Kinetic behavior of the [math] — CO infrared vibraluminescent system

¹ Concord Radiance Laboratory, Division of Utah State University, Bedford, Massachusetts, U.S.A..
² Optical Physics Laboratory, Air Force Cambridge Research Laboratories (OAR) LG Hanscom Field, Bedford, Massachusetts, U.S.A..

Abstract

The vibraluminescent emission of CO excited by active nitrogen has been re-examined and has been found to behave in a very different way than previously reported by other workers^*. The major experimental findings of this investigation are the following :

a) The degree of vibrational excitation of the active nitrogen (i.e., the vibrational temperature) is quite sensitive to such factors as distance from the discharge region ([math] wall relaxation), discharge power, and the coupling efficiency of the discharge cavity to the gas.

b) The vibrational temperature of the carbon monoxide decreases if the CO partial pressure is increased and all other conditions are held constant.

c) There often exists vibrational disequilibrium between the nitrogen and carbon monoxide molecules; i.e., the vibrational populations of the N₂ and CO are describable by two different vibrational temperatures.

Experiments have been performed in four different types of emission cells and under a wide variety of conditions and no inconsistencies have been found.

It is shown that all the experimental results can be described by a steady-state theory which is constructed around what is already known about vibrational-vibrational transfer. The steady-state macroscopic description developed is built on the following :

a) Vibrational-vibrational transfer proceeds considerably less rapidly between molecules of different species (despite a near-resonance) than between molecules of the same species.

b) Transfer of vibrational energy from one molecule to another takes place principally by exchange of single quanta.

c) Processes leading to the creation of a BOLTZMANN distribution among a set of identical molecules are sufficiently rapid to insure vibrational equilibrium under the vast majority of conditions encountered in this study.

The equation developed is

[math]

such that the system can be described in terms of R, the ratio of the CO to the N₂ partial pressures, and the vibrational partition functions Q₀, Q_CO, Q_N2, T, τ_R and κ_{(1, 0)ω} are the cell residence time, radiative lifetime, and wall relaxation rate respectively.

In the light of the present work it appears that both the analysis and interpretation of this phenomena by LEGAY-SOMMAIRE and LEGAY arc incorrect.

Résumé

L’émission vibralummescente de CO excité par de l’azote activé a été ré-examiné et son comportement trouvé être très différent de celui qui a été rapporté par d’autres chercheurs^*.

Les principales découvertes de cette investigation sont :

a) L’excitation vibrationnelle de l’azote activé (i.e., la température vibrationnelle est très sensible aux facteurs tels que la distance a la région de décharge (dé-excitation de [math] par le mur), la puissance de décharge, et l’efficacité de l’interaction du gaz avec la cuve de décharge.

b) La température vibrationnelle de CO diminue si la pression partielle de CO est augmentée sans autres changements de conditions.

c) Il y a souvent un déséquilibre vibrationnel entre les molécules d’azote et CO; i.e., les populations vibrationnelles de N₂ et CO peuvent être décrites par deux températures vibrationnelles différentes.

Des expériences ont été faites dans quatre différentes sortes de cuve d’émission et sous des conditions largement variantes avec des résultats consistants.

Il est démontré que les résultats expérimentaux peuvent être décrits par une théorie d’équilibre employant ce qui est déjà connu de l’interaction vibrationnelle-vibrationnelle. La description d’équilibre macroscopique est développée selon les propositions suivantes :

a) Le transfert vibrationnel-vibrationnel se produit beaucoup moins rapidement entre molécules de types différents (quand même qu’il y a presque résonance) qu’entre molécules de types pareilles.

b) Le transfert d’énergie vibrationnelle d’une molécule a une autre se fait principalement par l’échange d’un simple quanta.

c) Le processus qui amène à la création d’une distribution de BOLTZMANN parmi un groupe de molécules identiques est suffisamment rapide pour que l’on soit certain d’un équilibre vibrationnel avec la plupart des conditions de nos expériences.

L’équation développée est

[math]

afin que le système puisse être décrit par R, le rapport des pressions partielles de CO et de N₂, et les fonctions vibrationnelles Q₀, Q_CO, Q_N2.T, τ_R, et κ_(1,0)ω sont respectivement la durée dans la cuve, durée de vie, et la vitesse de l’interaction avec les parois.

En vue de nos résultats il semble que l’analyse et l’interprétation de ce phénomène par LEGAY-SOMMAIRE et LEGAY sont incorrectes.