Emisní spektrometrie výboje v atmosféře methanu a helia Martin Ferus Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, v. v. i. AVČR

Historický přehled JULIUS Willem Henri ( ) Spektroskopie plamene pozorování radikálů CH, OH a dalších. BERTHELOT Pierre-Eugène-Marcellin ( ) DONATI Giovanni Battista ( ) Spektroskopie komet swan pásy C 2 Studium výbojů v CH 4

Molekulární oblak v souhvězdí Býka Slunce kometa Hale-Bopp

Infračervená měření umožňují detegovat organické molekuly. Chemie uhlíku je patrně chemizmem celého vesmíru. Methan a helium jsou široce zastoupené specie. Dosud byly ve vesmíru detegovány: PAU, ethylenglykol, acetamid, aldehydy, kyselina octová, aminy, uhlovodíky, kyanosloučeniny celkem do dnešní doby asi 130 molekul Uhlovodíkové jezero na Saturnově měsíci Titanu

Intenzita emisní linie: účinnost excitace specie distribuční funkce energií elektronů četnost elektronů počet excitovaných částic statistická váha hladinyEinsteinův emisní koeficient

H 2 : (1 s σ) 2 Excitace H: 1s 1

H 2 : (1 s σ) 2 Excitace H 2 : (1 s σ) 1 (2pσ) 1 triplet H: 1s 1

H 2 : (1 s σ) 2 Excitace H 2 : (1 s σ) 1 (2pσ) 1 singlet emise H: 1s 1

H 2 : (1 s σ) 2 Excitace H 2 : (1 s σ) 1 (2pσ) 1 singlet emise 1Σg+1Σg+ multiplicita termu (spin) term symetrie vlnové funkce (inverze) symetrie vlnové funkce (zrcadlení) homonukleární molekuly Co to znamená? je to vodík v singletu, v termu s Λ=1 (vazba sigma) znaménko vlnové funkce MO se při zrcadlení a inverzi nemění H: 1s 1

Elektrický výboj v plynu - + katoda excitace Elektrické pole E

Elektrický výboj v plynu - + disociace Elektrické pole katoda

NGpozitivní sloupec katoda (-) anoda (+) intenzita světla elektrické pole potenciál +- elektrický proud teplota plynu E U VN anodové světlo katodové světlo - samostatné vedení

anode cathode e-e- -+ He water to the spectrometer to the pump He + CH 4

Energie v plazmatu 1.Zapálení výboje po přivedení zápalného napětí k elektrodám. 2.Ukončení výboje a pokles energetických elektronů. 3.Vyhasínání plazmatu. stovky až tisíce voltů desetiny až jednotky ampér lavinovitý nárůst: elektrony, ionty, disociace, excitace 200x až 300x nižší četnost srážek s elektrony během nanosekund chladnutí plazmatu rychlé elektrony: M + e - ** → X + Y + + 2e - pomalé elektrony: M + e - * → M * + e - rekombinace a tvorba sekundárních produktů rychlé elektrony: M + e - ** → M + + 2e -

≈ 25 eV≈ 2 eV He + He*

He + e - → He* (n 1 S) + e - předpokládané stěžejní procesy v plazmatu He + e - * → He + + 2e - He (2 1 S) + e - → He* (2 3 S) + e - preference singletu přechod do tripletu ionizace

předpokládané stěžejní procesy v plazmatu CH 4 + e - → CH 3 + H CH 3 + e - → CH 2 + H CH 2 + e - → CH + H CH + e - → C + H CH 4 + e - → CH 2 + H 2 + e - CH 4 + e - → CH + H 2 + H + e - C 2 H 2 + e - ⇋ C 2 + 2H C 2 H 2 + e - ⇋ 2CH Některé produkty: Penningova ionizace a Penningova disociace CH 4 + He m → CH n + mH 2 + He He m + M → He + M + + e - Disociace: H + CH 4 → CH 3 + H 2 H + CH 3 → CH 2 + H 2 H + CH 2 → CH + H 2 H + CH → C + H 2

CH 4 + C → C 2 H 4 * C 2 H 4 * → C 2 H 2 + H 2 CH + CH + M → C 2 H 2 + M* C 2 + H 2 = C 2 H + H C 2 H + H 2 = C 2 H 2 + H H + H + M → H 2 + M* Reakčních cest je ale celá řada.

-+ He + CH 4 He pozitivní sloupec BS FZ PZ MCT InSb Elektronika + PC HeNe kontrola kontrola spínání výboje VN zdroj

+ Microcontroller discharge trigger

Michelson interferometer Discharge Cell Discharge Trigger Detector AD ConvertorI/0 Board FPGA Microcontroller on/off signal HeNe signal Scan signal AD Trigger scan signal Computer PC

100 μs HeNe Trigger 10 kHz = 100 μs opakování signálu HeNe interference