Закономерности физико-химических процессов, протекающих в разряде с жидким электролитным катодом в атмосфере атомарных и молекулярных газов

• Автор: Коновалов, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 141 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Разряды с жидкими неметаллическими электродами

1.2. Тлеющий разряд атмосферного давления с жидким катодом

1.3. Температуры и концентрации электронов

1.4. Напряженность поля в плазме, температура газа, концентрация электронов

1.5. Спектральный состав излучения систем с жидким электродом

1.6. Разряд в смесях НеФТ в присутствие Н

1.7. Тлеющий разряд пониженного давления с жидким катодом

Глава 2. Методы экспериментального исследования
2.1. Схема экспериментальной установки
2.2. Определение напряженности электрического поля
2.3. Определение коэффициента вторичной электронной эмиссии
2.4. Определение температуры нейтральной компоненты плазмы
2.5. Определение эффективной колебательной температуры КгСХ'ЕГ)
Глава 3. Методика математического моделирования
3.1. Расчет функции распределения электронов по энергиям в плазме
3.2. Расчет распределения молекул по колебательным уровням
3.3. Расчет состава нейтральных компонентов плазмы
Глава 4. Результаты и обсуждение
4.1. Феноменология разряда
4.2. Электрические характеристики разряда
4.3. Спектры излучения разряда
4.4. Численное моделирование разряда в Аг с учетом продуктов неравновесного переноса из катода
4.5. Численное моделирование разряда в N2 и воздухе с учетом продуктов неравновесного переноса из катода
Основные результаты и выводы
Литература
Глава 1.

Введение
Актуальность проблемы. Исследование механизмов образования активных частиц плазмы, и установление закономерностей процессов протекающих в разряде с электролитным катодом представляет фундаментальный интерес в области физики и химии неравновесной плазмы. Плазма такого разряда вместе с жидкой фазой является единой самосогласованной неравновесной системой. Ее физическое состояние определяется с одной стороны - внешними параметрами разряда (током, давлением, составом исходного газа), а с другой - характером процессов взаимодействия ее активных агентов с различными компонентами жидкого электролита. Определение характеристик разряда пониженного давления с электролитными катодами в кислороде, азоте и аргоне, таких как величины катодных падений, напряженностей полей в плазме, температур газа, измерение интенсивностей излучения линий и полос и нахождение на их основе функций распределения электронов по энергиям, концентраций электронов, эффективных колебательных температур различных возбужденных состояний, будет являться фундаментом для выбора подходов теоретического описания процессов, имеющих место как в таких типах разряда, так и в более востребованных разрядах атмосферного давления в воздухе, где воздействие тлеющего разряда на раствор приводит к его химической активации и инициирует протекание в жидкой фазе окислительно-восстановительных процессов. Эти процессы могут быть использованы в технологических целях, включая безреагентную очистку воды от органических и неорганических примесей, а также стерилизацию растворов, материалов и предметов медицинского назначения. Однако широкое практическое применение плазменно-растворных систем существенно ограничено, в частности, фрагментарностью фундаментальных знаний о кинетике и механизмах протекающих процессов, которые инициируются под действием газовых разрядов с одним или несколькими жидкими электродами.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИГХТУ, а также при поддержке гранта РФФИ 12-02-31074 мол_а и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы № 14.В37.21.0763.
Цель работы. Выявление механизмов и кинетики физико-химических процессов, формирующих стационарные параметры и состав активных частиц разряда постоянного тока пониженного и атмосферного давления с жидким водным катодом в атмосфере аргона, азота, кислорода и воздуха. Работы проводились по следующим основным направлениям:
1) Экспериментальное исследование параметров плазмы (катодное падение потенциала, коэффициенты вторичной электронной эмиссии, температура газа, напряженность электрического поля, абсолютные интенсивности излучения основных компонентов).
2) Формирование и анализ кинетических схем (наборов реакций, сечений и констант скоростей), обеспечивающих корректное описание кинетики процессов образования и гибели активных частиц плазмы.
3) Математическое моделирование плазмы, включающее расчеты функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), интегральных характеристик электронного газа, коэффициентов скоростей процессов при электронном ударе, концентраций и плотностей потоков активных частиц на поверхность, ограничивающую зону плазмы.
Научная новизна. Впервые рассчитаны концентрации основных компонентов и проведено исследование кинетики процессов образования-гибели нейтральных частиц в плазме пониженного и атмосферного давления с жидким водным катодом в аргоне. Впервые для плазменно-растворных систем проанализированы процессы, формирующие заселенности колебательных уровней основного электронного СОСТОЯНИЯ молекул N2, О2, N0, в том числе с учетом процессов с участием молекул воды.
На защиту выносятся:
^ электрофизические параметры тлеющих разрядов пониженного давления с водным катодом в атмосфере кислорода, азота, воздуха и аргона;
влияние переноса компонентов жидкого катода в разряд на электрофизические параметры разряда и кинетические характеристики электронов;
Глава 2.МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Схема экспериментальной установки
Разряд постоянного тока возбуждали между заостренным штыревым анодом и поверхностью раствора, которая служила катодом. Для замыкания внешней цепи в раствор погружали электрод из меди (проволока диаметром 1,25 мм ГОСТ 26615-85). Аноды, использованные в разных опытах, были выполнены из меди, бронзы, вольфрама, нержавеющей стали с диаметром цилиндрической части от 1 до 3 мм. Какой-либо зависимости измеряемых параметров разряда от материала электродов в экспериментах не обнаружено.
Основным элементом установки является рабочая камера (рис. 2.1). Она представляет собой стальное основание закрытое стеклянным колпаком с уплотняющей прокладкой из вакуумной резины. Дополнительно в колпак рабочей камеры вклеено кварцевое. Вакуумная схема установки показана на рис. 2.
Напуск
рабочего газа
Стеклянный
стакан

Электролит
Катод
Колпак
Основание
Рис. 2.1. Рабочая камера: с! - межэлектродное пространство.