Influence of metallic atoms on nitrogen post-discharge

Cílem diplomové práce je studium vlivu atomů kovů na dohasínající dusíkové plazma. Dohasínající plazma čistého dusíku je předmětem studií řady prací zabývajících se kinetikou procesů v plazmatu. Ovšem existuje jen velmi málo publikovaných děl, které by objasňovaly kinetiku dohasínajícího dusíkového plazmatu s příměsemi. Tato diplomová práce se proto zabývá problematikou dohasínajícího dusíkového plazmatu s příměsí par rtuti. Veškerá experimentální data byla získána pomocí optické emisní spektroskopie s využitím stejnosměrného výboje v proudícím režimu, čímž lze dosáhnout dobrého časového rozlišení v řádech milisekund. Měření bylo provedeno v rozsahu vlnových délek 320-780 nm a ve spektrech byly identifikovány tyto spektrální systémy: • 1. pozitivní systém dusíku: N2(B) -> N2(A), • 2. pozitivní systém dusíku: N2(C) -> N2(B), • 1. negativní systém dusíku: N2+(C) -> N2+(X), • NO-beta systém: NO(B) -> NO(X). Kromě těchto spektrálních systémů jsme zaznamenali spektrální čáru rtuti na vlnové délce 254 nm (ve spektru prvního i druhého řádu), další rtuťové čáry pozorovány nebyly. Pára rtuti byla do systému zaváděna do vybraných míst časů dohasínání. Byly sestrojeny grafy závislostí intenzit vybraných molekulových systémů dusíku a intenzit spektrálních čar rtuti na čase dohasínání při různých experimentálních podmínkách (tlaku, výkonu výboje, teploty stěny výbojové trubice, čase dohasínání v místě vpouštění páry rtuti do výboje). Data, která byla získána při měření čistého dusíkového plazmatu, byla použita jako reference. Získané výsledky ukázaly, že přítomnost atomů rtuti má podstatný vliv na kinetické procesy probíhající v plazmatu. Zavedeme-li rtuť do dohasínání, je čára rtuti pozorována v okolí místa, kde rtuťové páry vstupují do výboje. Experimentální data ukazují, že intenzita rtuťové čáry je přímo úměrná koncentraci atomů rtuti a můžeme pozorovat saturaci. Energiový diagram hladin rtuti ukazuje, že pozorovaná čára rtuti může být excitována při srážkách s dusíkovými molekulami v základním elektronovém stavu (vibrační hladina 18). Z tohoto důvodu může být rtuť použita pro sledování populace na této vibrační úrovni. Nakonec byl během dohasínání na této hladině získán profil populace dusíkového mestabilního stavu. Prezentovaná práce ukazuje, že atomy rtuti mohou být použity pro sledování jednoho dusíkového metastabilního stavu. Bohužel, současné údaje nejsou dostatečné pro měření absolutních koncentrací uvedeného metastabilu. Také komplexní pochopení kinetiky dusíkového dohasínání je stále otevřeným problémem. Přestože předložená práce přináší dobrý základ pro výzkum, měly by být v budoucnu provedeny další teoretické i experimentální studie.The aim of this master thesis is to study the influence of metallic atoms on nitrogen post-discharge. Pure nitrogen post-discharge is a subject study of many works dealing with kinetic processes in plasma. Unfortunately, there are only a few published works that present influence of various traces on nitrogen post-discharge kinetics. This master thesis deals with problems of nitrogen post-discharge containing mercury traces. All experimental data were obtained using optical emission spectroscopy of a DC discharge in a flowing mode, which can achieve appropriate temporal resolution in the order of milliseconds. Spectra emitted during the post-discharge were recorded in the range of 320-780 nm and the following molecular spectral systems were identified: • 1. positive system of nitrogen: N2(B) -> N2(A), • 2. positive system of nitrogen: N2(C) -> N2(B), • 1. negative system of nitrogen: N2+(C) -> N2+(X), • NO-beta system: NO(B) -> NO(X). Besides them we were able to record the mercury line at 254 nm, only (in the spectrum of the first as well as in the second order); no other mercury lines were observed. The mercury vapor was introduced into the system at selected post-discharge time. Dependence of selected molecular band head intensities as well as mercury line intensity on experimental conditions (pressure, discharge power, wall temperature, time of mercury vapor introduction) were observed in time evaluation. The data obtained in pure nitrogen were used as a reference. The obtained results showed very high sensitivity of kinetic processes on mercury atoms presence. If mercury was introduced into the post-discharge the mercury line was observable around the site where mercury vapor was introduced into the discharge. The experimental data showed that mercury line intensity was directly proportional to the mercury atoms concentration and saturation effect could be observed. The energy level diagram demonstrates that the observed mercury line can be excited by collisions with nitrogen ground state molecule excited to vibrational level 18. Thus the mercury can be used for the monitoring of population at this vibrational level. Finally we obtained the population profile at this nitrogen metastable level during the post-discharge. The presented work demonstrates possibility of mercury atoms application for the monitoring of one nitrogen metastable state. Unfortunately, the contemporary data are not sufficient for the measurement of metastable absolute concentration. However, complex understanding of nitrogen post-discharge kinetics is still an open problem. Therefore a lot of future work should be done although the presented work brings a good fundament for such research.