Na2高位振動態與Ar, N2碰撞中模溫度的變化

劉 靜, 封 麗, 戴 康, 沈異凡

(新疆大學物理科學與技術學院, 烏魯木齊 830046)

Na2高位振動態與Ar, N2碰撞中模溫度的變化

劉 靜, 封 麗, 戴 康, 沈異凡

(新疆大學物理科學與技術學院, 烏魯木齊 830046)

平衡過程; 模溫度; 受激發射泵浦; Na2高位振動態; 激光誘導熒光

1 引 言

含有高振動態分子的氣體集合體中的碰撞能量轉移過程在理論研究和實際應用中有很大意義. 例如, 在大氣中, 由于太陽輻射、高能粒子碰撞和化學反應會產生高振動態分子, 它們對空氣質量(如O3, N2O的形成等)有很大的影響. 在這一領域, 仍存在著很多問題. 例如, 處于非Boltzmann分布的激發態分子等離子體至今沒有充分表征;含有大量原子、離子、分子激發態的激光系統怎樣實現商業化利用等. 這些問題引起了國內外工作者的很大興趣, 成為原子分子碰撞領域的熱點課題.

利用受激發射泵浦[1,2]、泛頻泵浦[3,4]、脈沖激光光分解[5,6]等方法激發基態分子至高位振動態, 通過時間分辨激光感應熒光(LIF)激發譜測量各振轉能級的相對布居分布, 可以用振動溫度(Tvib)和轉動溫度(Trot)來表征. 例如, 在堿原子和H2反應中, 利用Tvib、Trot來描述氫化堿分子振動、轉動能級的原生態布居, 由此可判斷是直線式或插入式碰撞機制[7]. 在C8H10高位振動態與CO2碰撞中, CO2(0000)高位轉動J態的原生態分布可用Trot表征[8].

在含有分子振動激發態的系統中, 平衡過程是一個復雜的多次碰撞的能量轉移過程. McCaffery等[9-11]利用角動量理論計算了雙原子分子振轉激發態與氣體分子多次碰撞中的量子態演化過程, 得到結論:振動-振動能量轉移很快, 而轉動-轉動轉移慢得多;高振動態模溫度的變化是分階段的. 在本實驗中, 利用受激發射泵浦得到Na2基電子態的高位振動態v″, 通過碰撞弛豫使低于v″的各振動能級獲得布居. 利用時間分辨LIF光強得到各振動能級的相對布居分布, 由此給出Boltzmann振動溫度Tvib的變化情況;測量高位振動態上各轉動能級的時間分辨LIF強度, 得到轉動溫度Trot隨時間的變化; 通過測量瞬時高位振轉能級的Doppler增寬, 得到平動溫度Ttrans. 本實驗得到的結論與角動量理論得到的預言是一致的.

2 實驗方法

實驗裝置見圖1. 樣品池為5臂交叉熱管爐, 4臂形成平面交叉, 第5臂與它們垂直, 其底部放置堿金屬Na, 樣品池與真空及氣體充入系統連接. 在充入Ar和N2前將樣品池烘烤去氣, 真空度達到10-4Pa后分別充入約103Pa的N2或104Pa的Ar. 用電熱器加熱樣品池, 池溫由熱電偶測量, 池中心溫度約為553 K, 此時Na原子密度為1014cm-3量級, 其中Na2分子約占1～4%.

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup H.P.O: Heat-pipe oven; M: monochromator; DM: dichroic mirror; L: lens

圖2 受激發射泵浦和探測能級圖Fig.2 Energy diagram for Pump-Dump and Probe scheme

另外, 由于存在分子的擴散, 調節激光束, 使三激光束同軸. 并使Dump束直徑大于Pump束1倍, Probe束又大于Dump束1倍, 以保證檢測到擴散分子的振動態布居分布.

圖3為792.7 nm激光將X(33, 11)激發到A(21, 10)后, 由v′=21分別發射到v″=0-4的LIF光譜, 證實了X(33, 11)確實被受激發射泵浦激發.

圖3 Na2 A(v′=21, J′=10)←X (v″=33, J″=11)激光感應熒光光譜(部分)Fig.3 Portion of LIF spectrum of Na2 in the A(v′=21, J′=10)←X (v″=33, J″=11) transition

3 實驗結果與討論

It(v″,J″)=ASJ′,J″Fv′,v″nt(v″,J″)Iprobe

(1)

這里I(v″,J″)和n(v″,J″)分別是LIF強度和(v″,J″)態的布居數密度, 它們都是時間t的函數.SJ′,J″和Fv′,v″分別是H?nl-London和Franck-Condon因子, LIF強度也與檢測激光強度Iprobe成比例.但要求probe激光未達到飽和功率. 常數A包含其他一些因子, 如激發效率、熒光收集立體角和探測率等. 用vp,Jp表示由受激發射泵浦準備的高位振動態,v″表示碰撞轉移得到的振動態.ft(v″,Jp)表示粒子數之比隨時間的變化

(2)

(3)

這里,v′是A態振動能級, 觀察的是vp→v′和v″→v′的LIF光強.

利用

(4)

得到Boltzmann振動溫度Tvib. 上式中kTvib單位為cm-1. 由圖5的斜率得到Tvib(tD=10 μs)=4500 K.

圖4 泵浦v″=33后延遲10μs時v″=30-33能級的布居比Fig.4 Vibrational state fractional populations of Na2(v″) after preparation of v″=33 (tD=10 μs)

激發Na2(v″=33,J″=11)高位態, 檢測激光探測(v″=33,J″=10,9,8,7…)轉動態的時間分辨LIF光強. 設tD=0時,J″=11的布居為1, 得到各轉動態布居相對密度βJ″(tD), 有下式:

(5)

上式中B為Na2的轉動常數. 從圖6中直線的斜率得到轉動溫度Trot=600 K. 取不同延遲時間tD, 得到Trot隨延遲時間的變化.

(6)

上式中m為Na2質量,ν0為躍遷線頻率.

圖6 B-1ln[βJ″/(2 J″+1)]對J″(J″+1)的描繪Fig. 6 Plot of B-1ln[βJ″/(2 J″+1)] as a function of J″(J″+1) (tD=10 μs)

圖,11)的瞬時Doppler增寬線型Fig.7 ,11)

圖與Ar碰撞中模溫度隨延遲時間的變化Fig.

最初Tvib下降很慢, 因為Na2(v″=33)-Ar之間是通過振動-轉動轉移使Na2(v″=32)得到布居的. 這種轉移是很慢的, 其原因在文獻[12]中詳細分析過. 在第二階段, 平動能和轉動能明顯增加, 特別是碰撞粒子相對速度的增加, 可以打開V-R轉移通道, 使Tvib很快下降[10].

圖與N2碰撞中模溫度隨延遲時間的變化Fig.

可以看出, 在平衡過程中,Tvib變化明顯分為三個階段:第一階段Tvib迅速下降;第二階段降速減小;第三階段的變化最慢. 而Trot和Ttran在第一階段基本不變, 第二階段緩慢增加, 第三階段增速加快, 最后達到平衡.

最初Tvib迅速下降, 這是由于雙原子分子間的多量子弛豫和V-V能量轉移造成的. 例如, 可能存在如下快速多量子過程

Na2(v″=33)+N2(0)→Na2(v″=13)+N2(1)

(7)

從而使Tvib迅速下降. 在第二階段,V-V轉移過程基本結束,V-R能量轉移和向平動能的轉移開始, 平動能和轉動能增加, 振動能下降. 第三階段, 振動能繼續下降, 平動能和轉動能明顯增加,V-R轉移加快了.

實驗結果表明, 高位振動態分子與基態分子的碰撞傳能過程是一個復雜的多階段過程, 單一的弛豫率會失去平衡過程的關鍵特點.

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Mode temperature evolution in collisions of highly rovibrationally excited Na2with Ar and N2

LIU Jing, FENG Li, DAI Kang, SHEN Yi-Fan

(School of Physics Science and Technology, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

Equilibrium process; Mode temperature; Stimulated emission pumping; Highly vibrationally state of Na2; Laser induced fluorescence

國家自然科學基金 (11164028)

劉靜(1977—),女, 博士, 副教授, 主要研究領域為原子分子碰撞.E-mail: xdlj@xju.edu.cn

沈異凡.E-mail: shenyifan01@sina.com

103969/j.issn.1000-0364.2015.08.014

O561.5

A

1000-0364(2015)08-0611-05

投稿日期:2014-07-02