4.3. Реализация в экспериментах

4.3.1. Бинарные смеси; газовые потоки, содержащие азот

Самое первое экспериментальное подтверждение существования V — V-накачки было получено при сверхзвуковом газодинамическом расширении смесей, содержащих молекулы N2 и СО, каждая из которых характеризуется особенно большими временами V — Т-релаксации. Результаты теоретического рассмотрения следствий соотношения (25) относительно легко проверить экспериментально, что и было сделано в работах [125, 130] для расширяющихся смесей В этих экспериментах газовые смеси подвергались быстрому расширению из начального равновесного состояния при температуре 2500 К, которое образуется в ударной трубе. В процессе такого расширения локальная поступательная температура быстро падает, вследствие чего V — Т-процессы становятся несущественными. Локальную поступательную температуру Т и колебательную температуру ИК-активной молекулы СО [см. соотношение (25)] нетрудно измерить. Обнаружено, что с уменьшением температуры газа температура возрастает, что полностью согласуется с соотношением (25). Более того, измерения показали, что может даже стать больше начальной равновесной температуры перед расширением.

Однако в этих ранних работах не проводилось прямых измерений колебательной температуры азота [, в соотношении (25)]. Джамшиди и Куммлер [48] для проверки соотношения (25)

выполнили эксперимент с помощью электроразрядной проточной системы и измерили в смеси колебательные температуры обеих молекул. В этих экспериментах поток азота при давлении 3 мм рт. ст. продувался через кварцевую трубку диаметром 1 см. При этом он колебательно возбуждался СВЧ-разрядом до колебательной температуры В поток после разрядной области подмешивалась окись углерода, вследствие чего в системе устанавливалось колебательно-колебательное равновесие.

Рис. 5. Экспериментальные данные по колебательным температурам молекул СО и N2 в смеси при V — V-накачке [48].

Колебательная температура молекулы СО измерялась путем наблюдения за ИК излучением на переходах первого обертона в области 2,3-2,7 мкм. Колебательная температура азота N2 измерялась более косвенным методом, а именно с использованием флуоресценции, индуцируемой электронным пучком, что представляет теперь стандартный метод измерения населенностей колебательных состояний в потоках частиц, не являющихся активными излучателями в ИК области. Поступательная температура газа, вычисленная на основе закона сохранения энергии, оказалась мало отличающейся от комнатной во всем исследуемом интервале. На рис. 5 показаны результаты этих измерений, в которых давление газа СО изменялось в диапазоне мм рт. ст., а давление газа N2 было постоянным

и равным 3 мм рт. ст. Данные эксперименты почти полностью согласуются с результатами расчета с помощью соотношения (25), представленными на рисунке сплошными линиями.

В других экспериментах измерялись населенности нескольких колебательных состояний азота в потоках в условиях V — V-накачки. Шауб и др. [112] провели прямые измерения колебательных населенностей N2 вплоть до уровня с использованием метода в потоке азота, возбуждаемого тлеющим разрядом. Кэмпбелл и Мюнц [24] выполнили аналогичные измерения при сверхзвуковом расширении азота с использованием метода флуореспеншш, индуцируемой электронным пучком (измерения проводились для первых шести колебательных состояний молекулы Полученные в этих работах распределения аналогичны распределениям, которые были предсказаны в расчетных работах [23, 17], и непосредственно подтверждают возможность использования V — V-обмена для накачки газа, состоящего из двухатомных ангармонических осцилляторов.

Было также выполнено большое число работ по измерениям функции распределения населенностей колебательных уровней в потоках молекул СО. В отличие от N2 молекула СО активно излучает в ИК области благодаря переходам между колебательными квантовыми состояниями, что позволяет проводить относительно прямые измерения населенностей с помощью количественных методов эмиссионной спектроскопии. Поскольку эта работа является составной частью исследований мощных СО-лазеров, мы ее обсудим в следующем разделе.