Диссоциация молекул СО2 в разряде.

Проблема распада (диссоциации) молекул СО₂ является достаточно серьезной, так как в условиях замкнутой прокачки такое явление ведет к снижению со временем выходной мощности лазера. Ни молекула СО₂, ни молекула N₂ не диссоциируют термическим путем. Температура газа в разряде составляет доли эВ, в то время как энергия разрыва химической связи одного атома кислорода молекулы СО₂ составляет 5,47 эВ, а энергия разрыва двух атомов кислорода, то есть полного распада молекулы СО₂, составляет 9,75 эВ. Диссоциация молекул в тлеющем разряде происходит либо в результате прямого удара достаточно быстрого электрона

СО₂ + е ® СО + О + е (2.62)

либо в результате диссоциативной рекомбинации:

СО₂⁺ + е ® СО^* + О (2.63)

Преобладает в разряде процесс (2.62), так как скорость его протекания пропорциональна произведению n_e×n_а, в то время как скорость диссоциативной рекомбинации пропорциональна лишь n_е².

Обратные процессы, ведущие к восстановлению молекул СО₂ в разряде, могут протекать либо в объеме, при тройных столкновениях с молекулами газа Х:

О + СО + Х ® СО₂ + Х + 5,47 эВ (2.64)

либо на стенках камеры при условии, что они поглощают образующийся в разряде кислород

2 СО + О₂ ® 2СО₂ + 5,82 эВ (2.65)

В стационарном состоянии устанавливается динамическое равновесие:

2СО₂ «2СО + О₂ (2.66)

и относительное содержание СО₂, СО и О₂ в разряде определяется особенностями разрядной трубки (камеры). Например, в зависимости от типа используемого катода или от материала стенок реакция (2.66) может сдвигаться как вправо, так и влево. Восстановлению молекул СО₂ способствует добавка в активную среду небольшого количества водорода. Разложение молекул СО₂ активируется ростом температуры и увеличением силы разрядного тока.

От степени диссоциации исходного количества молекул СО₂ зависит инверсная населенность, а с ней и генерируемая лазером мощность. Экспериментальная зависимость Dn от степени диссоциации при протекании разряда в смеси CО₂ : N₂: He = 1:3:6 при общем давлении 7 Тор и при температуре 400 К представлена в качестве примера на рис. 2.19. При степени диссоциации до 20% наблюдается некоторый подъем инверсной населенности. Он вызван тем, что в небольшом количестве молекулы СО передают свою энергию возбуждения молекулам СО₂, резонансно заселяя верхний лазерный уровень 00^о1, как это делает молекула азота. Затем начинает сказываться убыль молекул СО₂ и, соответственно, падение инверсной населенности. Примерно такой же характер имеет зависимость Dn от времени пребывания смеси в разряде при осуществлении протока газа. Чем интенсивнее протекает диссоциация молекул СО₂, тем быстрее следует прокачивать рабочую смесь через зону разряда, чтобы не допустить снижения выходной мощности лазера.

Дата добавления: 2015-10-16