Каталог :: Физика

Курсовая: Упрощённая кинетическая модель XeCl* лазера

Министерство образования Республики Беларусь

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ» Физико-технический факультет Кафедра “Лазерной физики и спектроскопии” Упрощённая кинетическая модель XeCl*- лазера Курсовая работа студента физико-технического факультета ГрГУ 4 курса Перлухина В.Н. Научный руководитель: ст. препод. кафедры лазерной физики и спектроскопии Володенков А.П.

Допущен к защите

Зав. кафедрой, доктор физ.-мат. наук, профессор ______ Ануфрик С.С.

Гродно 2004 УДК Реферат курсовой дипломной работы «Упрощённая кинетическая модель XeCl*- лазера» студента физико-технического факультета УО «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы» Перлухина Валерия Николаевича. Объем : страниц 21, рисунков 2, таблиц 1, литературных источников 7, формул 32. Ключевые слова: кинетическая модель, XeCl*-МОЛЕКУЛА, ПРЕДЫОНИЗАЦИЯ, ПРИЛИПАНИЕ, ИОНИЗАЦИЯ Объект исследования методики теоретических и экспериментальных исследований кинетики образования эксимерных XeCl-молекул. Цель настоящей работы – ознакомление с простейшими математическими моделями кинетики образования эксимерных молекул и методами теоретического и экспериментального исследования оптимальных условий возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров. В данной курсовой работе рассмотрены каналы образования эксимерных молекул, кинетика образования эксимерных XeCl молекул, её упрощённая модель, что является теоретической основой для дальнейшей научно-исследовательской деятельности. Содержание Введение 4 1. Принципы образования эксимерных молекул 5 1.1. Эксимерные молекулы 5 1.2. Эксимерные лазеры 7 2. Кинетика образования эксимерных XeCl молекул 8 2.1. Прилипание электронов в разряде 8 2.2. Автораспадные состояния двухатомных молекул. 9 2.3 Кинетика процессов, происходящих в эксимерных XeCl лазерах 14 2.4. Упрощенная модель кинетики образования XeCl молекул 18 Заключение 20 Литература 21 Введение Одним из определяющих факторов, которые оказывают влияние на работу электроразрядных эксимерных лазеров и эксиламп, является предыонизация активной среды. Она оказывает существенное влияние на устойчивость разряда, его однородность, длительность объемной стадии. Она во многом определяет пробой межэлектродного промежутка и дальнейшую кинетику образования эксимерных молекул. В настоящее время эксимерные лазеры и эксилампы широко используются в фотохимии, микроэлектронике и многих технологических процессах. Это стало возможным, благодаря успехам в изучении процессов, происходящих в активных средах и в создании практических образцов источников излучения. Эксилампы работают в более широком диапазоне давлений и напряжений, чем эксимерные лазеры. Поэтому, задача изучения кинетики образования эксимерных молекул и процессов, происходящих в разряде актуальна. В представленной ниже курсовой работе изложены принципы образования эксимерных молекул, а также работы эксимерных лазеров. 1.Принципы образования эксимерных молекул 1.1.Эксимерные молекулы Это молекулы, существующие только в возбужденном состоянии. Как известно, атомы благородных газов не образуют химических соединений. Это свойство объясняют тем, что атомы данного типа не имеют электрона на незаполненных оболочках, который мог бы составить пару электрону, принадлежащему другому атому, с противоположно направленным спином. Наличие подобной пары является одним из условий образования ковалентной химической связи, объясняющей существование стабильного химического соединения. В случае, если атом благородного газа находится в возбужденном состоянии, данное препятствие снимается, поскольку при этом имеется электрон, занимающий одну из незаполненных оболочек атома. Этот электрон может, вообще говоря, составить пару своему собрату, имеющему противоположное направление спина и принадлежащему другому атому. В результате между атомами возникает взаимодействие, соответствующее притяжению, что открывает возможность образования молекулы, одним из атомов которой является атом благородного газа. Именно такая молекула и носит название эксимерной. Эксимерная молекула, потенциальная энергия которой превышает энергию основного состояния, не может существовать бесконечно долго. Она распадается за времена порядка нескольких наносекунд, излучая световой квант. Под действием отталкивания атомы быстро разлетаются в противоположных направлениях. Несмотря на непродолжительное время жизни, эксимерная молекула имеет все признаки химического соединения. Она обладает колебательными и вращательными степенями свободы, которые характеризуются соответствующими системами энергетических состояний. Она способна вступать в химические реакции. Однако главная особенность эксимерных молекул состоит в том, что они представляют собой готовую активную среду, которая может быть использована в качестве основы для создания мощного лазера. Лазеры такого типа, получившие название эксимерных, составляют группу наиболее интенсивных газовых лазеров ультрафиолетового диапазона. 1.2.Эксимерные лазеры Эксимерные лазеры - это группа лазеров, в которых типичной активной средой является смесь инертного и галогенового газов. Термин 'Эксимер'- аббревиатура английского словосочетания exited dimers (возбуждённые димеры), что означает нестабильное, существующее только в возбуждённом электронном состоянии димеров этих газов. При переходе эксимерных молекул в основное состояние испускаются высокоэнергетичные фотоны УФ-света. При различных комбинациях инертного и галогенового газов ЭЛ могут излучать короткие (наносекундные) импульсы света на различных длинах волн УФ-области спектра: фтор - 157 нм, аргон-фтор - 193 нм, криптон-хлор - 222 нм, криптон- фтор - 248 нм, ксенон-хлор - 308 нм, ксенон-фтор - 351 нм. Длительность импульса - 10 -16 нс. Они используются для накачки лазеров на красителях (лучших источников перестраиваемого когерентного излучения видимого диапазона), травление кремневых матриц при обработке материалов высокой степени частоты, разделения изотопов. Перестраиваемое излучение эксимерных лазеров может использоваться для получения особо чистых веществ, для изучения воздействия на биохимические процессы. Но основное применение эксимерных лазеров – это возможность их использования для поиска качественно новых эффектов, не достижимых с обычными источниками света, для детального изучения нелинейных спектроскопических явлений, тонкострунных спектров сложных молекул, для исследования лазерно- индуцированных процессов. 2.Кинетика образования эксимерных XeCl* молекул 2.1.Прилипание электронов в разряде Процессы прилипания электрона к атомным системам - молекулам, кластерам, поверхностям - носят резонансный характер и протекают через образование автораспадных состояний полной системы. В связи с резонансной природой такие процессы характеризуются большими сечениями или константами скоростей и поэтому представляют интерес для различных плазменных систем. Они используются в системах электрической защиты, где небольшие примеси электроотрицательных молекул предотвращают электрический пробой. Процесс прилипания электрона используется в эксимерных лазерах для быстрой генерации атомов фтора и хлора из различных галогенсодержащих молекул. Общая концепция процесса прилипания электрона связывает его с образованием автораспадного состояния отрицательного иона в результате захвата электрона молекулой. Последующая эволюция этого автораспадного состояния может привести к разным процессам, включающим как диссоциацию данной системы с образованием отрицательного иона, так и распад этого состояния, сопровождающийся освобождением электрона и возбуждением атомной системы. Тем самым прилипание электрона связано с другими резонансными процессами упругого и неупругого рассеяния электрона молекулой, причем эти процессы протекают через образование автораспадного состояния - связанного состояния электрона и молекулы, уровень которого расположен в непрерывном спектре. 2.2. Автораспадные состояния двухатомных молекул Процесс прилипания электрона к молекуле протекает через захват электрона на автораспадный терм отрицательного иона. В этом случае электронные термы молекулы и отрицательного иона пересекаются вблизи равновесной конфигурации ядер в молекуле. Возможные варианты такого пересечения представлены на рис.1, где R - координата ядер, ответственная за процесс. Атомы галогенов имеют наибольшее сродство к электрону среди атомов, так что процессы прилипания электронов к молекулам, содержащим атомы галогенов, наиболее эффективны. Наряду с этим такие процессы характеризуются низкими порогами и поэтому представляют интерес для приложений. Начнем анализ с процесса: e + HCl → (HCl-)** → H + Cl- (1) Данный процесс был исследован экспериментально. Статистическая обработка полученных данных дала для порога процесса (1) 0,65 ± 0,04 эВ, и максимум сечения соответствующий энергии электрона 0,78 ± 0,08 эВ. Энергия сродства атома хлора к электрону составляет 3,62 эВ и энергия диссоциации молекулы НС1 равна 4,31 эВ, что соответствует порогу данного процесса для невозбужденной молекулы 0,69 эВ согласно приведенным выше данным. Энергия возбуждения 0,69 эВ отвечает расстоянию между ядрами 1,6 А для молекулы НС1. Эта величина может быть использована в качестве оценки для расстояния Rc пересечения термов, ответственных за процесс (1). По рис.1,а можно проследить поведение электронных термов для процесса (1), причем при больших расстояниях между ядрами автораспадные термы соответствуют системам Н + С1- и Н- + С1. В первом случае терм характеризуется симметрией 2Σ+, во втором случае имеется два терма симметрии 2Σ- и 2П. Очевидно, только электронные термы 2Σ существенны для этого процесса, поскольку основное состояние молекулы Σ, и только эти автораспадные состояния образуются при захвате s-электрона. В результате взаимодействия автораспадных термов 2Σ в верхнем из них имеет место сильное отталкивание, тогда как в нижнем происходит слабое отталкивание или притяжение при расстояниях, отвечающих захвату электрона. Далее, колебательная энергия молекулы НС1 равна 0,37 эВ, поэтому только два возбужденных колебательных состояния могут эффективно участвовать в процессе прилипания электрона (1) и разные сечения захвата отвечают молекулам в разных колебательных состояниях. Это делает сложной зависимость сечения прилипания электрона от его энергии. Дополнительная информация о поведении электронных термов автораспадных состояний (НС1-)** следует из анализа колебательного возбуждения молекулы НС1 электронным ударом. Сечение этого процесса имеет острый максимум вблизи порога процесса (1), который по порядку величины равен 10-15 см2, и второй широкий максимум наблюдается при энергии электрона около 2,5 эВ. Положения нижних электронных термов молекул и ионов Рис.1. а, 1.б. Положение термов молекулы HCl и иона HCl- – а. Положение термов молекулы Cl2 и иона Cl-2 – б. Такой характер колебательного возбуждения молекулы подтверждает существование двух автораспадных термов (НС1-)**, которые имеют симметрию 2Σ. Константа скорости для детально противоположного процесса по отношению к (1) Н- + С1 → е + НС1 (2) равна 9,6∙10-10 см3/с при комнатной температуре. По порядку величины это совпадает с константой скорости поляризационного захвата отрицательного иона водорода атомом хлора, которая равна 2∙10-9 см3 с-1. Этот процесс ведет главным образом к заселению колебательного состояния v = 2 образуемой молекулы НС1. Таким образом, из разных данных следует, что пересечение электронных термов для основного электронного состояния молекулы НС1 и нижнего автораспадного состояния (НС1 -)** происходит вблизи точки поворота для второго колебательного состояния молекулы НС1, что влияет на характер процесса (1). Процесс прилипания электронов к двухатомным молекулам галогенов типа X2 е + Х2 → (Х-2)** → Х- + Х (3) энергетически выгоден при нулевой температуре. Но возможность этого процесса зависит от положения автораспадных термов. На рис.1.б приведены нижние электронные термы автораспадных состояний для Сl-2 вместе с электронным термом основного состояния С12. Основное состояние отрицательного молекулярного иона Сl-2 при больших расстояниях между ядрами отвечает состоянию С1(2Р) + C1-( 1S), так что имеется четыре нижних электронных терма отрицательного молекулярного иона Сl-2 с симметрией 2Σ +u, 2Пg, 2Пu, 2Σ+g, перечисленные в порядке возрастания их энергии. Электронный терм 2Σ+u отвечает стабильному состоянию отрицательного молекулярного иона. Можно связать положения этих термов с положениями резонансов в сечении прилипания электрона к молекуле галогена, как это сделано в табл. 1. Табл.1. Положения резонансов (Эв) для термов автораспадных состояний
Терм

F2

Cl2

Br2

I2

2Σ+u

0.09---

2Пg

40.030.070.05

2Пu

72.51.40.9

2Σ+g

105.53.72.5
Как видно, за исключением молекулы фтора, основной терм молекулярного иона не пересекается с термом основного состояния молекулы. Из данных представленных в табл.1 следует, что сечение захвата электрона молекулами Сl2, Вг2 и I2 должно быть меньше, чем в случае молекулы F2. Это противоречит некоторым экспериментам, так что поведение термов в соответствии с данными табл. 8 требует дополнительной проверки. В заключении отметим, что концепция прилипания электронов к молекулам через образование автораспадных состояний существует несколько десятилетий и является основой для понимания этих процессов. Экспериментальные исследования привели к более глубокому представлению об этих процессах и позволили проанализировать процессы прилипания электрона не только к газовым молекулам, но и к другим атомным системам, включающим комплексы, кластеры и пленки. Поэтому современные знания о процессах прилипания электрона могут быть полезны для анализа различных явлений на границе плазмы и поверхности, а также на поверхности частицы, находящейся в плазме. 2.3. Кинетика процессов, происходящих в эксимерных XeCl лазерах Исследование кинетики реакций в газах на галогенидах инертных газов довольно сложно. В кинетических процессах участвует много частиц: атомы и молекулы в основном и возбужденном состоянии, несколько сортов ионов, а также большое число возбужденных атомов и молекул. В работе [7] приводится более 50 реакций между возбужденными молекулами, атомами и ионами, а так же излучением, которые необходимо учитывать при рассмотрении кинетики процессов, происходящих в ХеСl-лазере в результате электрического возбуждения смеси. С целью упрощения рассмотрения кинетики реакций происходящих в эсимерных лазерах, разделим все реакции, происходящие в плазме на 8 групп, рассмотрим лишь наиболее важные из них. При этом некоторые реакции могут принадлежать не только одной группе, а двум и более. Первыe три группы составляют: 1. Первичные реакции с электронами, например: e + He ® He+ +e +e (4) e + Xe ® Xe* + e (5) e + HCl ® HCl(v) +e (6) 2. Реакции между частицами буферного газа, например He* + He + He ® He2 * + He (7)

He+ + 2He ® He2+ + He (8)

Ne* + Ne + Ne ® Ne2* + Ne (9) 3.Реакции с HCl, например: e + HCl ® HCl(v) +e (10) e + HCl ® H + Cl- (11) e + HCl ® HCl+ +2e (12) 4. Реакции с потерями электронов и положительно заряженных ионов: а) диссоциативная рекомбинация:

HeXe+ +e ® Xe* + He (13)

б) тройная рекомбинация, например:

He2+ + e + He ® He* + 2He (14)

в) прилипание электрона к нейтральным частицам, например: e + HCl ® H + Cl- (15) Cl +e + Ne ® Cl- +e + Ne (16) отрицательный и положительный ионы могут рекомбинировать как бинарно (перезарядка): Cl- + Xe+ ® Xe* + Cl (17) так и в тройных соударениях:

Xe+ + Cl- + Ne ® XeCl* + Ne (18)

Реакции (15) и (16) протекают достаточно быстро. Следует заметить необычайную зависимость скорости этих реакций от давления. При давлении ниже одной атмосферы константа скорости этих реакций имеет достаточно большое значение. Реакция типа (16) вносит существенный вклад в образование возбужденных молекул галогенидов инертных газов. Это предположение основано на высоких КПД лазеров, наблюдаемых на молекулах ХеСl. Теоретическим обоснаванием эффективности такого процесса является то, что кривая кулоновской потенциальной энергии вдоль которой происходит движение ионов, пересекает большую часть ковалентных кривых на довольно больших межьядерных расстояниях. Это затрудняет переход электрона от отрицательного к положительному иону, препятствуя образованию ковалентной связи. 5. Реакции, в результате которых образуются молекулы ХеСl* . Помимо рекции (17) наиболее важными являются реакции: Xe* + HCl(v) ® XeCl* + H (19) NeXe* + Cl- ® XeCl* + Nе (20) Реакциия (16) наиболее существенна, и основной канал образования ХеСl* проходит именно через нее. Данная реакция аналогична взаимодействию между ионом щелочного металла и ионом галогена. Реакция (18) протекает только в присутсвии неона либо при использование его как буферного газа. Посредством данной реакции образуется 30% молекул ХеСl* и неудивительно, что замена гелия на неон вкачестве буферного газа повышает энергию в импульсе реальных устройств почти вдвое. 6. Реакции, обуславливающие процессы тушения, протекающие в плазме. К ним, например, относятся реакции:

XeCl* + He ® Xe + He + Cl (21)

XeCl* + Xe ® 2Xe + Cl (22) XeCl* + HCl(v) ® Xe + HCl + Cl (23) Наиболее важной, по крайней мере, при низком давлении, является прямое тушение в столкновениях с галогеносодержащими молекулами (21). Константа скорости такой реакции достаточно высока, т. е. тушение происходит при каждом столкновении. Для типичной газовой смеси время тушения 10 нс. Столь быстрое тушение электронно-возбужденных молекул наблюдается давольно часто и связано с передачей энергии тушащей молекуле. 7.Реакции с излучением. Вот некоторые из них: XeCl* + hn ® Xe + 2hn (24)

Cl- + hn ® Cl +e (25)

He* + hn ® He+ + e (26) HeXe + hn ® Xe+ + He (27) 8.Реакции с примесями, например: HCl + O2 ® 4ClO2 + 2H2O (28)

Xe* + O2 ® XeO (29)

Xe* + H2O ® XeO + H2 (30) Они обусловлены тем, что несмотря на строгие требования к чистоте газов, газовая смесь может содержать до 1% О2,N2 H2,CO2 ,H2O. Вода является главной вредной примесью в газовых смесях эксимерных лазеров. Из одной молекулы фтора получается 4 молекулы агрессивного фтороводорода: F2 + 2H2O ® 4HF + O2 (31) Кроме вышеприведенных реакций в плазме протекает еще значительное количество побочных, которые в основном уводят энергию из основного канала. Все полезные возбужденные состояния достаточно короткоживущие, дополнительно тушатся при взаимных столкновениях и столкновениях с другими образованиями в плазме. Тем не менее, можно считать, что основные реакции, приводящие к образованию возбужденных галогенидов инертных газов, протекают достаточно быстро и эффективно. Учитывая все эти процессы, а так же потери в схеме возбуждения, можно оценить, что в реальных устройствах в образованиe молекул ХеСl, в лучшем случае вкладывается только 8-10% энергии, запасенной первоначально в накопительных емкостях. 2.3.Упрощенная модель кинетики образования XeCl молекул Для теоретического исследования кинетики образования эксимерных XeCl* молекул нами была использована упрощенная модель, блок-схема которой представлена на рис.2. Рис.2. Блок-схема упрощенной модели кинетики образования XeCl*-молекул. Эта модель включает следующую совокупность плазмохимических реакций: Xe + e → Xe+ + e + e; (ki) Xe + e → Xe* + e; (k*) Xe* + e → Xe+ + e + e; (ks) Xe* + e → Xe + e; (k2) (32) HCl(v) + e → Cl- + H; (k0a, k1a, k2a) Xe+ + e → Xe; (γ) Xe+ + Cl- + M → XeCl* + M; (βобр) XeCl* + N → Xe + Cl + N; (τт) XeCl* → Xe + Cl + hν; (τсп) В круглых скобках возле каждой реакции указано обозначение ее скоростного коэффициента, а последних двух реакциях - постоянные времени. Заключение Выполняя свою курсовую работу, которая посвящена теоретическому исследованию упрощенной кинетической модели XeCl*-лазера, используя научные статьи преподавателей кафедры лазерной физики и спектроскопии, а также другие источники, изучил процессы образования эксимерных молекул. Рассмотрел кинетику образования XeCl* молекул, происходящих в эксимерных лазерах . Изучил упрощенную кинетическую модель XeCl*-лазера, что является теоретической основой для дальнейшей научно-исследовательской деятельности. Литература 1. Елецкий А.В. Эксимерные лазеры // УФН. – 1978. – Т.125. – Вып.2. – С.279–314 2. Звелто О. Принципы лазеров. Издание 3. М.:МИР. 1990.- 373с. 3. Карчмарек Ф. Введение в физику лазеров. М.:Мир,1981.-540с. 4. Верховский В.С., Мельченко С.В., Тарасенко В.Ф. Генерация на молекулах XeCl при возбуждении быстрым разрядом // Квант. электрон. – 1981. – Т.8, №2. – С.417–419. 5. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Володенков А.П., Исследование энергети­ческих и временных характеристик генерации XeCl-лазера // Программа и тезисы докладов XIV Литовско-Белорусского семинара.– Прейла: Литва.–1999.–с.16. 6. Ануфрик С.С.,. Зноско, К.Ф. Володенков А.П. Влияние системы предыонизации на энергию генерации XeCl-лазера.// Оптический журнал. 2000, т. 67, № 11, с. 38-45. 7. Вилл А.А. Принципы и технология эксимерных лазеров // Труды института физики АН Эстонской ССР. Т56, 38, 1984.