Физико-химические процессы в плазме стримерных разрядов

• Автор: Книжник, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 141 с. : ил

Оглавление
Введение
1 О параметрах стримерного коронного разряда
1.1 Поле в канале стримера
1.2 К вопросу о радиусе стримера
1.3 Ионизационно-перегревная неустойчивость в стримерном канале
1.4 Влияние колебательного возбуждения на эволюцию стримерного канала
1.5 Выводы
2 Процессы синтеза в стримерных разрядах
2.1 Современные методы генерации озона
2.2 Стандартный механизм генерации озона
2.3 Эффект насыщения колебательного возбуждения
2.4 Изменение сечений электронного возбуждения
2.5 Колебательный механизм синтеза озона
2.6 Производство НСИ в неравновесной плазме
2.7 Выводы
3 Разложение метана в стримерных разрядах
3.1 Электродинамика импульсного СВЧ разряда высокого давления
3.2 Модель головки СВЧ стримера
3.3 Температура возбуждения атомов водорода
3.4 О механизме плазменного катализа
3.5 Выводы
4 Процессы очистки газов в плазме импульсного коронного разряда
4.1 Окисление сероуглерода в коронном стримерном разряде
4.2 Влияние гидродинамического расширения на эффективность генерации в стримере

4.3 Выводы
Основные результаты и выводы
Введение
Исследования физико-химических процессов в неравновесных разрядах стримерного типа являются одним из фундаментальных направлений плазмохимии. В последние годы наряду со сравнительно хорошо изученным барьерным разрядом здесь активно развиваются и находят практическое применение импульсные коронные и импульсные микроволновые разряды. С использованием этих разрядов к настоящему времени получен целый ряд интересных, практически важных результатов: так на основе импульсного коронного разряда созданы генераторы озона с рекордно низкой величиной энергозатрат, а также плазменные реакторы для очистки газов от токсичных примесей [32]; импульсные микроволновые разряды применяются для создания плазменных конверторов углеводородов [134] и стимулирования процессов горения.
Несмотря на различие перечисленных выше приложений, есть общие черты, объединяющие их все: они в основном применяются для осуществления сильно эндо-эргических процессов, таких как диссоциация молекул, производство электронновозбужденных атомов и молекул, генерация ионов. При практической реализации этих процессов на первый план выступает проблема минимизации затрат энергии на получение полезного продукта, иначе говоря, получение высокой энергетической эффективности, то есть высокого отношения термодинамически минимальных затрат энергий на производство данного продукта к реальным затратам энергии в разряде. Решение этой проблемы осуществляется в рамках кинетического рассмотрения плазмохимических процессов в неравновесных разрядах. Однако при таком анализе необходимо использовать модели, позволяющие определять параметры газовых разрядов и их эволюцию во времени.
Характерная особенность импульсного коронного и микроволнового разрядов состоит в том, что длительность стримера в них (20-300 пэ и выше) определяется длительностью импульса напряжения источника питания и значительно превышает таковую в барьерных разрядах (3-10 не). Сравнительно большие времена существования плазмы в этих стримерах приводят к сильному возбуждению внутренних (в частности колебательных) степеней свободы молекул, что, в сочетании с высокой

лении колебательной функции распределения. Этот эффект обусловлен выделением дефекта резонанса колебательной энергии, приводит к разогреву на временах порядка характерного времени V V - обмена, что заметно меньше времени VT - релаксации. Определению роли указанного процесса и посвящена оставшаяся часть данной главы. Рассмотрение данного эффекта проводится в рамках модели однородного стримерно-го канала с постоянным полем, которую часто используют для описания различных кинетических процессов в стримерном канале [36].
Кроме того, во второй части работы, в рамках предложенной аналитической модели описана динамика стримера и условия его перехода в искровую фазу, в частности, с учетом указанного выше разогрева. Мы ограничимся рассмотрением небольших времен при переходе стримера в искру, когда можно не учитывать процессы термической ионизации, электронно-ионной рекомбинации. Несмотря на большое количество полученного материала, эта задача исследовалась только численно в рамках одно- и двухмерных моделей [18, 19, 21, 16, 25, 115], причем расчеты делались в основном для воздушных смесей.
1.4.2 Поток колебательной энергии в тепло Описание потока энергии
Описывая эффект выделения тепла за счет нерезонансности VV - обмена можно воспользоваться представлением о потоке молекул вдоль колебательного спектра [38]. Если молекула в результате VV - обмена переходит с уровня v на уровень , то в поступательные степени свободы выделяется энергия:
АЕ = xehu>Q (yl — Vi)
где хе - постоянная ангармонизма молекулы (при этом Y^vf(.v) = const, где /(и)
- функция распределения). Эта энергия идет в энергию поступательного движения (или забирается из кинетической энергии). Если известно, сколько молекул перешло с одного колебательного уровня на другой в результате VV - обмена, то общий баланс можно найти, просуммировав выражения АЕ для всех таких переходов в:
dQ = —dEvib = хєТішо ^2 О 2 ~ *2) dnlXj = xehcj0dV^v = хєНш0 (dV2 - dVgump) (1.44) ij
где Q - выделение энергии в поступательно-вращательные степени свободы, dV^v
- изменение второго момента функции распределения по колебательным уровням за счет только процессов VV - обмена, которое равно полному изменению второго