Физико-химические процессы в плазме воздуха

• Автор: Холодков, Игорь Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 145 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Физикохимические и технологические аспекты применения неравновесной плазмы

1.2. Общий подход к анализу процессов в неравновесной плазме

1.3. Физикохимические свойства плазмы пониженного давления в

воздухе

1.4.роцессы возбуждения электронным ударом

1.4.1. Упругое рассеяние

1.4.2. Процессы вращательною возбуждения

1.4.3. Процессы колебательного возбуждения

1.4.4. Процессы диссоциативного прилипания
1.4.5. Процессы возбуждения электронных состояний
1.4.6. Процессы ионизации
1.5. Колебательный энергообмен в плазме воздуха
ВЫВОДЫ. ПОСТА1ЮВКА ЗАДАЧИ
ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Экспериментальная установка
2.2. Измерение электрофизических характеристик плазмы
2.3. Методика измерений интенсивностей линий и полос
2.4. Определение температуры газа
2.4.1. Температура нейтральной компоненты
2.4.2. Колебательная температура молекул азота в основном
состоянии
2.5. Определение мольных долей стабильных компонентов газовой
2.6. Уравнение Больцмана и метод его решения
2.7. Уравнения, описывающие кинетические закономерности образования и гибели колебательных уровней основного
состояния молекул Ы2, , 0
ГЛАВА 3. ПРОЦЕССЫ СТОЛКНОВЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ С
МОЛЕКУЛАМИ
3.1. Сечения взаимодействия электронов с молекулой 0
3.2. Сечения взаимодействия электронов с молекулой Н2О
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЫ1ЫХ ИЗМЕРШ1ИЙ
4.1. Тем пера тура газа
4.2. Напряженность продольного электрического поля
4.3. Заселенность нижних колебательных уровней основного
состояния молекулы азота
4.4. Основные компоненты плазмы воздуха
4.4.1. Концентрация атомов кислорода в основном состоянии
4.4.2. Концентрация молекул оксида азота 0 ГЛАВА 5. ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕРАВНОВЕСНОЙ
ПЛАЗМЫ ВОЗДУХА
5.1. Концентрации и энергетические распределения электронов
5.2. Кинетические закономерности образования и гибели колебательновозбужденных молекул Ы2Х, Х и КтОХ
5.3. Концентрации нейтральных частиц
5.4. Кинетические закономерности образования и гибели
нейтральных частиц
5.4.1. Атомы кислорода 03Р и азота М
5.4.2. Метастабильные состояния атомарного кислорода 0Э и
5.4.3. Атомы азота в возбужденных состояниях И2Р, Ы
5.4.4. Молекулы кислорода и азота в нижних метастабильных
состояниях СЬСа, Ь, 23
5.4.5. Молекулы азота и кислорода в электронновозбужденных состояниях
5.4.6. Молекулы оксида азота 0
5.5. Потоки активных частиц на поверхность, ограничивающую
плазму
5.6. Каналы диссипации энергии в плазме воздуха
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Таким образом, основная проблема неравновесной химической кинетики сводится к определению неравновесной константы скорости, поскольку классическая химическая кинетика, оперирующая постоянными константами и полными концентрациями, малопригодна для реакций с большими отклонениями от равновесных распределений как по скоростям частиц, так и но заселенности квантовых уровней. Выявление роли отдельных химически активных частиц в процессах с участием неравновесной плазмы требует также информацию об их потоках на обрабатываемый материал. Между тем, в большинстве случаев экспериментальное определение таких потоков затруднительно и реально измеряются концентрации частиц. Поэтому одним из методов исследования неравновесной плазмы является численное моделирование. Учет при построении модели гетерогенных процессов позволяет получить необходимую информацию о воздействии плазмы на различные объекты. Адекватность модели будет зависеть от того, насколько полно кинетическая схема модели отражает реальные процессы, а также от точности констант скоростей реакций, включенных в этот набор. Зачастую именно последний фактор вызывает наибольшие трудности, так как не вес процессы в настоящее время достаточно хорошо изучены. В виду необходимости комплексного подхода к созданию математической модели необходима как можно более полная информация о процессах, протекающих в изучаемой системе. Одним из объектов, представляющих интерес в качестве рабочего тела во многих технологических приложениях, является плазма воздуха. В последнее время в связи с прогрессом в области мощной СВЧэлектроники этот интерес стал еще больше. Кинетические процессы в низкотемпературной плазме азота, кислорода и их смесей в настоящее время являются предметом многочисленных исследований 9, . Это также связано с их большой значимостью в атмосферной и ионосферной физике. Актуальность таких работ определяется перспективами использования беззлектродных разрядов для накачки активных сред газовых лазеров , повышения энерговкладов плазмохимических реакторов например, для фиксации атмосферного азота , создания искусственных ионизированных областей в атмосфере Земли с целью ретрансляции радиоволн на большие расстояния. Подробная информация, касающаяся кинетических характеристик взаимодействия различных компонентов плазмы воздуха болсс 0 реакций, приведена в работе , в которой исследовались СВЧразряды повышенного давления. В то же время исследования слаботочной плазмы низкого давления, используемой для модификации различных материалов, чрезвычайно Офаничены. В общем виде, плазма воздуха представляет собой систему весьма сложного химического состава. Тем не менее, принимая во внимание тот факт, что основными компонентами воздуха являются азот и кислород, можно предполагать, что данные о химическом составе азотной и кислородной плазмы низкого давления дадут нам в первом приближении информацию о составе системы. В качестве объекта для изучения физикохимических процессов, протекающих в плазме воздуха, в ряде работ была использована плазма более простого состава, представляющая собой смесь азота и кислорода. Плазма смеси 2 изучалась экспериментально в работе , в которой в качестве плазмообразующей среды использовался тлеющий разряд постоянного тока, а также в работе , в которой авторы исследовали характеристики СВЧ разряда низкого давления. В работе проведен дополнительный анализ результатов эксперимента и предложена модель гетерогенных процессов на стенке реактора с участием атомов и О. Эксперимент осуществлялся в стеклянной трубке 0 1. А и давлении 2 Торра. Исходный состав плазмообразующего газа менялся от 0 2 до 0 . Р методом аргоновой актинометрии. Было также обнаружено образование 0 масс спектразьно и атомов азота титрованием 0 и ЫБизмсрениями. СТГи. Для состава азоткислородной смеси, соответствующего воздуху, были получены следующие результаты. Эффективные колебательные температуры молекул 2 несколько ниже, чем в плазме азота и меняются от до К с ростом тока разряда от до мА. Мольная доля атомарного азота растет с ростом тока разряда от 0. Мольная доля атомарного кислорода растет с ростом тока разряда от 0. В работах , предложены модели, способные объяснить полученные в , результаты.