl, mus´ı proto k mˇeˇrenému teplotn´ımu spádu docházet.


32

Obr´ azek 4.13: Pr˚ ubˇeh teploty neutráln´ıho plynu pro r˚ uzné délky kapiláry pro konfiguraci dvojp´ ol.

4.4.2

Teplota a koncentrace elektron˚ u

Obr. 4.14 zn´ azorˇ nuje pr˚ ubˇeh elektronové teploty a obr. 4.15 pr˚ ubˇeh koncentrace elektron˚ u podél kapil´ ary dvojp´ olu za stejn´ ych pracovn´ıch podm´ınek (pr˚ utok argonu QA = 1l/min, v´ ykon P = 125W, mˇr´ıˇzka 2400vr./mm, int.doba t = 0,5s). Elektronov´ a teplota byla podél celého plazmového kanálu konstantn´ı, pouze v bl´ızkosti zemˇenné elektrody doˇslo k m´ırnému sn´ıˇzen´ı pravdˇepodobnˇe ze stejného d˚ uvodu jako v pˇr´ıpadˇe teploty neutr´ aln´ıho plynu. V rámci chyby vˇsak lze tvrdit, ˇze elektronová teplota mˇela konstantn´ı hodnotu 4000K po celé délce plazmového kanálu a nezávisela na jeho délce. Koncentrace elektron˚ u, spoˇctená z rozˇs´ıˇren´ı spektráln´ı ˇcáry Hβ sice m´ırnˇe klesala podél délky kapil´ ary, stejnˇe jako v pˇr´ıpadˇe jednopólu ji s ohledem na rozsah tohoto kol´ısán´ı ve srovn´ an´ı s ˇr´ adovou hodnotou koncentrace lze povaˇzovat za témˇeˇr konstantn´ı. Dosahovala hodnoty ˇr´ adovˇe ne ≈ 1020 m−3 .


Obr´ azek 4.14: Pr˚ ubˇeh elektronové teploty podél r˚ uzn´ ych délek kapilár pro dvojp´ olovou konfiguraci.

Obr´ azek 4.15: Pr˚ ubˇeh koncentrace elektron˚ u podél r˚ uzn´ ych délek kapilár pro dvojp´ olovou konfiguraci.

33

Srovn´ an´ı jednop´ olové a dvojp´ olové konfigurace v kontinu´ aln´ım reˇzimu

4.5

34

Srovn´ an´ı jednop´ olov´ e a dvojp´ olov´ e konfigurace v kontinu´ aln´ım reˇ zimu

Srovn´ an´ı pr˚ ubˇehu teploty neutr´ aln´ıho plynu v konfiguraci jednopól a dvojpól za stejn´ ych pracovn´ıch podm´ınek (v´ ykon P = 125W, pr˚ utok QA = 1,0 l/min) je na obr. 4.16. V obou pˇr´ıpadech nast´ av´ a u elektrody nár˚ ust teploty neutráln´ıho plynu, pomalejˇs´ı pr˚ ubˇeh u dvojp´ olu byl vysvˇetlen na z´ akladˇe obecnˇe niˇzˇs´ıho elektrodového napˇet´ı pˇri tomto uspoˇr´ adán´ı. V oblasti vnˇejˇs´ıho prostoru je rozd´ılné chován´ı teploty pˇr´ıˇcinou odliˇsn´ ych sráˇzkov´ ych proces˚ u plynouc´ıch ze samotného uspoˇrádán´ı. Obr. 4.16 také velmi dobˇre demonstruje

Obr´ azek 4.16: Srovn´ an´ı pr˚ ubˇehu teploty neutráln´ıho plynu podél kapiláry délky L = 5cm pˇri uspoˇrádán´ı jednopól a dvojpól. d˚ usledek pouˇzit´ı nˇekteré z invazivn´ıch metod mˇeˇren´ı teploty. Pouˇzijeme-li k mˇeˇren´ı teploty napˇr. termoˇcl´ anek [2], bude jeho sonda um´ıstˇená v oblasti plazmového kanálu pˇredstavovat druhou elektrodu. V d˚ usledku zmˇeny kapacity celého uspoˇrádán´ı se v´ yraznˇe zmˇen´ı nejen pr˚ ubˇeh ale i velikost teploty, která by v naˇsem pˇr´ıpadˇe mohla dosáhnout pˇri stejn´ ych pracovn´ıch podm´ınkách rozd´ılu aˇz 400K. Co se t´ yˇce teploty elektron˚ u, jej´ı

Obr´ azek 4.17: Srovn´ an´ı pr˚ ubˇehu teploty a koncentrace elektron˚ u podél kapil´ ary délky L = 10cm pˇri uspoˇrádán´ı jednopól a dvojpól.

Srovn´ an´ı jednop´ olové a dvojp´ olové konfigurace v kontinu´ aln´ım reˇzimu

35

velikost je pro obˇe uspoˇr´ ad´ an´ı témˇeˇr shodná, v obou pˇr´ıpadech je vˇsak docela n´ızká. Pro porovn´ an´ı velikosti koncentrace elektron˚ u byla do obr. 4.17 zanesena také hodnota spoˇcten´ a z rozˇs´ıˇren´ı spektráln´ı argonové ˇcáry na vlnové délce 549,588 nm. Ukázalo se, ˇze hodnoty koncentrace z´ıskané z tˇechto dvou ˇcar se m´ırné liˇsily, obecnˇe vyˇsˇs´ı koncentrace odpov´ıd´ a vˇzdy argonové ˇcáˇre. Avˇsak ˇrádovˇe se obˇe metody v´ ypoˇctu velmi dobˇre shodovaly, v´ ysledn´ a koncentrace elektron˚ u v plazmovém kanálu byla ne ≈1020 m−3 a byla stejn´ a pro obˇe zkouman´ a experimentáln´ı uspoˇrádán´ı.

Pulzn´ı provoz

4.6

36

Pulzn´ı provoz

Experiment´ aln´ı uspoˇr´ ad´ an´ı pro mˇeˇren´ı vlastnost´ı plazmové tuˇzky v pulzn´ım provozu (obr. 4.18) se od p˚ uvodn´ıho zapojen´ı liˇsilo t´ım, ˇze bylo zapotˇreb´ı provést na harmonickém napˇet´ı o frekvenci 13,56 MHz dodávaném z generátoru Cesar 136 (4) amplitudovou modulaci obdéln´ıkov´ ym pulzem generovan´ ym funkˇcn´ım generátorem Agilent 33220A (5). Modulaˇcn´ı frekvence fM byla volena 27kHz, bylo vˇsak moˇzné pracovat v rozsahu 10kHz - 30kHz. Poté byl v´ ystup napojen na vnˇejˇs´ı konektor ICCD spektrometru FHR ˇ 1000 (7). Frekvence fM souˇcasnˇe slouˇzila jako ˇcasov´ y trigger spektrometru ICCD. Casov´ y pr˚ ubˇeh modulaˇcn´ı frekvence byl zaznamenáván digitáln´ım osciloskopem Tektronix TDS 1002 (6). 11 2

9 9

1 10

3

4

5 6

7a

7

8

Obr´ azek 4.18: Schéma zapojen´ı: 1 – plazmová tryska, 2 – elektroda, 3 – pˇrizp˚ usobovac´ı ˇclen, 4 – RF generátor Cesar (13,56 MHz), 5 – funkˇcn´ı gener´ ator Agilent (kHz), 6 – osciloskop, 7 – spektrometr, 7a – optické vlákno, 8 – poˇc´ıtaˇc, 9 – pracovn´ı plyn, 10 – pr˚ utokomˇer, 10 – zemnˇená elektroda Pro vˇsechna mˇeˇren´ı byla zvolena konstantn´ı délka kapiláry L = 5cm. Vlastn´ı spektra byla sn´ım´ ana v oblasti tˇesnˇe pod elektrodou (ozn. -49mm), ve stˇredu kapiláry (-25mm) a v oblasti 5mm za u ´st´ım kapiláry. U jednopólu byla sn´ımána i oblast u ´st´ı (0mm). Z namˇeˇren´ ych spekter byla vynesena závislost integráln´ı intenzity na ˇcasovém zpoˇzdˇen´ı triggeru, které bude d´ ale v textu oznaˇcováno jako delay. V pˇr´ıpadˇe OH radikálu se jednalo o integr´ aln´ı intenzitu prvn´ıch sedmi ˇcar pásu Q1 , tedy oblast 307,74nm – 308,72nm. ˇ Casov´ y v´ yvoj intenzity argonov´ ych ˇcar byl urˇcován ze tˇr´ı argonov´ ych ˇcar o vlnov´ ych délkách 425,936nm, 426,628nm, 427,217nm, jednalo se o integráln´ı intenzitu z oblasti 425,75nm – 427,35nm. Nebude-li ˇreˇceno jinak, budou vˇsechna následuj´ıc´ı mˇeˇren´ı provedena pro duty cycle 50%, coˇz je pomˇer aktivn´ı ˇc´ asti pulzu k celé jeho periodˇe v procentech.

Jednop´ ol v pulzn´ım reˇzimu

4.7 4.7.1

37

Jednop´ ol v pulzn´ım reˇ zimu V´ yvoj intenzity v pr˚ ubˇ ehu pulzu

Obrázek 4.19 ukazuje, jak se vyv´ıjela intenzita v pr˚ ubˇehu aktivn´ı ˇcásti periody modulaˇcn´ı frekvence pro OH radik´ al a vybrané tˇri argonové ˇcáry. Na prvn´ı pohled je zˇrejmé, ˇze profil

Obr´ azek 4.19: Pr˚ ubˇeh integráln´ı intenzity OH radikálu a vybran´ ych tˇr´ı argonov´ ych ˇcar v ˇcase pro r˚ uzné oblasti kapiláry. namˇeˇrené intenzity se v obou pˇr´ıpadech znaˇcnˇe liˇs´ı od oˇcekávaného obdéln´ıkového profilu a nav´ıc jej´ı pr˚ ubˇeh je pro molekulová a atomová spektra odliˇsn´ y. Tento rozd´ıl je zp˚ usoben odliˇsn´ ym mechanismem buzen´ı atom˚ u a molekul v plazmatu. V pˇr´ıpadˇe molekulov´ ych spekter, reprezentovan´ ych v naˇsem pˇr´ıpadˇe molekulou OH, docházelo v okamˇziku zapnut´ı bud´ıc´ıho pulzu k obrovskému n´ ar˚ ustu intenzity. Ta po krátké dobˇe opˇet klesla na hodnotu mnohem niˇzˇs´ı, do konce pulzu jiˇz konstantn´ı ˇci nepatrnˇe rostouc´ı. Konec bud´ıc´ıho pulzu nastal v ˇcase 47µs, oblast druhého maxima v ˇcase 50µs pˇredstavuje nár˚ ust intenzity po skonˇcen´ı bud´ıc´ıho pulzu, n´ asledn´ y pokles intenzity zp˚ usobuje dohas´ınán´ı v´ yboje. Rozloˇzen´ı intenzity se také mˇenilo v závislosti na vzdálenosti od elektrody. V jej´ı bl´ızkosti (oblast -49mm) intenzita pozvolna roste aˇz do doby vypnut´ı bud´ıc´ıho napˇet´ı a jej´ı pr˚ ubˇeh plnˇe koresponduje s pˇredstavou o postupné disociaci molekul vody. S dobou pˇriloˇzeného napˇet´ı pomalu nar˚ ustá koncentrace vznikl´ ych a posléze excitovan´ ych


38

OH radik´ al˚ u. Posouv´ ame-li se ale dál od elektrody, zaˇc´ıná se objevovat u ´zké maximum intenzity v okamˇziku zap´ alen´ı v´ yboje. V tˇechto oblastech totiˇz po zapnut´ı pulzu docház´ı k okamˇzité excitaci velkého mnoˇztv´ı jiˇz existuj´ıc´ıch radikál˚ u, které jsou do daného m´ısta od elektrody transportov´ any proudem pracovn´ıho plynu. Protoˇze podél plazmového kanálu docház´ı k proudov´ ym ztrátám a k postupnému zkracov´ an´ı délky trv´ an´ı pulzu, sniˇzuje se podél kapiláry intenzita. Co se t´ yˇce atomov´ ych spekter (obr. 4.19), od ˇcasu zapnut´ı bud´ıc´ıho pulzu zaˇcala intenzita nar˚ ustat aˇz do doby jeho vypnut´ı v ˇcase 47µs, kterou opˇet provázel nár˚ ust intenzity. Poté n´ asledovalo také dohas´ınán´ı v´ yboje. Ke sniˇzov´ an´ı celkové intenzity podél kapiláry docházelo ze stejného d˚ uvodu jako u OH radik´ alu, objasnˇen´ı rozdˇelen´ı intenzity argonu v ˇcase vˇsak bylo mnohem komplikovanˇejˇs´ı. Jak bylo ˇreˇceno, jedn´ a se o integráln´ı intenzitu tˇr´ı argonov´ ych ˇcar, jejichˇz vlastnosti shrnuje tabulka 4.5 [15, 17].

λ[nm] 425,962

Tabulka 4.5: Tabulka konstant pro vybrané tˇri argonové ˇcáry. Amn [s−1 ] Em [eV] En [eV] elektronov´ a konfigurace 6 2 5 2 3, 98 · 10 14,738 11,828 3s 3p P1/2 4p – 3s2 3p5 2 P1/2 4s

426,682

3, 12 · 105

427,217

105

7, 97 ·

14,529 14,529

11,623

3s2 3p5

11,623

3s2 3p5

2P

2P

3/2

3/2

4p –3s2 3p5

3s2 3p5

4p –

2P

4s

4s

3/2

2P

3/2

Argonové plazma obecnˇe obsahuje atomy v základn´ım stavu Ar(3s2 3p6 ), metastabiln´ı atomy Arm (metastabiln´ı hladiny 1s5 1s3 ), radiaˇcn´ı hladiny Arr (1s4 a 1s2 ), Ar(4p) a pozitivn´ı ionty Ar+ . N´ as zaj´ımá právˇe radiaˇcn´ı pˇrechod 4p → 4s. Plat´ı, ˇze intenzita studovan´ ych spektr´ aln´ıch ˇcar bude pˇr´ımo u ´mˇerná poˇctu nabuzen´ ych atom˚ u v pˇr´ısluˇsném kvantovém stavu. D˚ uleˇzitou roli bude proto hrát mechanismus populován´ı a následné depopulace hladiny 4p, coˇz u ´zce souvis´ı s reakˇcn´ımi procesy prob´ıhaj´ıc´ımi v argonovém plazmatu. Tabulka 4.6 pod´ av´ a pˇrehled o nejzákladnˇejˇs´ıch reakc´ıch prob´ıhaj´ıc´ıch v argonovém plazmatu. Podle [19] hraje nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı roli v populaci hladiny 4p excitace ze základn´ıho stavu n´ arazem velmi rychl´ ych atom˚ u, elektron˚ u nebo argonového iontu (rovnice (1) a (2) v tab. 4.6, popˇr´ıpadˇe radiaˇcn´ı pˇrechod z vyˇsˇs´ı excitované 3d nebo 5s hladiny. D˚ uleˇzitou roli ovˇsem hraje také stupˇ novitá excitace (rovnice (3)) z niˇzˇs´ı 4s metastabiln´ı hladiny na vyˇsˇs´ı 4p radiaˇcn´ı hladinu. Uv´ aˇz´ıme-li d´ ale, ˇze v atomu argonu se prvn´ı radiaˇcn´ı hladina vyskytuje asi 13eV na hladinou z´ akladn´ı a 1,5eV nad hladinou metastabiln´ı, je evidentn´ı, ˇze tato záˇr´ıc´ı hladina m˚ uˇze b´ yt ze z´ akladn´ıho stavu populována pouze rychl´ ymi elektrony, oproti tomu z hladiny metastabiln´ı bude populována i pomal´ ymi elektrony. Pr´ avˇe n´ asledkem této stupˇ novité excitace je pomalá a postupná populace hladin, která se projevuje postupn´ ym zvyˇsován´ım intenzity záˇren´ı. Uváˇz´ıme-li, ˇze s délkou trván´ı pulzu se plazmov´ y kan´ al v´ıce zahˇr´ıvá, a vyjdeme-li z pˇredpokladu Maxwellova rozdˇelen´ı rychlost´ı elektron˚ u, ˇze s rostouc´ı teplotou pˇrib´ yvá rychlejˇs´ıch elektron˚ u, dojdeme k z´ avˇeru, ˇze s délkou trván´ı pulzu se mus´ı také zvyˇsovat populace radiaˇcn´ıch


39

Tabulka 4.6: Pˇrehled nejz´ akladnˇejˇs´ıch reakc´ı prob´ıhaj´ıc´ıch v argonovém plazmatu. Reakce Reakˇcn´ı koef Proces Ref.

(4) (5) (6) (7)

k1 = 5, 48 · 10−9

ionizace ze zákl.stavu

[20]

k2

k2 = 2, 67 · 10−10

e + Ar → Ar+ + e

(2) (3)

k

e + Ar →1 Arm + e

(1)

e+ Arm

+

k Arm →3

k Arm →4

Arm Arm

Ar+ Ar+

+ 2e + Ar + e

k5

+ Ar → 2Ar

ionizace ze zákl.stavu

[20]

k3 = 1, 9 ·

10−6

stupˇ novitá ionizace

[20]

k4 = 6, 4 ·

10−10

sráˇzka dvou tˇeles

[19]

k5 = 3 ·

10−15

sráˇzka dvou tˇeles

[21]

k6

k6 = 1, 1 ·

10−31

sráˇzka tˇr´ı tˇeles

[21]

k7

k7 = 2, 5 · 10−31

sráˇzka tˇr´ı tˇeles

[20]

+ 2Ar → Ar2 + Ar

Ar+ + 2Ar → Ar2+ + Ar

hladin. Pokud se z pˇredchoz´ıch spekter spoˇcetla pˇr´ısluˇsná teplota, ukázalo se, ˇze jej´ı pr˚ ubˇeh nekoresponduje s pr˚ ubˇehem intenzity (obr. 4.20). Jak v pˇr´ıpadˇe TrOH , tak i teplota vypoˇcten´ a z vybran´ ych tˇrech argonov´ ych ˇcar, byla v pr˚ ubˇehu trván´ı pulzu témˇeˇr konstantn´ı. Teplota vypoˇcten´ a z argonov´ ych ˇcar vˇsak nereprezentuje teplotu elektron˚ u. Vzhledem k tomu, ˇze v pulzn´ım reˇzimu bylo sn´ımáno pouze na ˇs´ıˇrku jednoho okna, které pˇri pouˇzit´ı mˇr´ıˇzky 2000vr./mm pˇredstavovalo asi 6nm, nebyl promˇeˇren dostateˇcn´ y rozsah vlnov´ ych délek potˇrebn´ y k urˇcen´ı elektronové teploty. Dále je nutno podotknout, ˇze kˇrivka v oblasti nulové teploty neudává jej´ı hodnotu a nemá ˇzádn´ y fyzikáln´ı smysl. Slouˇz´ı pouze k lepˇs´ı pˇredstavˇe o pr˚ ubˇehu pulzu. Ani prudk´ y spád teploty na poˇcátku a na konci pulzu neodpov´ıdaj´ı pˇresnˇe skuteˇcnosti. V tˇechto m´ıstech docházelo k pomalému r˚ ustu resp. sniˇzov´ an´ı intenzity vyˇsetˇrovan´ ych spektráln´ıch ˇcar, nebylo z nich ale moˇzné spoˇc´ıtat teplotu, protoˇze jejich intenzita byla srovnatelná s intenzitou pozad´ı. Z ˇcasov´ ych os obr. 4.20 a obr. 4.19 je rovnˇeˇz moˇzné si vˇsimnout, ˇze ˇs´ıˇrka pulzu urˇcen´ a teplotou je zd´ anlivˇe mnohem vˇetˇs´ı, neˇz se zdá ˇs´ıˇrka pulzu integráln´ı intenzity. Tento zd´ anliv´ y rozpor lze vysvˇetlit velmi pomal´ ym dohas´ınán´ım v´ yboje, dostateˇcn´ y poˇcet nabuzen´ ych ˇc´ astic je detekovateln´ y aˇz do ˇcasu vyˇsˇs´ıho neˇz 60µs. Z (obr. 4.19) i (obr. 4.20) je na prvn´ı pohled patrné v´ yrazné zkracován´ı délky pulzu s rostouc´ı vzd´ alenost´ı od bud´ıc´ı elektrody. Vyˇsetˇren´ı tohoto jevu se vˇenuje následuj´ıc´ı kapitola. Dalˇs´ı zaj´ımav´ y efekt, kter´ y nastával, byl spád intenzity na nulovou hodnotu v urˇcitém delay. Na obr´ azc´ıch 4.19 a 4.20 je patrn´ y pouze u elektrody v ˇcase 37µs, v ostatn´ıch m´ıstech byl pulz zkr´ acen natolik, ˇze nár˚ ust jeho intenzity zaˇc´ınal aˇz v pozdˇejˇs´ım ˇcase. Podaˇrilo se objasnit, ˇze tento spád byl zp˚ usoben vnitˇrn´ım triggerem ICCD.


Obr´ azek 4.20: Pr˚ ubˇeh teploty neutráln´ıho plynu a vybran´ ych tˇr´ı argonov´ ych ˇcar v ˇcase pro r˚ uzné oblasti kapiláry.

40


4.7.2

41

Vyˇ setˇ rov´ an´ı ˇ casov´ eho posunu

Ve snaze objasnit d˚ uvod ˇcasového posunu zapalován´ı v´ yboje byla volena co nejdelˇs´ı kapil´ ara. Jelikoˇz pouˇzité koaxi´ aln´ı kabely byly omezeny pracovn´ım v´ ykonem do 200W, podaˇrilo se zap´ alit plazmov´ y kanál dlouh´ y 12cm, kter´ y hoˇrel pouze uvnitˇr kapiláry, do vnˇejˇs´ıho prostˇred´ı nedosahoval. Ukázalo se, ˇze tato skuteˇcnost nen´ı pro dané mˇeˇren´ı podstatn´ a, pˇrechod z oblasti uvnitˇr kapiláry do vnˇejˇs´ıho prostˇred´ı nemˇel na studovan´ y profil ˇz´ adn´ y vliv. Obr. 4.21 a obr. 4.22 pˇrehlednˇe ukazuj´ı v´ yvoj intenzity OH radikálu a argonov´ ych ˇcar v z´ avislosti na delay a souˇcasnˇe na poloze. Narozd´ıl od pˇredchoz´ıho znaˇcen´ı, v´ ychoz´ı polohu (0cm) pˇredstavuje oblast bezprostˇrednˇe za elektrodou. Jako kladn´ y smˇer tedy uvaˇzujeme rostouc´ı vzdálenost od elektrody podél proudu pracovn´ıho plynu.

ˇ Obr´ azek 4.21: Casov´ y v´ yvoj intenzity OH radikálu v závislosti na vzd´ alenosti od bud´ıc´ı elektrody.

V obou pˇr´ıpadech ˇcasové zpoˇzdˇen´ı zapálen´ı v´ yboje rostlo se vzdálenost´ı od elektrody. ˇ Cas zap´ alen´ı v´ yboje v pˇr´ıpadˇe OH radikálu (Obr.4.21) u elektrody byl 30 µs, maxima intenzity bylo dosaˇzeno v ˇcase 35 µs a v ˇcase 47 µs nastalo ukonˇcen´ı bud´ıc´ıho pulzu, doprov´ azené m´ırn´ ym n´ ar˚ ustem intenzity. Dále jiˇz docházelo k dohas´ınán´ı v´ yboje. Ovˇsem na konci plazmového kan´ alu, tedy ve vzdálenosti 13 cm od elektrody, se zapálen´ı v´ yboje posunulo aˇz na ˇcas 44 µs a maximum intenzity spadalo souˇcasnˇe do doby ukonˇcen´ı bud´ıc´ıho pulzu. K dohas´ın´ an´ı z´ aˇren´ı OH radikálu v plazmatu nastávalo ve vˇsech m´ıstech


42

ˇ Obr´ azek 4.22: Casov´ y v´ yvoj intenzity argonov´ ych ˇcar v závislosti na vzd´ alenosti od bud´ıc´ı elektrody.

kapil´ ary ve stejnou dobu, doch´ azelo pouze k ˇcasovému posunu zapálen´ı v´ yboje. V pˇr´ıpadˇe intenzity argonov´ ych ˇcar byla situace podobná. K nabuzen´ı Ar ˇcar doˇslo u elektrody v ˇcase 31 µs, na konci plazmového kanálu se tento ˇcas posunul aˇz na 44 µs. Po vypnut´ı bud´ıc´ıho pulzu v 47µs doˇslo k v´ yraznému nár˚ ustu intenzity, po n´ıˇz nastalo dohas´ın´ an´ı v´ yboje. Souˇcasnˇe byl zpracov´ an z´ aznam z osciloskopu o pr˚ ubˇehu modulaˇcn´ı frekvence fM a napˇet´ı podél plazmového kan´ alu. K tomuto u ´ˇcelu byl pouˇzit digitáln´ı pamˇet’ov´ y osciloskop Le Croy 6100A jehoˇz sonda byla um´ıstˇena 20mm od plazmového kanálu, vˇzdy po 20mm podél kapil´ ary. Obr. 4.23 zn´ azorˇ nuje pr˚ ubˇeh modulaˇcn´ı frekvence fM = 27 kHz (ˇcervená kˇrivka) a v´ ybojového napˇet´ı Uv podél plazmového kanálu (ˇcerná kˇrivka). Protoˇze kaˇzd´ y kan´ al osciloskopu mˇel jiné zes´ılen´ı, bylo potˇreba pr˚ ubˇeh modulaˇcn´ı frekvence fM vynásobit vhodnou konstantou, aby bylo moˇzné obˇe veliˇciny pˇrehlednˇe porovnat. Uk´ azalo se, ˇze s rostouc´ı vzdálenost´ı od bud´ıc´ı elektrody se Uv plazmového kanálu v´ yraznˇe sniˇzuje a z´ asadn´ım zp˚ usobem mˇen´ı sv˚ uj celkov´ y profil. Obr. 4.24 se vˇenuje podrobnˇejˇs´ımu popisu. Jedn´ a se o detail oblasti u elektrody, avˇsak dostateˇcnˇe daleko,


43

Obr´ azek 4.23: Z´ aznam z osciloskopu. Pr˚ ubˇeh obdéln´ıkové modulaˇcn´ı frekvence fM (ˇcerven´ a) a v´ ysledného v´ ybojového napˇet´ı Uv v r˚ uzn´ ych ˇ ıslem v obrázku oznaˇcena poloha v cm. vzd´ alenostech od bud´ıc´ı elektrody. C´

aby se jiˇz projevoval typick´ y profil pro molekulová spektra. Objasˇ nuje souvislost záznamu z osciloskopu s jemu pˇr´ısluˇsn´ ym pr˚ ubˇehem intenzity OH radikálu. Z osciloskopick´ ych mˇeˇren´ı vyplynulo, ˇze ke sp´ın´ an´ı generátoru docház´ı na sestupné hranˇe obdéln´ıkového pulzu, napˇet´ı Ue se na bud´ıc´ı elektrodˇe a posléze jako Uv podél plazmového kanálu objevuje s konstantn´ım ˇcasov´ ym zpoˇzdˇen´ım ∆t = 10,2µs, znázornˇeném v obr. 4.24.


44

Obr´ azek 4.24: Souvislost mezi profilem napˇet´ı, z´ıskan´ ym z osciloskopick´ ych mˇeˇren´ı a rozloˇzen´ı spektr´ aln´ı intenzity OH radikálu. Oblast 2cm pod bud´ıc´ı elektrodou.

Toto zpoˇzdˇen´ı bylo zp˚ usobeno elektronikou, ve vˇsech pˇr´ıpadech z˚ ustávalo konstantn´ı a nebylo moˇzné ho ovlivnit. Souˇcasnˇe ˇcasov´ y trigger konektoru ICCD reagoval na nábˇeˇznou hranu triggerovac´ıho (modulaˇcn´ıho) pulzu, t´ım p´ adem i pˇri sn´ımáni spekter docházelo k dalˇs´ımu ˇcasovému ˇ posunu. C´ arkovanou ˇcarou d je oznaˇcena oblast, kdy docházelo k jiˇz dˇr´ıve zmiˇ novanému náhlému p´ adu intenzity na nulovou hodnotu. Tento efekt byl zp˚ usoben pravdˇepodobnˇe nˇejakou vnitˇrn´ı interferenc´ı mezi triggerem ICCD a funkˇcn´ım generátorem. Pomˇernˇe strm´ y n´ ar˚ ust napˇet´ı Uv v plazmovém kanálu zp˚ usob´ı, ˇze rychle dojde k pˇrekroˇcen´ı z´ apalného napˇet´ı Uz (oznaˇceno ˇcárkovanou ˇcarou a na obr. 4.24) a okamˇzitˇe m´ırnˇe poklesne v´ ybojové napˇet´ı Uv . V jednom okamˇziku je t´ım pádem nabuzeno obrovské mnoˇzstv´ı OH radik´ al˚ u, které se projev´ı v´ yrazn´ ym p´ıkem v intenzitˇe záˇren´ı. Podrobnˇejˇs´ı popis byl pod´ an v pˇredchoz´ı kapitole. N´ asleduje pokles a ust´ alen´ı intenzity na konstantn´ı hodnotˇe aˇz do doby vypnut´ı bud´ıc´ıho pulzu (oznaˇceno b na obr. 4.24), které je doprovázeno okamˇzit´ ym nár˚ ustem intenzity (oznaˇceno c na obr. 4.24), kter´ y se po krátké dobˇe zmˇen´ı na dohas´ınán´ı v´ yboje. Chov´ an´ı plazmatu bezprostˇrednˇe po vypnut´ı bud´ıc´ıho napˇet´ı je moˇzné vysvˇetlit pomoc´ı sr´ aˇzkové frekvence v plazmatu [18]. Sráˇzková frekvence νm (pruˇzné sráˇzky elektron˚ u s neutr´ aln´ımi ˇc´ asticemi) z´ avis´ı obecnˇe na hustotˇe neutráln´ıch ˇcástic nn , na u ´ˇcinném sráˇzkovém pr˚ uˇrezu nalét´ avaj´ıc´ıch elektron˚ u σm a na vzájemné rychlosti sráˇzej´ıc´ıch se ˇcástic g


45

νm = nm · σm · g

(4.1)

Kdyˇz uvaˇzujeme malou pohyblivost neutráln´ıch ˇcástic, dosazujeme za g zpravidla stˇredn´ı rychlost v sr´ aˇzej´ıc´ıch se elektron˚ u. Z rovnice 4.1 vypl´ yvá, ˇze sráˇzková frekvence pˇr´ımo závis´ı na stˇredn´ı rychlosti elektron˚ u. Pˇri vypnut´ı bud´ıc´ıho napˇet´ı Ue prudce spadne v´ ybojové napˇet´ı Uv a v d˚ usledku relaxaˇcn´ıch proces˚ u procház´ı rychlosti velkého mnoˇztv´ı ˇcástic urˇcitou optim´ aln´ı rychlost´ı, kdy docház´ı pro dan´ y plyn k maximáln´ımu buzen´ı. Co se t´ yˇce intenzity argonov´ ych ˇcar, je mechanismus zháˇsen´ı totoˇzn´ y s OH radikálem, mechanismus zap´ alen´ı byl opˇet vysvˇetlen dˇr´ıve. Dost´ av´ ame se k objasnˇen´ı ˇcasového posunu zapalován´ı v´ yboje podél plazmového kanálu. Jako jediné vysvˇetlen´ı se jev´ı vysvˇetlen´ı pomoc´ı zápalného napˇet´ı. Podrobnˇejˇs´ım mˇeˇren´ım bylo zjiˇstˇeno, ˇze zap´ alen´ı v´ yboje podél kapiláry se sice dˇeje v ˇcase pozdˇeji avˇsak za niˇzˇs´ıho z´ apalného napˇet´ı.

4.7.3

V´ yvoj intenzity OH radik´ alu a argonov´ ych ˇ car v pr˚ ubˇ ehu pulzu pro r˚ uzn´ y duty cycle

Následuj´ıc´ı obr´ azky ukazuj´ı, jak se mˇenila jednak velikost intenzity a jednak celkov´ y profil pˇri zmˇenˇe duty cycle. Pro lepˇs´ı pˇredstavu jsou uvedeny vˇzdy dva pulzy (1,5 periody), na kter´ ych je zˇretelné protahován´ı aktivn´ı ˇcásti pulzu, tedy doby hoˇren´ı v´ yboje, se zvˇetˇsuj´ıc´ım se duty cycle. Pˇri dalˇs´ım zvyˇsován´ı duty cycle aˇz na hodnotu 100% by v´ yboj plynule pˇreˇsel do kontinu´ aln´ıho reˇzimu, sniˇzován´ı by bylo moˇzné pouze za zvyˇsován´ı pracovn´ıho v´ ykonu, coˇz v naˇsem pˇr´ıpadˇe nebylo moˇzné, vhledem k omezenému pracovn´ımu v´ ykonu do PM AX = 200W z jiˇz dˇr´ıve uvedeného d˚ uvodu. N´ asleduj´ıc´ı obr´ azky pˇr´ısluˇs´ı oblasti ve stˇredu kapiláry (-25mm), pˇri pr˚ utoku argonu QA = 1,5l/min, v´ ykonu P = 160W, difrakˇcn´ı mˇr´ıˇzce 2400vr./mm a integraˇcn´ı dobˇe t = 2s.

Obr´ azek 4.25: Pr˚ ubˇeh intenzity OH radikálu pˇri rozd´ılném duty cycle.


46

Uk´ azalo se (obr. 4.25), ˇze s rostouc´ım duty cycle se v´ yraznˇe sniˇzovala intenzita vyzaˇrov´ an´ı, avˇsak typick´ y charakter profilu z˚ ustal ve vˇsech pˇr´ıpadech stejn´ y. Závislost intenzity na duty cycle byla pravdˇepodobnˇe zp˚ usobena t´ım, ˇze pˇri delˇs´ım aktivn´ım pulzu docházelo k vˇetˇs´ımu ohˇr´ıv´ an´ı plazmového kanálu, t´ım pádem bylo potˇreba nepatrnˇe niˇzˇs´ı zápalné napˇet´ı Uz . A niˇzˇs´ı z´ apalné napˇet´ı zp˚ usobilo ménˇe nabuzen´ ych ˇcástic v plazmatu. Obr. 4.26 a obr. 4.27 ukazuj´ı, jak se zmˇena duty cycle projev´ı na rotaˇcn´ı teplotˇe. Potvrzuj´ı, ˇze i pˇred divoké chov´ an´ı intenzity OH z˚ ustává teplota neutráln´ıho plynu TrOH stále konstantn´ı, pouze ke konci pulzu se objevuje jistá tendence k m´ırnému zv´ yˇsen´ı. Ovˇsem v r´ amci chyby mˇeˇren´ı, která je v této oblasti vˇetˇs´ı, lze na teplotu pohl´ıˇzet jako na konstantn´ı. Dokonce pro vˇetˇs´ı duty cycle, tedy delˇs´ı aktivn´ı ˇcást pulzu, je teplota podél pomˇerné ˇc´ asti pulzu velmi pˇresnˇe urˇcená. Tuto pˇresnost lze pˇrisoudit stabilizaci plazmového kan´ alu v d˚ usledku relativnˇe dlouhé doby hoˇren´ı.

Obr´ azek 4.26: Pr˚ ubˇeh teploty neutráln´ıho plynu pˇri duty cycle 50%.


Na obr. 4.27 je pro u ´plnost vynesena zmˇena teploty neutráln´ıho plynu pˇri pˇrechodu z pulzn´ıho reˇzimu na kontinu´ aln´ı. Jedná se pouze o potvrzen´ı pˇredpokladu, ˇze pˇri delˇs´ım trván´ı pulzu se plazmov´ y kan´ al v´ıce zahˇr´ıvá. Vyznaˇcené body v grafu pˇredstavuj´ı teplotu plynu vˇzdy ve stˇredu doby trv´ an´ı pulzu. Co se t´ yˇce intenzity argonu (obr. 4.29), s rostouc´ı dobou trván´ı pulzu se v´ yraznˇe mˇenil jeho profil. Pomal´ y n´ ar˚ ust intenzity byl vysvˇetlen v pˇredchoz´ı kapitole, sniˇzován´ı intenzity s rostouc´ım duty cycle bylo vysvˇetleno v pˇredchoz´ım odstavci. Z obrázku bylo pˇri


47

zvolen´ı jiného mˇeˇr´ıtka také patrné, ˇze s rostouc´ı délkou trván´ı pulzu byla hrana nábˇehu intenzity po zapnut´ı bud´ıc´ıho pulzu strmˇejˇs´ı pro vˇetˇs´ı duty cycle. Moˇzn´ ym vysvˇetlen´ım se zd´ ala b´ yt u ´vaha o vˇetˇs´ım poˇctu metastabiln´ıch atom˚ u argonu, které se udrˇzely mezi dobou vypnut´ı pulzu a opˇetovn´ ym zapálen´ım v´ yboje. Na obr. 4.29 by se jednalo o ˇcas 47µs – 62µs. T´ım p´ adem by v dobˇe zapálen´ı v´ yboje doˇslo k záˇriv´ ym pˇrechod˚ um mnohem rychleji, takˇze také k rychlejˇs´ımu, tedy strmˇejˇs´ımu nábˇehu intenzity. Podle [19] je dominantn´ım procesem depopulace metastabiln´ıch stav˚ u v argonovém plazmatu jednak sr´ aˇzka dvou metastabil˚ u (rovnice (4) v tab. 4.6), jednak Penningovsk´ a ionizace. Dvou a tˇr´ıˇc´ asticové sr´ aˇzky s atomy v základn´ım stavu (rovnice (5),(6),(7) v tab. 4.6) lze zanedbat. Na z´ akladˇe spoˇctené reakˇcn´ı rychlosti se ukázalo, ˇze depopulaˇcn´ı proces

Obr´ azek 4.28: Zmˇena teploty neutráln´ıho plynu pˇri pˇrechodu z pulzn´ıho reˇzimu na kontinu´ aln´ı.

Obr´ azek 4.29: Pr˚ ubˇeh intenzity argonu pˇri rozd´ılném duty cycle.

Dvojp´ ol v pulzn´ım reˇzimu

48

je v´ıce neˇz o ˇr´ ad rychlejˇs´ı, neˇz je naˇse studovaná doba. Je vˇsak zˇrejmé, ˇze tento efekt bude urˇcitˇe ovlivnˇen rostouc´ı teplotou plazmatu s rostouc´ı délkou trván´ı aktivn´ıho pulzu.

4.8 4.8.1

Dvojp´ ol v pulzn´ım reˇ zimu V´ yvoj intenzity v pr˚ ubˇ ehu pulzu

Následuj´ıc´ı kapitola se vˇenuje ˇreˇsen´ı stejn´ ych problém˚ u, jako v pˇredcházej´ıc´ıch kapitolách pro experiment´ aln´ı uspoˇr´ ad´ an´ı dvojpólu. Dá se oˇcekávat, ˇze rozd´ılná konfigurace v´ yboje se projev´ı rozd´ıln´ ymi v´ ysledky. Prvn´ı obr. 4.30, kter´ y ukazuje v´ yvoj intenzity OH radikálu a argonov´ ych ˇcar v ˇcase, je na prvn´ı pohled znaˇcnˇe odliˇsn´ y oproti pˇredchoz´ımu uspoˇrádán´ı. Opˇet je sn´ımána oblast u elektrody (-49mm), ve stˇredu kapiláry (25mm) a 5mm za u ´st´ım kapiláry, coˇz je oblast tˇesnˇe nad zemnˇenou elektrodou.

Obr´ azek 4.30: Pr˚ ubˇeh intenzity OH radikálu a argonov´ ych ˇcar. Kromˇe mnohem v´ yraznˇejˇs´ıho p´ıku intenzity OH radikálu, kter´ y se objevil po vypnut´ı pulzu, doˇslo k takovému zkr´ acen´ı doby vyzaˇrován´ı argonu, ˇze se jeho profil jev´ı jako jedin´ y p´ık. Také proces jeho dohas´ınán´ı se zdál m´ırnˇe rychlejˇs´ı, coˇz je nejlépe vidˇet na obr. 4.31, kter´ y pˇredstavuje teplotu vypoˇctenou ze tˇr´ı argonov´ ych ˇcar pˇr´ısluˇsej´ıc´ı k obr. 4.30.


49

Obr. 4.32 ukazuje z´ aznam z osciloskopu o pr˚ ubˇehu obdéln´ıkové modulaˇcn´ı frekvence fM (ˇcerven´ a) a v´ ysledného v´ ybojového napˇet´ı Uv v r˚ uzn´ ych vzdálenostech od bud´ıc´ı elektrody. Tato mˇeˇren´ı uk´ azala, ˇze také profil a amplituda napˇet´ı Uv se ve srovnán´ı s jednopólem v´ yraznˇe zmˇenily. N´ asleduj´ıc´ı obr. 4.33 opˇet pˇrináˇs´ı detailnˇejˇs´ı popis souvislosti namˇeˇreného napˇet´ı na rozloˇzen´ı spektráln´ı intenzity v ˇcase. Jedná se o oblast ve stˇredu kapil´ ary, kde bylo chov´ an´ı intenzity nejv´ yraznˇejˇs´ı. Vzhledem k tomu, ˇze ˇcasové zpoˇzdˇen´ı mezi sepnut´ım obdéln´ıkového pulzu a napˇet´ı Ue na bud´ıc´ı elektrodˇe bylo dáno mˇeˇr´ıc´ım pˇr´ıstrojem, je jeho konstantn´ı hodnota opˇet znázornˇena v obr. 4.33 jako ∆t = 10,2µs. Po strmém n´ ar˚ ustu napˇet´ı Uv , dojde v ˇcase ta = 38µs, v obrázku vyznaˇceno ˇcárkovanou ˇcarou a k zap´ alen´ı v´ yboje, opˇet poklesne v´ ybojové napˇet´ı Uv , avˇsak v pˇr´ıpadˇe dvojp´ olu je tento sp´ ad v´ yraznˇejˇs´ı. Dalˇs´ı chov´ an´ı je stejné jako u jednopólu. V okamˇziku pˇrekroˇcen´ı zápalného napˇet´ı Uz je nabuzeno velké mnoˇztv´ı OH radikál˚ u, následuje v´ yrazné u ´zké maximum intenzity

Obr´ azek 4.31: Pr˚ ubˇeh teploty neutráln´ıho plynu a teploty spoˇctené ze tˇr´ı argonov´ ych ˇcar.


50

záˇren´ı, poté se napˇet´ı Uv i intenzita ustál´ı na konstantn´ı hodnotˇe aˇz do doby tb = 47µs vypnut´ı pulzu. U dvoup´ olu je následn´ y p´ık intenzity záˇren´ı mnohem v´ yraznˇejˇs´ı, ten posléze pˇrech´ az´ı na dohas´ın´ an´ı v´ yboje.

Obr´ azek 4.32: Z´ aznam z osciloskopu. Pr˚ ubˇeh obdéln´ıkové modulaˇcn´ı frekvence fM (ˇcerven´ a) a v´ ysledného v´ ybojového napˇet´ı Uv v r˚ uzn´ ych vzd´ alenostech od bud´ıc´ı elektrody.


51

Obr´ azek 4.33: Souvislost mezi profilem napˇet´ı z´ıskan´ ym z osciloskopick´ ych mˇeˇren´ı a rozloˇzen´ı spektr´ aln´ı intenzity OH radikálu. Oblast 2cm pod bud´ıc´ı elektrodou.

4.8.2

V´ yvoj intenzity OH radik´ alu a argonov´ ych ˇ car v pr˚ ubˇ ehu pulzu pro r˚ uzn´ y duty cycle

Následuj´ıc´ı obr´ azky pˇr´ısluˇs´ı oblasti ve stˇredu kapiláry (-25mm), pˇri pr˚ utoku argonu QA = 1,5l/min, v´ ykonu P = 160W, difrakˇcn´ı mˇr´ıˇzce 2400vr./mm a integraˇcn´ı dobˇe t = 2s. Ukazuj´ı, jak se mˇenila jednak velikost intenzity, jednak celkov´ y profil pˇri zmˇenˇe duty cycle. Opˇet plat´ı, jako v pˇr´ıpadˇe jednopólu, ˇze se zvˇetˇsuj´ıc´ım se duty cycle klesala intenzita. Jedin´ ym rozd´ılem byla v´ yraznˇeji klesaj´ıc´ı intenzita p´ıku, kter´ y se objevoval okamˇzitˇe po zp´ alen´ı v´ yboje, coˇz mohlo b´ yt zp˚ usobeno t´ım, ˇze u dvojpólu bylo obecnˇe menˇs´ı v´ ybojové napˇet´ı Uv . Pokud se spoˇcetla pˇr´ısluˇsn´ a teplota neutráln´ıho plynu, prokázalo se, ˇze pro ni plat´ı stejné pˇredchoz´ı u ´vahy jako u jednopólu pouze s t´ım rozd´ılem, ˇze jej´ı hodnota byla vyˇsˇs´ı. Tento v´ ysledek koresponduje s chován´ım, které bylo zjiˇstˇeno v kontinuáln´ım provozu.


52

Obr´ azek 4.34: Srovn´ an´ı pr˚ ubˇehu intenzity OH radikálu v pr˚ ubˇehu pulzu pro r˚ uzné duty cycle.



Co se t´ yˇce argonov´ ych ˇcar, plat´ı pro nˇej tytéˇz u ´vahy jako pro jednopólové uspoˇrádán´ı, pouze s t´ım rozd´ılem, ˇze jeho celkov´ y profil se jev´ı v´ yraznˇe uˇzˇs´ı. Pˇresto vˇsak docházelo k zap´ alen´ı v´ yboje ve stejn´ y okamˇzik, jako v pˇredchoz´ım uspoˇrádán´ı, pozorovatelné z´ uˇzen´ı

Srovn´ an´ı jednop´ olové a dvojp´ olové konfigurace v pulzn´ım reˇzimu

53

bylo zp˚ usobeno mnohem pomalejˇs´ım zvyˇsován´ım intenzity. Toto efekt byl pravdˇepodobnˇe d˚ uvodem obecnˇe niˇzˇs´ıho napˇet´ı podél plazmového kanálu v této konfiguraci.

Obr´ azek 4.37: Srovn´ an´ı pr˚ ubˇehu intenzity argonov´ ych ˇcar v pr˚ ubˇehu pulzu pro r˚ uzné duty cycle.

4.9

Srovn´ an´ı jednop´ olov´ e a dvojp´ olov´ e konfigurace v pulzn´ım reˇ zimu

V následuj´ıc´ı kapitole bude struˇcné shrnut´ı rozd´ıl˚ u mezi uspoˇrádán´ım jednopól a dvojp´ ol v pulzn´ım reˇzimu. Spoleˇcnou vlastnost´ı vˇsech uveden´ ych rozdˇelen´ı intenzit byla pˇr´ıtomnost vˇzdy jednoho nebo dvou maxim v dobˇe trván´ı pulzu v závislosti na tom, jednalo-li se o atom´ arn´ı nebo molekul´ arn´ı sloˇzku plazmatu. Dalˇs´ı rozd´ıl byl patrn´ y ve velikosti teploty neutráln´ıho plynu, která byla pˇri zachován´ı pracovn´ıch podm´ınek obecnˇe vyˇsˇs´ı v pˇr´ıpadˇe dvojpólu. Tento v´ ysledek dle oˇcekáván´ı koresponduje s kontinu´ aln´ım provozem. Nejv´ıce se ale rozd´ılné uspoˇrádán´ı projevilo na pr˚ ubˇehu a velikosti napˇet´ı podél plazmového kan´ alu, které byly namˇeˇreny osciloskopem. Optimáln´ıch podm´ınek zapálen´ı bylo v obou pˇr´ıpadech dosaˇzeno ve stejném ˇcase, resp. se stejn´ ym ˇcasov´ ym zpoˇzdˇen´ım od doby, kdy bylo pˇrivedeno napˇet´ı Ue na bud´ıc´ı elektrodu. U dvopólu bylo ale potˇreba k udrˇzen´ı v´ yboje mnohem menˇs´ıho napˇet´ı, neˇz bylo napˇet´ı zápalné Uz , coˇz se projevilo viditeln´ ym sp´ adem napˇet´ı na pˇribliˇznˇe poloviˇcn´ı hodnotu, která z˚ ustala konstatn´ı aˇz do vypnut´ı. Spoˇcetla-li se d´ ale koncentrace elektron˚ u, jak z vod´ıkové Hβ na 486,13nm, tak z argonové ˇcáry na 549,588nm, uk´ azalo se (obr. 4.38), ˇze koncentrace elektron˚ u vyˇsla opˇet ˇrádovˇe shodnˇe pro obˇe uspoˇr´ ad´ an´ı, dokonce byla stejná, moˇzná nepatrnˇe vyˇsˇs´ı neˇz pro dan´ a uspoˇr´ ad´ an´ı v kontinu´ aln´ım reˇzimu. Kv˚ uli pˇr´ıliˇs slabé intenzitˇe se nepodaˇrilo namˇeˇrit ˇcasov´ y v´ yvoj tˇechto ˇcar, neznáme

Srovn´ an´ı jednop´ olové a dvojp´ olové konfigurace v pulzn´ım reˇzimu

54

proto v´ yvoj intenzity v pr˚ ubˇehu celého pulzu. Mˇeˇren´ı bylo provedeno tak, ˇze pomoc´ı ˇcasového gener´ atoru ICCD byla nastavena doba sn´ımán´ı vˇzdy na stˇred aktivn´ıho pulzu a byl zmˇeˇren pouze jeden sn´ımek.

Obr´ azek 4.38: Srovn´ an´ı koncentrace elektron˚ u vypoˇcten´ ych z poloˇs´ıˇrky Hβ a vybrané argonové ˇc´ ary pro uspoˇrádán´ı jednopólu a dvojpólu v pulzn´ım reˇzimu.

Kapitola 5

Z´ avˇ er C´ılem této diplomové pr´ ace bylo pomoc´ı optické emisn´ı spektroskopie provést detailn´ı diagnostiku specifického zdroje plazmatu, tzv. plazmové tuˇzky, za atmosférického tlaku a r˚ uzn´ ych pracovn´ıch podm´ınek. Byla volena dvˇe r˚ uzná experimentáln´ı uspoˇrádán´ı, která byla d´ ale zkoum´ ana ve dvou r˚ uzn´ ych pracovn´ıch reˇzimech. Jednalo se o jednopólovou konfiguraci, tedy plazma kapacitnˇe vázané do okol´ı, a dvoupolovou konfiguraci, tedy plazma smˇerované do zemˇené elektrody. Obˇe uspoˇrádán´ı byly realizovány v tzv. kontinu´ aln´ım reˇzimu (buzeno harmonick´ ym napˇet´ım o frekvenci 13,56MHz) a v pulzn´ım reˇzimu (harmonické napˇet´ı bylo amplitudovˇe modulované obdéln´ıkov´ ym pulzem). Z praktického hlediska je zapojen´ı v konfiguraci dvojpól pro studium mnohem zaj´ımavˇejˇs´ı a uˇziteˇcnˇejˇs´ı, jelikoˇz pˇri mnoha aplikac´ıch, pˇri nichˇz docház´ı ke kontaktu plazmatu s opracov´ avan´ ym pˇredmˇetem, se právˇe tento pˇredmˇet stává druhou elektrodou. Bylo zjiˇstˇeno, ˇze se zmˇenou uspoˇrádán´ı souvis´ı pouze malá zmˇena parametr˚ u plazmatu. V obou pˇr´ıpadech byla velikost teploty a koncentrace elektron˚ u stejná, popˇr´ıpadˇe byla zmˇena nepatrn´ a (Te ≈ 3500K – 4000K, ne ≈ 1020 m−3 ). Rozd´ıl se projevil pouze u teploty neutr´ aln´ıho plynu. Pˇri vhodném nastaven´ı pracovn´ıch podm´ınek se u dvojpólu vu ´st´ı kapil´ ary jej´ı hodnota témˇeˇr zdvojnásobila oproti jednopólovému uspoˇrádán´ı. Tento rozd´ıl byl zp˚ usoben zmˇenou elektrick´ ych parametr˚ u v plazmovém kanálu. Otázkou ale z˚ ustáv´ a, proˇc se tento rozd´ıl v´ yraznˇeji neprojevil i na dalˇs´ıch sloˇzkách plazmatu. V obou pˇr´ıpadech vˇsak byla potvrzena relace Tn < Tr < Tv < Te , která v neizotermickém plazmatu plat´ı pro jednotlivé sloˇzky. Pˇrev´ aˇzn´ a ˇc´ ast diplomové pr´ ace se zab´ yvala zkoumán´ım dan´ ych uspoˇrádán´ı v pulzn´ım reˇzimu pomoc´ı ˇcasovˇe rozliˇsené optické emisn´ı spektroskopie. V´ ysledky ukázaly, ˇze ˇcasov´ y v´ yvoj r˚ uzn´ ych sloˇzek plazmatu je znaˇcnˇe odliˇsn´ y. Pozornost byla vˇenována pˇredevˇs´ım radik´ alu OH, kter´ y je v atmosferick´ ych v´ yboj´ıch vˇzdy dobˇre pozorovateln´ y, dále pak vybran´ y emisn´ım ˇcar´ am argonu. Byla potvrzena skuteˇcnost, ˇze atomárn´ı a molekulárn´ı sloˇzky v plazmatu vykazuj´ı velmi odliˇsné chován´ı, které bylo v naˇsem pˇr´ıpadˇe nav´ıc komplikov´ ano pˇr´ıtomnost´ı rychle proud´ıc´ıho v´ ybojového prostˇred´ı. V práci je pouze nast´ınˇeno jaké fyzik´ aln´ı a plazmochemické procesy vedou k tˇemto v´ yrazn´ ym odliˇsnostem mezi r˚ uzn´ ymi sloˇzkami v argonovém plazmatu. Nav´ıc se opˇet potvrdil m´ırnˇe odliˇsn´ y charakter v´ yboje pˇri konfiguraci jednopólu a dvojpólu.

´ ER ˇ KAPITOLA 5. ZAV

56

V´ yrazn´ y ˇcasov´ y posun zap´ alen´ı v´ yboje, kter´ y nastával podél kapiláry, byl zp˚ usoben pozdˇejˇs´ım dosaˇzen´ım optim´ aln´ıch podm´ınek pro zapálen´ı v´ yboje. Tyto optimáln´ı podm´ınky se vˇsak objasnit nepodaˇrilo. Informace o ˇcasovém pr˚ ubˇehu koncentrace elektron˚ u by jistˇe vedla k ujasnˇen´ı mechanismu buzen´ı a zháˇsen´ı atomov´ ych a molekulov´ ych sloˇzek v plazmatu, coˇz by pˇrispˇelo k objasnˇen´ı ideáln´ı podm´ınky zapálen´ı v´ yboje v r˚ uzn´ ych poloh´ ach kapil´ ary. Snahou bylo zjistit, zda by pulzn´ı reˇzim neposkytoval v nˇekteré oblasti lepˇs´ı podm´ınky pro technologické aplikace, neˇz poskytuje dnes pouˇz´ıvaná plazmová tuˇzka v kontinuáln´ım provozu. Z namˇeˇren´ ych v´ ysledk˚ u zat´ım vypl´ yvá, ˇze by napˇr´ıklad bylo moˇzné pouˇz´ıt zmˇenu duty cycle k jistému ˇr´ızen´ı teploty neutráln´ıho plynu. Dalˇs´ı moˇznosti by musely b´ yt pˇredmˇetem dalˇs´ıho v´ yzkumu.

Literatura [1] Janˇca, J., Kl´ıma, M., Slav´ıˇcek, P., Zaj´ıˇcková, L. HF plasma pencil– new source for plasma surface processing. Surface and Coatings Technology 116 -119 (1999) 547-551. [2] Walsh J.L., Kong M.G. Near room-tepmerature sub-microsecond pulsed plasma jet in flowing atmospheric argon. 28th ICPIG, July 15-20, 2007, Prague, Czech Republic. Topic number 10. [3] Andor Catalog. Digital Camera. 2006. [4] Tesaˇr, C. Elektrick´ a, energetick´ a a spektr´ aln´ı diagnostika výboj˚ u. Habilitaˇcn´ı práce. Masarykova Univerzita, Brno. 1998. [5] Gross, B. Mˇeˇren´ı vysokých teplot. Praha: SNTL. 1962. [6] Navr´ atil, Z. Optick´ a diagnostika plazmatu. Dizertaˇcn´ı práce. Masarykova Univerzita, Brno. 2006. ´ [7] Beiser, A. Uvod do modern´ı fyziky. Praha. 1977. [8] Griem, Hans R. Plasma spectroscopy. New York: McGraw-Hill Book. 1964. ˇ [9] Cernohorsk´ y, T., Jandera, P. Atomov´ a spektroskopie. Univerzita Pardubice. 1997. [10] Ivković, M., Jovoćević, S., Konjević, N. Low electron density diagnostics: development of optical emission spectroscopic techniques and some applications to microwave induced plasmas Spectrochimica acta. 2004. Part B, 59, 591-605. [11] Kasabov G. A., Eliseev V. V., Spektroskopiceskije tablicy dlja nizkotemperaturnoj plazmy. Spravocnik. Moskva. Atomizdat 1973. [12] Smékal, P. Studium sterilizace pomoc´ı plazmatu. Diplomová práce. Masarykova Univerzita, Brno. 2008. [13] Kadlecov´ a, J. Studium u ´ˇcink˚ u plazmové tuˇzky a jej´ıho pouˇzit´ı jako chirurgického n´ astroje. Diplomov´ a pr´ ace. Masarykova Univerzita, Brno. 2007.

LITERATURA

58

[14] Zhang H, Cloud A. The permeability characteristics of silicone rubber. SAMPE Fall Technical Conference; Coatings, and Sealants Section (2006) November 6–9, 2006, Dallas, TX. ISBN 978-0-938994-72-5. [15] Navr´ atil, Z. Spectrum Analyzer Homepage.[On-Line]. http://www.physics.muni.cz/∼zdenek/span [6.5.2009].

2006.

URL

[16] Janˇca, J., Tepl´ y, J., Tesaˇr, C., Dressler, M. Combined burner with superimposed unipolar radio–frequency discharge. High Temp. Material Processes, 1, (1997) 73-81. [17] Ralchenko, Yu., Kramida, A.E., Reader, J., and NIST ASD Team (2008). NIST Atomic Spectra Database (version 3.1.5), [On-Line]. URL http://physics.nist.gov/asd3 [6.5.2009]. [18] Bittencourt, J.A. Fundamental of plasma physics. New York: Springer-Verlag. 2004 ISBN 0-387-20975-1. [19] Bogaerts, A., Gijbels, R. Collisional-radiative model for an argon glow discharge. J.Appl. Phys., Vol.84,No.1, 1 July 1998. [20] Moravej, M., Yang, X.,Barankin, M., Penelon, J., Babayan, S., Hicks, R.F. Properties of an atmospheric pressure rf argon and nitrogen plasma. Plasma Sources Sci. Technol. 15 (2006) 204–210. [21] Lymberopoulos, Dimitris P., Economou, Demetre J. Fluid simulations of glow discharges: Efect of metastable atoms in argon. J.Appl. Phys.,Vol 73, No.8, 15 April 1993.

Publikace 1. Slav´ıˇcek, Pavel - Brablec, Anton´ın - Skácelová, Dana - Kl´ıma, Miloˇs - Kapiˇcka, Vratislav. Diagnostics of Plasma Pencil by Optical Emission Spectroscopy. In 23rd ˇ Symposium on Plasma Physics and Technology. Praha : CVUT Praha, 2008. od s. 118-118, 1 s. ISBN 978-80-01-04030-0 2. Slav´ıˇcek, Pavel - Brablec, Anton´ın - Skácelová, Dana - Kl´ıma, Miloˇs - Kapiˇcka, Vratislav. Diagnostics of two configuration of plasma pencil. In HAKONE XI Contributed papers. Oleron Island, France : Universite Paul Sabatier, 2008. od s. 115-118, 4s 3. Slav´ıˇcek, Pavel - Kl´ıma, Miloˇs - Skácelová, Dana - Kedroˇ nová, Eva - Brablec, Anton´ın - Aubrecht, Vladimir. RF discharge at atmospheric pressure - diagnostics and applications. Chemické listy, 102, 16, od s. 1338-1340, 3 s. ISSN 1803-2389. 2008

Masarykova univerzita. Optická diagnostika parametrů plazmatu

Recommend Documents