Введение. Оптическая эмиссионная спектроскопия низкотемпературной плазмы

Оптическая эмиссионная спектроскопия низкотемпературной плазмы

В основе оптической эмиссионной спектроскопии лежит явление излучения фотонов возбужденными частицами в процессе их релаксации.

Атомы и молекулы состоят атомных ядер, а также электронов, заселяющих глубокие (всегда локализованы у своих ядер) и валентные уровни. Последние характеризуют энергетическое состояние частиц, которое может быть стабильным (заполнены электронами уровни основного состояния частиц) и метастабильным (или возбуждённым, уровни как правило свободные). При возмущении системы (за счет оптического, электромагнитного излучения и др.) валентные электроны атомов и молекул способны перейти с основного на более высокие уровни (см. рис. 1). Частицы с такой электронной структурой называются возбуждёнными или метастабильными и могут существовать малое время (в среднем 10^-8 секунды).

Рис. 1. Возбуждение (сплошная стрелка) и релаксация (пунктирная стрелка) атома

Процесс релаксации сопровождается электронными переходами на нижележащие уровни, избыток энергии системы (соответствующий разнице энергий уровней перехода) может исчезнуть при испускании фотона. Интенсивность излучения при переходе i→j связывает концентрацию частиц в соответствующем метастабильном состоянии n_i, вероятность соответствующего перехода p и энергию испущенного при таком переходе фотона hn:

(1)

Поэтому по интенсивности излучения перехода i→j можно судить об относительном изменении концентрации определенного сорта возбужденных частиц (с заселённым уровнем j).

Эмиссионный спектр – это частотная зависимость интенсивности излучения среды. Каждый атом или молекула имеет уникальный спектр, так как имеет индивидуальное электронное строение (прежде всего комбинацию уровней возбужденного состояния и излучательных переходов между ними). Поэтому спектр веществ называют характеристическим, и он позволяет осуществлять надежный качественный анализ. Однако, при использовании метода для количественного анализа газовых смесей следует учесть, что он дает информацию не о содержании того или иного газа в системе, а о характере заселённости энергетических уровней возбужденных атомов и молекул (1).

Спектры бывают сплошными, линейчатыми и полосатыми. Сплошные спектры получаются в результате свечения твердых тел (например, раскаленная металлическая нить в лампе накаливания). Линейчатые и полосатые спектры характерны для свечения газов или паров малой плотности. Линейчатые спектры испускаются возбужденными атомами, они связаны с их «электронными переходами». Молекулярные спектры полосчатые, так как каждый электронный уровень молекулы имеет множество подуровней (с колебательными и вращательными квантовыми числами). При возбуждении молекулярных газов нередко происходит частичная диссоциация, и наблюдается одновременно и линейчатый, и полосчатый спектры. В ряде случаев количество и плотность расположения линий в спектре настолько велика, что в спектре наблюдаются протяженные континуумы.

В данной лабораторной работе предлагается исследовать низкотемпературную плазму методом ОЭС. Низкотемпературная плазма (НТП) широко используется в технологии и как инструмент для исследования материи, например, в источниках света, плазмохимических и ионно-плазменных установках, электронных лампах, аналитических приборах и т.д. Области существования и диапазоны параметров плазмы в природе и устройствах необычайно широки. Они ограничиваются лишь определением самого понятия НТП как среды, содержащей не полностью ионизованную газовую фазу при электрической нейтральности объекта в целом [1].

Описание НТП – непростая задача на сегодняшний день. Важное, если не центральное, место в группе диагностических методов занимает ОЭС. Однако, с помощью ОЭС трудно судить об абсолютном значении количества тех или иных частиц в плазме. По таким спектрам мы можем с достаточной степенью уверенности характеризовать лишь её качественный состав. НТП является неравновесной. Следовательно, нет прямой зависимости между парциальными давлениями исходных газов и количеством ионизированных частиц в плазме. Поэтому становится затруднённой задача количественного описания её состава. По спектрам мы можем лишь фиксировать относительное изменение доли тех или иных частиц в метастабильных состояниях в плазмах с разным парциальным давлением исходных газов, не изменяя другие параметры.

В предлагаемой лабораторной работе могут решаться качественные и количественные задачи для НТП самых различных назначений. Конкретное задание студенты получают непосредственно перед выполнением работы. В зависимости от этого при обработке и интерпретации результатов от студента потребуется различная теоретическая работа.