Экспериментальное исследование кинетики электронов и элементарных процессов в плазме в аргон-азотных смесях и в воздухе

Мещанов, Александр Викторович

Экспериментальное исследование кинетики электронов и элементарных процессов в плазме в аргон-азотных смесях и в воздухе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Мещанов, Александр Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Экспериментальное исследование кинетики электронов и элементарных процессов в плазме в аргон-азотных смесях и в воздухе»

Автореферат диссертации на тему "Экспериментальное исследование кинетики электронов и элементарных процессов в плазме в аргон-азотных смесях и в воздухе"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Направахрукописи

МЕЩАНОВ Александр Викторович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТКИ ЭЛЕКТРОНОВ И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ В АРГОН-АЗОТНЫХ СМЕСЯХ И В ВОЗДУХЕ

Специальности: 01.04.05-оптика,

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физики им. В.А.Фока Санкт-Петербургского государственного университета

Научные руководители: доктор физико-математических наук, Ионих Юрий Зиновьевич доктор физико-математических наук, [Колоколов Николай Борисович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Акишев Юрий Семенович доктор физико-математических наук, Кучинский Виктор Владимирович

Ведущая организация:

ФГУП РНЦ «Прикладная химия»

час. на заседании

Защита диссертации состоится " ¿3 " С£КГЛ«5Рй 2004 г. в диссертационного совета Д 212.232.45 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им.М.Горького СПбГУ.

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук

ТИМОФЕЕВ Н.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Исследованию разряда в инертных и молекулярных газах и их смесях посвящено большое количество работ. Это связано, прежде всего, с широким применением такой плазмы в различных областях науки (атомной и молекулярной физике, химической физике, физике и химии газов и плазмы, физике и химии атмосферы) и в многочисленных приложениях. Свойство разрядной плазмы светиться,-быть источником излучения различных диапазонов, с давних пор используют в осветительных приборах. Газоразрядные лазеры, использующие эти газы и их смеси, чрезвычайно распространены в физическом эксперименте и имеют широкое техническое применение. Равновесная и неравновесная плазма в таких смесях используется в разнообразных плазмохимических устройствах. В первую очередь это относится к плазме в воздухе и в газах, входящих в его состав Использование се в различных технологических процессах наиболее оправдано из-за низкой стоимости плазмообразующих газов. Это относится не только к основным компонентам воздуха - азоту и кислороду, но и к малой примеси - аргону, стоимость которого на порядки ниже, чем других инертных газов. Этим обусловлено широкое применение плазмы в аргоне и в смеси аргон - азот. В последнее время большое внимание уделяется экологической безопасности промышленных технологий. Плазмохимическая очистка воздуха, содержащего промышленные выбросы, является одной из самых перспективных.

Плазма в воздухе является весьма сложной системой вследствие многообразия процессов, протекающих в ней, прежде всего плазмохимических реакций. До настоящего времени нет ясности в понимании полной картины этих процессов. Плазма в чистом азоте, аргоне или их смесях значительно проще, но и в этом случае до сих пор остаются неясными целый ряд существенных проблем. К ним относятся в первую очередь процессы ионизации и взаимосвязь колебательная и электронной кинетики. Исследованию вопросов, связанных с решением этих проблем, посвящена данная работа. Это и определяет актуальность темы диссертации.

Целью данной работы являлось;

1. Экспериментальное исследование кинетики электронов в распадающейся плазме разряда низкого давления в смеси аргон-азот и в азоте, нахождение функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) и установление взаимосвязи между электронной и колебательной температурами

2. Экспериментальное исследование начальной стадии развития положительного столба тлеющего разряда в аргоне и в смеси аргон-азот и изучение влияния механизмов ионизации на это развитие.

3. Измерение концентрации оксидов азота N0 и NO2, образующихся в плазме импульс -но-периодического разряда низкого давления в воздухе и выяснение механизмов их образования.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Обнаружен и детально исследован новый, ранее не наблюдавшийся эффект биста-бильности характеристик плазмы и «отрыв» электронной температуры от колебательной в распадающейся плазме в смеси аргон-азот.

2. Найдены экспериментальный условия, в которых наблюдается так называемая «темная фаза» развития положительного столба тлеющего разряда в аргоне и в смеси аргон-азот, и впервые изучены закономерности этого явления в у казанных газах.

3. Показано, что существуют экспериментальные условия, в которых установление режима бегущих страт в разряде низкого давления происходит через промежуточную стадию синфазных колебаний параметров плазмы.

4. Предложен метод восстановления амплитуды колебаний напряженности электрического поля в плазме при наличии бегущих страт по измерению разности потенциалов двух зондов.

5. Обнаружено, что концентрация оксидов азота N0 и NO2, образуемых в плазме им-пульсно-периодического разряда низкого давления в воздухе, определяется средним током и не зависит от параметров импульса.

6. Построена простая аналитическая модель образования монооксида азота в тлеющем разряде низкого давления. Модель адекватна в широком диапазоне средних токов.

Практическая ценность работы. Обнаруженные в работе бистабильность параметров плазмы и «отрыв» электронной температуры от колебательной может оказывать существенное влияние на параметры распада плазмы, в частности, на время её дионизации, и должны приниматься во внимание при проектировании импульсных плазменных устройств. Обнаруженные в работе «темная фаза» и синфазные колебания параметров плазмы в начальной стадии развития положительного столба разряда могут оказывать существенное влияние на оптические характеристики импульсных газоразрядных источников света. Предложенные метод нахождения амплитуды колебаний напряженности электрического поля в разряде с бегущими стратами может быть использован для диагностики плазменных устройств на основе тлеющего разряда. Разработанная модель образования монооксида азота в разряде в воздухе может быть использована при проектировании систем использующих плазму для защиты окружающей среды от промышленных выбросов, а также при анализе степени экологической безопасности плазменных систем.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 15-той международной конференции ESCAMPIG (Венгрия, 2000), международной научной конференции "Physics of Low Temperature Plasma 2003" (Киев, 2003) и на всероссийских научных конференциях "Физика низкотемпературной плазмы", ФНТП-2001 (Петрозаводск, 2001) и ФНТП-2004 (Петрозаводск, 2004).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре статьи и пять тезисов докладов научных конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы и содержит 120 страниц печатного текста, включая 70 рисунков и две таблицы. Библиография содержит 100 наименований.

Содержание работы

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации и формулируются цели и задачи работы.

В первой главе описываются экспериментальные установки и методики. Измерения проводились в положительном столбе тлеющего разряда при непрерывном потоке исследуемого газа (газовой смеси). Разряд зажигался в стеклянных разрядных трубках с вынесенными электродами. Использовались две установки. Одна из них позволяла производить оптические и зондовые измерения в стационарном или импульсном разряде и в послесвечении. Разрядная трубка имела внутренний диаметр 27 см или 31 см. Разрядные

трубка имела внутренний диаметр 27 см или 31 см. Разрядные импульсы формировались с помощью электронных ключей, схема одного из которых, позволявшего коммутировать токи ^ 1 мА, была разработана автором совместно с В.А. Ивановым.

Система оптической диагностики состояла из монохроматора, ФЭУ-106 и многоканального реверсивного счетчика фотонов (разработка Г.В. Жувикина и В.А. Иванова). Временное разрешение счетчика - 1 мкс. Управление счетчиком и считывание данных осуществлялось с помощью компьютера. Концентрация метастабильных атомов в разряде и в послесвечении измерялась методом поглощения. Из относительных яркостей полос 2-ой положительной системы азота находилась колебательная температ}ра N Для изучения страт проводились измерения интегральной яркости ихгучения разряда из различных точек положительного столба.

Методом зондов находилась ФРЭЭ в различные моменты времени послесвечения разряда. Измерительная схема включала в себя специализированный электронный блок и плату расширения ЦАП/АЦП. С помощью этой системы вольтамперная характеристика (ВАХ) зонда записывалась в память компьютера с временным разрешением 40 мкс. ФРЭЭ получалась численным двойным дифференцированием ВАХ. Напряженность электрического поля Е в разрядном импульсе или в непрерывном разряде определялась по разности потенциалов двух зондов. При наличии в разряде бегущих страт периодическая функция Е({) была искажена в результате усреднения по промежутку между зондами. В работе предложен метод, который позволяет скорректировать эти искажения. Средняя по сечению концентрация электронов в активной фазе разряда находилась из уравнения подвижности, а в фазе послесвечения - методом вспомогательного импульса.

Вторая установка, созданная в Университете Пари-Сюд (г. Париж), использовалась для исследования плазмохимических реакции в тлеющем импульсно-периодическом разряде в воздухе. Разрядная трубка была изготовлена из пирекса и имела внутренний диаметр 16 мм. Диагностика продуктов реакций (в данном случае - N0 и NО2), содержащихся в газовом потоке, прошедшем зону разряда, производилась по поглощению лазерного излучения в ИК-области спектра, на колебательно вращательных переходах молекул. Источником ихту-чения был диодный лазер с набором ихтучающих элементов на различные спектральные диапазоны. Для увеличения чувствительности диагностики использовалась многопроходная кювета с оптической длиной пути « 100 м. Минимальная регистрируемая концентрация N0 и М02 составляла ~ 1010 см"3, погрешность измерений была около 5%.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальному изучению электронной кинетики и взаимосвязи электронной и колебательной температур в распадающейся плазме в смеси аргон - азот и в азоте.

Плазма послесвечения молекулярных газов характеризуется наличием долгоживущих частиц - колебательно-возбужденных молекул, которые могут отдавать запасенную энергию при столкновениях с медленными электронами и тем самым увеличивать их температуру. Хотя энергия колебательных уровней невелика по сравнению с энергией возбужденных электронных состояний, концентрация колебательно-возбужденных молекул сравнима с их полной концентрацией. Следовательно, они могут оказывать большое влияние на ФРЭЭ и на электронную температуру, и тем самым радикально влиять на все характеристики плазмы. Из ранних теоретических работ следовало, что в плазме послесвечения быстро устанавливается квазистационарная ФРЭЭ со средней энергией, близкой, но не обязательно равной, 3/гА7"„ где Т- колебательная температура. Однако более поздняя работа [1] (послесвечение разряда в азоте) показала, что результат расчета существенно зависит от того, какой набор эффективных сечений колебательного возбуждения и девозбуждения электронным ударом использо-

вать. В зависимости от этого, ФРЭЭ получается либо близкой к максвелловской с = 7",, либо содержащей два максвелловских участка с температурами ТУ ~ Т„ (в области энергий колебательного возбуждения) и Т€<Т, (при меньших энергиях). Экспериментальные данные были чрезвычайно скудными и не давали однозначной картины даже для наиболее изученной - азотной - плазмы. Для смеси же Aг-N2 как экспериментальные, так и расчетные данные отсутствовали совсем.

В данной работе исследовалась плазма послесвечения разряда в смеси лг+1%№ при давлении 0.5 и 1 Торр, разрядном токе в импульсе 0.2 + 1.4Аи частоте повторения импульсов 0.5 и 1 кГц. Длительность разрядного импульса - 40 мкс. Приведенная напряженность электрического поля в импульсе составляла в зависимости от условий от 6 до 16 Тд, усредненная по сечению разрядной трубки концентрация электронов в конце импульса - от 0.8-1011 до 3.2*10" см-3. Колебательная температура азота практически не менялась в течение периода и составляла от 4000 до 6000 К. ФРЭЭ в той области энергий (Е > 0.5 эВ), где отсутствовали аппаратные искажения, разбивались, в зависимости от условий эксперимента, на две группы (рис. 1). В одной из них ФРЭЭ аппроксимировались максвелловским распределением с электронной температурой ФРЭЭ другой группы могли быть аппроксимированы двумя мак-свелловскими распределениями с различными температурами Температура

Т, отвечала области энергий Е < 1.5—2 эВ, в которой сосредоточенна основная часть электронов. Поэтому для ФРЭЭ обоих видов можно было считать Тг — 2/з£«, где £п - средняя энергия электронов, и называть эту величину просто «электронной температурой». На рис. 2 показана

Рис. 2 Электронная температура для двух токов в послесвечении разряда в смеси АгН %N2 Давление 0.5 Торр, частота следования разряд ных импульсов 0.5 кГц. 1 - 0.7 А, 2 - 1.4 А. Треугольники - колебательная температура для тока 0.7 А.

зависимость величин Tt и 7V от времени в послесвечении. Видно, что на зависимо в некоторый момент наблюдается голом - резкое увеличение скорости спада Т,. Этот излом можно характеризовать как отрыв электронной температуры от колебательной. Он происходит в момент появления на ФРЭЭ второй максвелловской компоненты.

НА. Дятко и АЛ. Напартович, в рамках проводимых совместно исследований, выполнили расчет ФРЭЭ для распадающейся плазмы в смеси Ar+N2 [2]. Оказалось, что вид ФРЭЭ в

заданный момент времени существенно зависит от колебательной температуры N и электронной концентрации. В частности, приуменьшении последней наблюдается скачок величины Тг от значения Тг а Туцо Т,« Т* (рис. 3). При некоторых значениях колебательной температуры возможно даже существование одновременно двух решений уравнения Больцмана с различными значениями Т, (кривые 3 на рис. 3). Это можно охарактеризовать как проявление бистабильности ФРЭЭ в бестоковой плазме - явление, ранее не известное. Рис. 4, полученный из рис. 2 с использованием экспериментальной зависимости шО, воспроизводит основ-

Рис. 3 Расчет (Н.А. Дятко, А.П. Напарто-вич, [2]). Электронная температура в послесвечении как функция электронной концентрации, р = 0.5 Topp. Температура газа - 3 00 К. ЩА3Г„) = 1010 cm"3. 1 -Tv = 3500 К, 2 - Т,= 3300 К, 3 - Г» = 3000 К

Рис. 4 Зависимость электронной и колебательной температур от концентрации электронов в послесвечении в смеси АтИ%К2. (давление 0.5 Торр, частота повторения 0.5 кГц, 1 - ток 0.7 А, 2- ток 1.4 А, треугольники- колебательная температура для тока 0.7 А).

ные особенности результатов расчета.

Полученные в гл. 2 результаты позволили также проверить гипотезу [3] о том, что наблюдавшееся в работе [3] длительное (тв — 1 мс) послесвечение на полосах 1-й отрицательной системы (1 О.С.) иона N2* (В22и*—>Х228+) обусловлено реакцией перезарядки

Аг* +М2(ХЧ;,У£И)->АГ+Н;'(В2£;)

О)

В случае правильности этой гипотезы спад яркости 1 О.С. в послесвечении должен описываться функцией /"(0 = со1В/'»1,(Г)*ехр(—</г„), где т» - время жизни колебательно-возбужденных молекул N2 (радиационное время жизни состояния В2Х„* на 2 порядка меньше наблюдаемого Тв). Исследование послесвечения 1 О.С. подтвердило выполнение этой закономерности и тем самым адекватность предложенной в [3] модели.

Помимо смеси Aг-N2, в данной работе изучалась также плазма послесвечения разряда в азоте. Измерения проводились при давлении 0.5 Торр, токе в импульсе 50 - 250 мА, длительности разрядного импульса 40 мкс и частоте повторения импульсов 1 кГц. Приведенная напряженность электрического поля в импульсе была 95 - 105 Тд, концентрация электронов, усредненная по сечению трубки, в конце импульса составляла от 0.5* 1010 до 2.7* 1010см-3. На ФРЭЭ в большинстве случаем можно было выделить два участка и ввести температуры Г, и Т,, характеризующие максвелловские распределения, описывающие ФРЭЭ в этих областях

по аналогии с тем, как это было сделано для смеси Аг-Иг. Температура Т, низкоэнергетического участка характеризовала основную массу электронов. Ее временной спад зависел от разрядного тока. Так, при максимальном токе (250 мА) Т, спадала от 5200 К при задержке 20 мкс до 2200 К при 800 мкс. Последнее значение практически совпадаю с колебательной температурой /V =2100 К, определенной оптическим методом. При минимальном токе (50 мА) быстро спадала от значения 2000 К при задержке 20 мкс до 1500 К (т.е. приблизительно до Ту) при 100 мкс. Затем спад замедлялся и электронная температура приближается к 1100 - 1300 К при задержках, больших 300 мкс. Эти значения меньше величины колебательной температуры (1450 К). Температура Т,', описывающая максвелловскую компоненту ФРЭЭ в области энергии больших 1.6 эВ, была близкой к колебательной температуре в начале послесвечения и затем слабо росла.

Расчет, выполненный Н.А. Дятко и А.П. Напартовичем [4], дал сходную с экспериментальной зависимость Т(п) при токе 250 мА. Для тока 50 мА результаты расчета и эксперимента существенно различаются. В диссертации анализируются возможные причины такого расхождения.

В третьей главе исследуется начальная стадия развития положительного столба тлеющего разряда в аргоне и в смесях аргона с азотом. Ранее в работах [5], [6] при исследовании разряда в гелии и в смесях было обнаружено, что если напряжение источника питания, поддерживающего разряд, достаточно велико, то есть разрядный ток определяется главным образом величиной балластного сопротивления, а не сопротивлением разряда, то в поведении положительного столба разряда наблюдается ряд особенностей. В излучении плазмы, после короткого и очень яркого пика на переднем фронте разряда, наблюдается период почти полного отсутствия свечения всех спектральных линий и полос. Длительность этой "темной фазы" составляла от десятков микросекунд до нескольких михлисекунд. И лишь затем яркость излучения выходила на стационарный уровень, причем обычно после нескольких осцилляции. При этом разрядный ток, контролируемый, как уже было сказано, балластным сопротивлением, оставался практически неизменным в течение всего импульса Объяснение наблюдаемому явлению было дано на основе того факта, что основным механизмом ионизации в смеси гелия с молекулярными газами является реакция Пеннинга:

где А — атом инертного газа, В - примесь.

В начале разрядного импульса, когда ток в цепи мал, падение напряжения на разрядном промежутке велико и поле в разряде значительно больше стационарного. Это вызывает интенсивное возбуждение атомов и молекул газа и формирует начальный пик яркости. Одновременно возбуждается избыточное количество метастабильных атомов. В результате после того, как ток установился, концентрация электронов, возникших в реакции (2), значительно превышает стационарную. Это приводит к перераспределению напряжения между разрядом и балластным сопротивлением, и поле в разряде падает ниже стационарного. В этом поле скорость возбуждения очень мала. Мала также и скорость амбиполярной диффузии, избыточные электроны уходят на стенку достаточно медленно, и в результате "темная фаза" может по времени заметно превышать время распада метастабильных атомов.

В случае чистого гелия роль реакции Пеннинга выполнял процесс парных столкновений:

А" +В -у А + В* +е

(2)

А* + А* А +А* +е

В работе [6] предсказывалось, что эффект "темной фазы" должен проявляться в других газах или смесях, в условиях, где процессы (2), (3) существенны как механизмы ионизации. В данной работе ставилась задача обнаружить и исследовать эффект "темной фазы" в аргоне и смесях аргона с азотом.

Изучение временных зависимостей яркости излучения положительного столба разряда позволило установить экспериментальные условия, в которых существует "темная фаза" в аргоне: разрядный ток порядка 1 мА или меньше, давление несколько Торр. В этих условиях временной ход интенсивности излучения линий аргона выглядит следующим образом (рис. 5). В начале разрядного импульса виден пик яркости излучения. Затем наблюдается промежуток времени длительностью -1.5 мс, когда свечение плазмы в 4 раза меньше стационарного значения. После окончания этой "темной фазы" излучение выходит на стационарный уровень через стадию осцилляции. Разрядный ток на участке "темной фазы" практически совпадает с установившимся значением. Выброс тока на переднем фронте импульса можно интерпретировать тем, что в схеме электрической цепи, создающей высоковольтный разрядный импульс, присутствует паразитная емкость.

Концентрация метастабильных атомов аргона на наиболее заселенном 3Р2-уровне (рис. 6)

Рис. 6 Временной ход концентрации метаста-Рис. 5 Яркость линии аргона = 706.7 нм) бильных атомов аргона Зр2 и напряженность и ток в разряде (0.7 мА). Давление 5 Торр, электрического поля в разряде. Давление 5 Торр, период следования импульсов 80 мс, их ток 0.7 мА, период следования разрядных им-длительность 8 мс, балластное сопротивле- пульсов 80 мс, их длительность 8 мс, балластное ние 4.4 МОм, напряжение источника пита- сопротивление 4.4 МОм, напряжение источника ния 3.6кВ. питания 3.6 кВ.

в начале импульса достигает максимальной величины, которая больше стационарного значения в 4-6 раз. Затем в течение темной фазы происходит их распад на порядок величины. Далее, так же, как и интенсивность линии аргона, концентрация метастабильных атомов через стадию осцилляции выходит на стационарный уровень. Напряженность электрического поля в положительном столбе (рис. 6) в течение промежутка времени, приблизительно совпадающем с «темной фазой», существенно меньше стационарной.

При увеличении тока в импульсе длительность "темной фазы" и глубина провала интенсивности уменьшаются. При дальнейшем увеличении тока эффект исчезает. Уменьшение эффекта и, затем, его исчезновение наблюдается и при достаточно сильном сближении импульсов (рис. 7).

Для получения дополнительной информации о природе осцилляции яркости излучения при выходе её на стационарный уровень производились измерения локальной яркости излучения из различных точек положительного столба разряда. При измерениях в непрерывном разряде наблюдались колебания, фаза которых зависела от положения ФЭУ.что свидетельствовало о наличии в разряде бегущих страт. Период их совпадал с периодом колебаний, наблюдаемых при окончании темной фазы на рис. 5. Однако, как оказалось на самом деле, осцилляции на рис. 5 обусловлены синфазными колебаниями плазмы (рис. 8). Заметное рассо-

гласование фаз, свидетельствующее о появление бегущей волны, наблюдается только к концу импульса.

Качественное объяснение полученных результатов не отличается от того, которое предлагалось в [6] для разряда в гелии. В рассматриваемых условиях скорость прямой ионизации атомов аргона очень мала. Это следует из оценок, использующих ФРЭЭ, рассчитанную по программе, разработанной в ТРИНИТИ [1]. Основным механизмами ионизации являются процесс типа (3)

Аг* + Аг* Аг* + Аг + е

(4)

и ступенчатая ионизация

► Аг2* + е

Аг' +е-> Аг4 +е + е

(5)

где - метастабильные атомы (прежде всего в состоянии Вклады этих процессов в рассматриваемых условиях сравнимы.

В начале разрядного импульса, когда ток мал, падение напряжения на разрядном промежутке велико и поле значительно превышает стационарное значение. В таком поле происходит эффективное образование метастабильных атомов аргона (рис. 6). В результате ступенчатой ионизации (5) и реакции парных столкновений (4) рождается избыточное число электронов. Происходит перераспределение напряжения между разрядным промежутком и балласт-

ным сопротивлением. Поле в разряде падает и его значение становится существенно меньше стационарного значения (рис. 6). В таком слабом поле не происходят процессы ионизации и возбуждения. Эта "темная фаза" продолжается до тех пор, пока избыточные электроны не уйдут из плазмы. В диссертации показано, что таким образом можно объяснить все закономерности в поведении «темной фазы» и сопутствующих явлений.

Для количественного описания образования "темной фазы" в разряде в аргоне Н.А. Дятко и А.П. Напартовичем была построена теоретическая модель [7]. В этой модели согласованным образом решались уравнения для концентрации ионов и электронов, уравнение для засе-ленностей возбужденных состояний атомов, уравнение Больцмана для электронов и уравнение для электрической цепи. Напряженность электрического поля при расчете находилась исходя из требования соблюдения ионизационного баланса, где в качестве основных ионизационных процессов рассматривались реакции (4), (5). Результаты расчета по этой модели [7] качественно согласуются с экспериментальными данными.

Исследование разряда в смесях Aг-N2 проводилось при содержании азота 0.07% и 1%. Добавление даже таких, сравнительно небольших, количеств азота заметно расширило диапазон условий, в которых наблюдалась "темная фаза", в сторону уменьшения давления и увеличения тока. (рис. 9)Более того, в смесях «темная фаза» выражена более отчетливо. Хотя её длительность уменьшилась по сравнению с разрядом в аргоне, глубина провала яркости излучения существенно увеличилась.

На рис. 10 показан также временной ход яркости полос 2-й положительной системы N3, переход С5П„->В3Пв. Видно, что в большинстве он повторяет ход концентрации Рг-Причи-ной этого является процесс передачи возбуждения с уровня на уровни

который в плазме в аргоне с небольшой добавкой азота является основным механизмом возбуждения состояния С'ПЦ [8].

Четвертая глава диссертации посвящена диагностике и исследованию механизмом образования окислов азота N0 и NО2 в газоразрядной плазме низкого давления в воздухе. Информация об этих процессах важна точки зрения различных задач плазмохимии, аэрономии, физики газовых лазеров, экологической безопасности плазменных технологий, а также применения плазмы для защиты окружающей среды от промышленных выбросов. Совокупность реакций образования и гибели окислов азота неравновесной плазме может зависеть от конкретных экспериментальных условий и включать реакции с участием нормальных и возбужденных атомов и возбужденных молекул, в том числе и гетерогенные процессы. Константы скорости ряда процессов неизвестны или известны с большой неопределенностью. В результате до настоящего времени нет ясности в вопросе об основных каналах образования молекул N0 в неравновесной плазме в воздухе. Что касается NО2, то экспериментальные данные о концентрации этих молекул в тлеющем разряде или потоке газа, выходящего из разряда, вообще отсутствуют. Соответственно не решен вопрос и об основных каналах их образования в плазме.

В данной работе исследовался импульсно-периодический разряд низкого давления в воздухе, длительность и частота повторения которого варьировались в широких пределах. Первоначальной целью было как раз выяснить, каким образом эти параметры влияют на наработку окислов азота. Однако при анализе результатов измерений оказалось, что полученная информация может быть использована и для выяснения механизмом их образования.

Измерения проводились в плазме в воздухе при давлении 3 Торр, токе в импульсе 10-80 мА, длительности разрядного импульса от 20 мкс до 5 мс и частоте повторения импульсов 50 Гц- 1 кГц. Т.о., варьировались три независимых параметра. Однако из результатов измерений следовало, что все значения [NO] и [NO2] удовлетворительно укладываются на общие зависимости от одной только величины - среднего по периоду разрядного тока г (рис. 11,12).

и 1*10' 2.

1*10'

1х104

'1*

5»

¿л

«V

1x10'

О' О

от О

Средний ток, мА

0.1 1 10 Средний ток. мА

„ .. „ , Рис. 12 Концентрация N0: как функция

Рис. 11 Концентрация N0 как функция Г

г среднего тока.

среднего тока.

При анализе результатов измерений были использованы экспериментальные данные (поле E/N, газовая температура ТЦ, колебательная температура Т„), полученные в работах [9], [10] при диагностике разряда постоянного тока в условиях, близким к условиям данной работы. Основываясь на этих данных, для моделирования были взяты следующие параметры: E/N = 65 Тд, = 500 К, Т, = 4000 К. Эти величины полагались не зависящими от амплитуды,

длительности и частоты повторения разрядных импульсов. Обоснование этого предположения приводится в диссертации. Для расчетов ФРЭЭ использовалась компьютерная программа, разработанная в ТРИНИТИ. Анализ возможных процессов образования N0 показал, что в рассматриваемых условиях основными процессами, определяющими концентрацию N0, являются реакции:

(6: (7 (8 (9 (10: (И)

Построенная в работе модель включала эти реакции, а также процессы, определяющие концентрацию всех участвующих в этих реакциях частиц.

Из-за быстрого тушения состояний N2 (а'1!),,") и О ('О) их время жизни меньше длительности и периода следования импульсов. Поэтому молекулы N0 образуются и разрушаются только в разрядном импульсе и их концентрация не меняется в течение периода. Таким образом, нет необходимости решать дифференциальное уравнение для [NO] и можно использовать уравнение баланса

г» = ^N0» (12)

взятое для фазы разряда. Это уравнение приводит к следующему соотношению

(13)

где Ж-полная концентрация молекул без учета диссоциации О2, то есть Ы= 1.25-[М2], а С| и - параметры, зависящие от газовой температуры и отношения Эта зависимость

достаточно слабая, и можно ею пренебречь. Тогда С| =0.22, Сг= 11.

Атомарный кислород получается в результате диссоциации молекул при столкновениях с электронами и возбужденными молекулами N, а гибнет в результате гетерогенной рекомбинации. Соответствующее время жизни атомов О больше периода повторения импульсов, поэтому концентрация О практически постоянна по всему периоду. Вероятность гетерогенной рекомбинации атомов кислорода уо в плазме в воздухе не известна, и она подбиралась исходя из наилучшего совпадения измеренной и рассчитанной концентрации N0. Рис. 13 показывает, что полученное таким способом значение уо (Ы0"3) дает удовлетворительное согласие рассчитанной (штриховая кривая) и измеренной (точки) величин [NO]. Их согласие может быть улучшено подбором константы скорости для процесса (6). Значение кб = 0.7-10""см3/с, использованное при моделировании, является на самом деле её верхним пределом. Использование взамен этого значения кб= 0.4-10" см3/с (и одновременное изменение уодо 0.5*10-3) дает сплошную кривую рис. 13, которая хорошо согласуется с измеренными значениями.

Полученные в эксперименте величины концентрации молекул М02 оказались слишком большими, чтобы их можно было отнести на счет каких-либо реакций, происходящих в плазме. Поэтому пришлось предположить, что зарегистрированные молекулы М02 образуются в области, где отсутствуют атомы О, а именно в газовом потоке за разрядом, а не в самом разряде. В этом случае единственными активными частицами, которые могут производить N0^ являются молекулы озона, участвующие в реакции

03 + Ш->Ы02+02 (14)

Несмотря на сравнительно низкую константу скорости (км = 2'10"14см3/с для Тй = 300 К), время пребывания газа в объеме камеры детектирования и соединительном шланге (« 70 с) достаточно большое, чтобы преобразовать большую часть Оз в М02 даже при самой низкой концентрации N0. Молекулы озона образуются при трехчастичной рекомбинации О и О2 в самом разряде или в области за разрядом, где существует атомы О, вынесенные потоком из разрядной зоны. Оценки показывают, что выходящий поток содержит озон при концентрации Ю12- 10|3см~\ Этого количества достаточно, чтобы создать наблюдаемую концентрацию N02 в реакции (14). Каждая зарегистрированная молекула N02 соответствует одной уничтоженной молекуле N0. Следовательно, для получения истинного значения [N0] в разряде необходимо добавить [N0^ к измеренной величине [N0]. Эта коррекция незначительна для >> 0.1 мА, но существеннадля 0.1 йА. Ее введение приводит к удовлетворительному согласию результатов расчета и измерений и для малых токов (рис. 14).

0 1 1 ю

Средний ток, мА

Рис. 13 Сравнение измеренных (точки) и

рассчитанных (кривые) концетраций N0. Рис. 14 Сравнение суммы измеренных концен-Штриховая кривая - один подгоночный траций N0 и М02 и рассчитанной концентра-параметр (уо=Ы0 )■ сплошная- два цииШ. 1 -[10],2 -[9]. (у0 = 0.5-104, ке = 0.410 " см '/с).

В заключении сформулируем основные результаты диссертации:

1. Создана экспериментальная установка для измерения ФРЭЭ с временным разрешением в послесвечении разряда. Написано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать проведение экспериментов.

2. Проведены измерения ФРЭЭ, колебательной температуры и электронной концентрации в послесвечении разряда в смеси Ar-N2. Обнаружен ранее не фиксировавшийся эффект "отрыва" электронной температуры от колебательной в послесвечении разряда. Сравнение с расчетом показало, что этот эффект есть проявление особого типа бистабильности бестоковой плазмы.

3. Исследовано послесвечение на полосах 1-й отрицательной системы иона N2* и подтвержден предложенный ранее механизм образования состояния В3£ц+ - перезарядка ионов Аг+ на высоковозбужденных молекулах

4. Проведены измерения ФРЭЭ, колебательной температуры и электронной концентрации в послесвечении разряда в азоте. Показано, что вид ФРЭЭ существенно зависит от разрядного тока и момента времени в послесвечении. Получена зависимость электронной температуры от электронной концентрации. При большом значении разрядного тока в импульсе эта зависимость согласуется с результатом численного моделирования (НА. Дятко и АЛ. Напар-тович, [/jj). Показано, что распад электронной концентрации коррелирует со спадом яркости 1 -й отрицательной системы N2*.

5. Оптическим и зондовым методами исследована начальная стадия развития положительного столба тлеющего разряда в аргоне и смесях аргона с азотом. Найдены условия, при которых существует "темная фаза" развития столба, характеризующаяся относительно слабым свечением плазмы при разрядном токе, практически совпадающим с установившимся. Сравнением результатов измерений с расчетами [7] показано, что существование "темной фазы" в разряде в аргоне может быть объяснено ионизационными процессами, происходящими с участием метастабильных атомов аргона.

6. Показано, что существуют экспериментальные условия, в которых установление режима бегущих страт в разряде низкого давления происходит через промежуточную стадию синфазных колебаний параметров плазмы. Предложен метод восстановления амплитуды колебаний напряженности электрического поля в плазме при наличии бегущих страт из измерений разности потенциалов двух зондов.

7. Проведена диодная лазерно-абсорбционная диагностика окислов азота (NO и NO2), в потоке воздуха, прошедшего через область тлеющего импульсно-периодического разряда низкого давления. Обнаружено, что концентрации N0 и NO2 определяются средним током и не зависят от параметров импульса. Построена простая аналитическая модель образования молекул N0 в плазме, адекватно описывающая эксперимент в широком диапазоне средних токов. Предложен механизм появления молекул NO2 в потоке.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ю.З. Ионих, Н.Б. Колоколов, A.B. Мещанов, Н.В. Чернышева. Возбуждение состояния -иона и электронная температура в послесвечении разряда в смеси Ar-N2. // Оптика и

спектроскопия. 2000. т. 88, в. 4, с. 560-563.

2. N.A. Dyatko, Y.Z. Ionikh, N.B. Kolokolov, A.V. Meshchanov and A.P. Napartovich. Jumps and bi-stabilities in electron energy distribution in Ar-N2 post discharge plasma. // Journal ofPhys-ics D: Journal ofApplied Physics. 2000. vol. 33, pp. 2010-2018.

3. NA. Dyatko, YZ. Ionikh, N.B. Kolokolov, A.V. Meshchanov and A.P. Napartovich. EEDF Bi-Stability in Ar-N2 Afterglow. // Proc. 15th ESCAMPIG. Hungary. 2000. pp. 154-155.

4. Ю.З. Ионих, Н.Б. Колоколов, А.В. Мещанов. О скачке электронной температуры в бестоковой плазме смеси аргон-азот. // Всеросс. конф. по физике низкотемпер. плазмы «ФНТП-2001». Петрозаводск. 2001. т. 1, с. 78-81.

5. N.A. Dyatko, Y.Z. Ionikh, N.B. Kolokolov, A.V. Meshchanov and A.P. Napartovich. Experimental and Theoretical Studies of the Electron Temperature in Nitrogen Afterglow. // IEEE Transaction on Plasma Science. 2003. vol. 31, n. 4, pp. 553-563.

6. Yu.Z. Ionikh, A.V. Meschanov. Observation of the "Dark phase" in an initial stage of the glow discharge in argon. // Proc. International conference on physics of low temperature plasma PLTP-03. Kyiv, Ukraine. 2003. p. 7-7-24.

7. А.В. Мещанов, А. Руссо, Ю. Репке, Ю.З. Ионих, Н.В. Чернышева. Исследование механизмов образования окислов азота NO и NO2 в плазме в воздухе при низком давлении. // Всеросс. конф. по физике низкотемпер. плазмы «ФНТП-2004». Петрозаводск. 2004. т. 1, с. 32-37.

8. Н.А. Дятко, Ю.З. Ионих, А.В.' Мещанов, А.П. Напортович. Исследование "темной фазы" развития положительного столба тлеющего разряда в аргоне и в смеси аргон-азот. // Всеросс. конф. по физике низкотемпер. плазмы «ФНТП-2004». Петрозаводск. 2004. т. 1, с. 61 -66.

9. Yu.B Golubovskii, R.V. Kozakov, V.A. Maiorov, A.V. Meshchanov, LA. Porokhova, A. Rousseau. Dynamics of gas heating in a pulsed microwave nitrogen discharge at intermediate pressures. // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2004. vol. 37, pp. 868-874.

Цитированная литература.

[1 ] N.A. Dyatko, LV. Kochetov, A.P. Napartovich. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. vol. 26, pp.418-423.

[2] N.A. Dyatko, Yu.Z. Ionikh, N.B. Kolokolov, A.V. Meshchanov and A.P. Napartovich. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2000. vol. 33, pp. 2010-2018.

[3] Ю.Г. Уткин, А.С. Евдокименко, Ю.З. Ионих, Н.В. Чернышева. // Оптика и спектроскопия. 1999. т. 86, с. 938-945.

[4] N.A. Dyatko, Yu.Z. Ionikh, N.B. Kolokolov, A.V. Meshchanov, and A.P. Napartovich. // IEEE Plasma Science. 2003. vol. 31, n. 4, pp. 553-563.

[5] Ю.З. Ионих, И.Н.. Костюкевич, Н.В. Чернышева. // Оптика и спектроскопия. 1993. т. 74,

с. 455.

[6] Ю.З. Ионих, Ю.Г. Уткин, Н.В. Чернышева, А.С. Евдокименко. // Физика плазмы. 1996. т. 22, №3, с. 289-297.

[7] НА. Дятко, Ю.З. Ионих, А.В. Мещанов, А.П. Напартович. // Тезисы Всерос. науч. конф. по физ. низкотемп. плазмы ФНТП-2004. Петрозаводск. 2004. т. 1,с. 61-66.

[8] Н.В. Чернышева. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук, Ленинград. 1974.

[9] В. Gordiets, CM. Ferreira, V. Guerra, J. Loureiro, J. Nahomy, D. Pagnon, M. Touzeau, M. Vialle. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1995. vol. 23, pp. 750-766.

[10] CA. Смирнов, В.В. Рыбкин, И.В. Холодков, В А. Титов. // TBT. 2002. т. 40, в. 3,

с. 357-364.

Подписано в печать ¿Д.М.ХХйс . Формат 60X841/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Усл. п. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 3319. Отпечатано в отделе оперативной полиграфии НИИХ СПбГУ с оригинал-макета заказчика. 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26.

# 1 5 47 1

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Мещанов, Александр Викторович

Введение.

Глава 1. Экспериментальные установки и методы исследований.

1.1 Установка для исследований плазмы тлеющего разряда и послесвечения.

1.1.1 Разрядная трубка, вакуумная система, формирователи разрядных импульсов.

1.1.2 Система регистрации оптического сигнала.

1.1.3 Зондовая схема измерения функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в послесвечении.

1.1.4 Схема измерения поля.

1.2 Установка для диагностики окислов азота в плазме воздуха методом лазерной абсорбции.

1.3 Методики, используемые при проведении измерений.

1.3.1 Методика определения колебательной температуры основного состояния молекулы азота.

1.3.2 Методика определения концентрации метастабильных атомов методом поглощения.

1.3.3 Методика измерения функции распределения электронов.

1.3.4 Методика измерения напряженности электрического поля в разряде и концентрации электронов в разряде и в послесвечении.

1.4 Выводы.

Глава 2. Электронная кинетика и взаимосвязь электронной и колебательной температур в распадающейся плазме в смеси аргон-азот и в азоте.

2.1 Введение.

2.2 Обзор литературы.

2.3 Исследование послесвечения разряда в смеси аргон-азот.

2.3.1 Экспериментальные результаты.

2.3.2 Обсуждение результатов.

2.3.3 О механизме возбуждения состояния N2+(B2EU+) в плазме в смеси Ar-N2.

2.4 Исследование послесвечения разряда в азоте.

2.4.1 Экспериментальные результаты.

2.4.2 Обсуждение результатов.

2.5 Выводы.

Глава 3. Обнаружение и исследование эффекта "темной фазы" развития положительного столба тлеющего разряда в аргоне и в смесях аргона с азотом.

3.1 Введение.

3.2 Обзор литературы.

3.3 Исследование разряда в аргоне.

3.3.1 Экспериментальные результаты.

3.3.2 Обсуждение результатов измерений.

3.4 Исследование разряда в смесях Ar-N2.

3.5 Выводы.

Глава 4. Диагностика и исследование механизмов образования окислов азота

N0 и ЖЬ в газоразрядной воздушной плазме низкого давления.

4.1 Введение.

4.2 Обзор литературы.

4.3 Экспериментальные результаты.

4.4 Анализ результатов измерений.

4.4.1 Общий подход к моделированию.

4.4.2 Кинетика N0.

4.4.3 Кинетика N02.

Введение диссертация по физике, на тему "Экспериментальное исследование кинетики электронов и элементарных процессов в плазме в аргон-азотных смесях и в воздухе"

Исследованию разряда в инертных и молекулярных газах и их смесях посвящено большое количество работ. Это связано прежде всего с широким применением такой плазмы в различных областях науки (атомной и молекулярной физике, химической физике, физике и химии газов и плазмы, физике и химии атмосферы) и в многочисленных приложениях. Свойство разрядной плазмы светиться, быть источником излучения различных диапазонов, с давних пор используют в осветительных приборах. Газоразрядные лазеры, использующие эти газы и их смеси, чрезвычайно распространены в физическом эксперименте и имеют широкое техническое применение. Равновесная и неравновесная плазма в таких смесях используется в разнообразных плазмохимических устройствах. В первую очередь это относится к плазме в воздухе и в газах, входящих в его состав. Использование ее в различных технологических процессах наиболее оправдано из-за низкой стоимости плазмообразующих газов. Это относится не только к основным компонентам воздуха -азоту и кислороду, но и к малой примеси - аргону, стоимость которого на порядки ниже, чем других инертных газов. Этим обусловлено широкое применение плазмы в аргоне и в смеси аргон - азот. В последнее время большое внимание уделяется экологической безопасности промышленных технологий. Плазмохимическая очистка воздуха, содержащего промышленные выбросы, является одной из самых перспективных.

Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения. В первой главе описываются экспериментальные установки, которые были использованы при выполнении работ. Первая из них была предназначена для проведения исследования в послесвечении разряда и в его активной фазе. Вторая установка была собрана в университете Пари-Сюд (г. Париж). Основной регистрирующей системой в ней являлся перестраиваемый инфракрасный диодный лазер, с помощью которого решались задачи по исследованию воздушной плазмы низкого давления. В этой же главе описаны применявшиеся оптические и зондовые методы исследования, в частности, предложенная в работе методика учета влияния бегущей ионизационной волны на измеряемое электрическое поле.

Во второй главе исследуется явление бистабильности в распадающейся плазме в смеси аргона с азотом и в азоте. Бистабильность проявляется в поведении электронной температуры в послесвечении, которая начиная с некоторого момента времени "отрывается" от колебательной. Это явление впервые обнаружено в данной работе. Проведено его детальное исследование и сравнение с результатами расчета, выполненного Н.А. Дятко и А.П. Напартовичем [1], [2] в ТРИНИТИ. Результаты измерений, проведенных в работе, используются также для доказательства того, что в заселении состояния N2+(B2EU+) в разряде и в послесвечении в смеси Ar-N2 принимают участие ионы аргона. Кроме того, показано, что относительный ход концентрации электронов в послесвечении разряда в азоте может быть прослежен по распаду 1-й отрицательной системы.

Третья глава посвящена обнаружению и исследованию эффекта "темной фазы" развития положительного столба тлеющего разряда. Это явление впервые было обнаружено в смеси Не-СО [3] и затем исследовано в гелии и смесях гелия с азотом [4]. Суть "темной фазы" заключается в том, что в начале разрядного импульса наблюдается достаточно длительный промежуток времени, в течение которого свечение плазмы отсутствует, или оно существенно слабее стационарного значения. В данной работе найдены условия, когда этот эффект существует в разряде в аргоне и смесях аргона с азотом. Проводится его исследование, дается качественное объяснение причины его существования и сравнение экспериментальных результатов с расчетом, выполненным Н.А. Дятко и А.П. Напартовичем [5].

В четвертой главе исследуются механизмы образования окислов азота (N0 и NO2) в воздушной плазме низкого давления. Получен большой массив экспериментальных данных о концентрациях N0 и NO2 в зависимости от параметров разряда: частоты следования импульсов, их длительности и величины тока в разрядном импульсе. На основе анализа экспериментальных данных построена модель образования N0 и NO2 в разряде. Согласно этой модели, N0 образуется при столкновениях метастабильных молекул азота в состоянии A3EU+ с атомарным кислородом и при столкновениях образующегося в этой реакции возбужденного атома азота в состоянии 2D с молекулой кислорода. NO2 образуется в по-слеразрядной области в реакциях молекул озона с N0. Имеет место хорошее согласие построенной модели с полученными экспериментальными данными.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ю.З. Ионих, Н.Б. Колоколов, А.В. Мещанов, Н.В. Чернышева. Возбуждение состояния B2SU+ иона N2+ и электронная температура в послесвечении разряда в смеси Ar-N2. // Оптика и спектроскопия. 2000. т. 88, в. 4, с. 560-563.

2. N.A. Dyatko, Y.Z. Ionikh, N.B. Kolokolov, A.V. Meshchanov and A.P. Napartovich. Jumps and bi-stabilities in electron energy distribution in Ar-N2 post discharge plasma. // Journal of Physics D: Journal of Applied Physics. 2000. vol. 33, pp. 2010-2018.

3. N.A. Dyatko, Y.Z. Ionikh, N.B. Kolokolov, A.V. Meshchanov and A.P. Napartovich. EEDF Bi-Stability in Ar-N2 Afterglow. // Proc. 15th ESCAMPIG. Hungary. 2000. pp. 154-155.

4. Ю.З. Ионих, Н.Б. Колоколов, A.B. Мещанов. О скачке электронной температуры в бестоковой плазме смеси аргон-азот. // Всеросс. конф. по физике низкотемпер. плазмы «ФНТП-2001». Петрозаводск. 2001. т. 1, с. 78-81.

7. A.B. Мещанов, А. Руссо, Ю. Рёпке, Ю.З. Ионих, Н.В. Чернышева. Исследование механизмов образования окислов азота NO и NO2 в плазме в воздухе при низком давлении. // Всеросс. конф. по физике низкотемпер. плазмы «ФНТП-2004». Петрозаводск. 2004. т. 1, с. 32-37.

8. Н.А. Дятко, Ю.З. Ионих, А.В. Мещанов, А.П. Напортович. Исследование "темной фазы" развития положительного столба тлеющего разряда в аргоне и в смеси аргон-азот. // Всеросс. конф. по физике низкотемпер. плазмы «ФНТП-2004». Петрозаводск. 2004. т. 1, с. 6166.

9. Yu.B. Golubovskii, R.V. Kozakov, V.A. Maiorov, A.V. Meshchanov, I.A. Porokhova, A. Rousseau. Dynamics of gas heating in a pulsed microwave nitrogen discharge at intermediate pressures. // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2004. vol. 37, pp. 868-874.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

4.6 Выводы.

Проведена диодная лазерно-абсорбционная диагностика окислов азота (NO и N02) в газоразрядной воздушной плазме низкого давления. Получены экспериментальные данные о концентрациях NO для широкого диапазона разрядных условий. Проведен анализ экспериментальных результатов и предложен механизм образования NO и NO2 в плазме воздуха. Согласно этой модели, молекулы NO образуются в результате реакций (11 и 17). NO2 образуется в послеразрядной области при столкновениях молекул озона с NO. Результаты моделирования для NO хорошо согласуются с экспериментальными данными. Показано, что при малых токах (< 1 мА) необходимо учитывать конверсию NO в NO2.

Заключение.

Перечислим основные результаты данной работы.

2. Проведены измерения ФРЭЭ, колебательной температуры и электронной концентрации в послесвечении разряда в смеси Ar-N2. Обнаружен ранее не фиксировавшийся эффект "отрыва" электронной температуры от колебательной в послесвечении разряда. Сравнение с расчетом [1] показало, что этот эффект есть проявление особого типа биста-бильности бестоковой плазмы.

3. Исследовано послесвечение на полосах 1-й отрицательной системы иона N2+h подтвержден предложенный ранее механизм образования состояния B2SU+ - перезарядка ионов Аг+ на высоковозбужденных молекулах N2(X1Zg+,v>l 1).

4. Проведены измерения ФРЭЭ, колебательной температуры и электронной концентрации в послесвечении разряда в азоте. Показано, что вид ФРЭЭ существенно зависит от разрядного тока и момента времени в послесвечении. Получена зависимость электронной температуры от электронной концентрации. При большом значении разрядного тока в импульсе эта зависимость согласуется с результатом численного моделирования (Н.А. Дятко и А.П. Напартович, [2]). Показано, что распад электронной концентрации коррелирует со спадом яркости 1-й отрицательной системы N2+.

5. Оптическим и зондовым методами исследована начальная стадия развития положительного столба тлеющего разряда в аргоне и смесях аргона с азотом. Найдены условия, при которых существует "темная фаза" развития столба, характеризующаяся относительно слабым свечением плазмы при разрядном токе, практически совпадающим с установившимся. Сравнением результатов измерений с расчетами [5] показано, что существование "темной фазы" в разряде в аргоне может быть объяснено ионизационными процессами, происходящими с участием метастабильных атомов аргона.

7. Проведена диодная лазерно-абсорбционная диагностика окислов азота (N0 и NO2), в потоке воздуха, прошедшего через область тлеющего импульсно-периодического разряда низкого давления. Обнаружено, что концентрации N0 и NO2 определяются средним током и не зависят от параметров импульса. Построена простая аналитическая модель образования молекул N0 в плазме, адекватно описывающая эксперимент в широком диапазоне средних токов. Предложен механизм появления молекул NO2 в потоке.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Мещанов, Александр Викторович, Санкт-Петербург

1. N.A. Dyatko, Yu.Z. 1.nikh, N.B. Kolokolov, A.V. Meshchanov and A.P. Napartovich. 11 J. Phys. D: Appl. Phys. 2000. vol. 33, pp. 2010-2018.

2. N.A. Dyatko, Yu.Z. Ionikh, N.B. Kolokolov, A.V. Meshchanov, and A.P. Napartovich. // IEEE Plasma Science. 2003. vol. 31, n. 4, pp. 553-563.

3. Ю.З. Ионих, И.Н. Костюкевич, Н.В. Чернышева. // Оптика и спектроскопия. 1993. т. 74, с. 455.

4. Ю.З. Ионих, Ю.Г. Уткин, Н.В. Чернышева, А.С. Евдокименко. // Физика плазмы. 1996. т. 22, № 3, с. 289-297.

5. Н.А. Дятко, Ю.З. Ионих, А.В. Мещанов, А.П. Напартович. // Тезисы Всерос. науч. конф. по физ. низкотемп. плазмы ФНТП-2004. Петрозаводск. 2004. т. 1, с. 61-66.

6. М.З. Новгородов, В.Н. Очкин, Н.Н. Соболев. // ЖТФ. 1970. т. 40, в. 6, с. 1268-1275.

7. С.Г. Гагарин, JI.C. Полак, Д.И. Словецкий. // Тезисы докл. IV Всес. конф. по генераторам низкотемп. плазмы. Алма-Ата. 1970. с. 18-20.

8. S.V. Pancheshnyi, S.M. Starikovskaia, and A.Y. Starikovskii. // Chem. Phys. 2000. vol. 262, pp. 349-357.

9. Д.И. Словецкий. // Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. М. Наука. 1980.-310 с.

10. MJ. Brugner and P.J.O. Teubner. // Phys. Rev. A. 1990. vol. 41, pp. 1413-1426.

11. M. Zubek. J. Phys. B, At. Mol. Opt. Phys. 1994, vol. 27, pp. 573-581.

12. H.E. Кузьменко, JI.A. Кузнецова, Ю.Я. Кузяков. // Факторы Франка-Кондона двухатомных молекул. М.: МГУ. 1984. 344 с.

13. А.А. Радциг, Б.М. Смирнов. // Справочник по атомной и молекулярной физике. М.: Атомиздат. 1980. 240 с.

14. Ю.Г. Уткин, А.С. Евдокименко, Ю.З. Ионих, Н.В. Чернышева. // Оптика и спектроскопия. 1999. т. 86, с. 938-945.

15. В.И. Блашков, Ю.З. Ионих, Н.П. Пенкин. // Оптика и спектроскопия. 1986. т. 61, с. 974.

16. Е.Е. Иванов. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Ленинград. 1981.

17. С. Э. Фриш. Спектроскопия газоразрядной плазмы. Л.: Наука, 1970.

18. NIST Atomic Spectra Database Lines Data, http://physics.nist. gov

19. Г.Н. Герасимов, P.И. Лягущенко, Г.П. Старцев. // Оптика и спектроскопия. 1971. т. 30, в. 4, с. 606-611.

20. С. Браун. // Элементарные процессы в плазме газового разряда. М.: Госатомиздат, 1961.

21. Неравновесная колебательная кинетика (под редакцией М. Капителли) // М.:Мир. 1989. с. 360-385.

22. Б.Ф. Гордиец, Л.И. Осипов, Л.А. Шелепин. // Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.:Наука, 1980. 512 с.

23. Н.А. Дятко, И.В. Кочетов, А.П. Напартович. // Физика плазмы. 1992. т. 18, в. 7, с. 888-900.

24. Н.Л. Александров, И.В. Кочетов, Э.Е. Сон. // Физика плазмы. 1978. т. 4, с. 1182.

25. Н.А. Горбунов, Н.Б. Колоколов, А.А. Кудрявцев. // ЖТФ. 1991. т. 61. в. 6, с. 52-60.

26. Н.Б. Колоколов, А.А. Кудрявцев, Н.А. Хромов. // Оптика и спектроскопия. 1993. т. 75, с. 981-984.

27. G. Dilecce and S. De Denedictis. // Plasma Sources Sci. Technol. 1993. vol.2, p. 119-122.

28. А.А. Кудрявцев, А.И. Ледянкин. // Physica Scripta. 1996. vol. 53, p. 597-602.

29. Ю.С. Акишев и др. // TBT. 1982. т. 20, с. 818-826.

30. В.М. Акулинцев, Н.М. Горшунов, Ю.П. Нещименко. // ПМТФ. 1977. в. 5, с. 5.

31. Ю.М. Гершензон, В.Б. Розенштейн, С.Я. Уманский. // Химия плазмы. М.: Атомиз-дат. 1977. в. 4, с. 224.

32. Г.Н. Герасимов, М.Н. Малешин, С.Я. Петров. // Оптика и спектроскопия. 1985. т. 59, с. 930-932.

33. В.А. Иванов, А.С. Приходько. // ЖТФ. 1986. т. 56, в. 10, с. 2010.

34. А.А. Viggiano and Robert A. Morris. // J. Chem. Phys. 1993. vol. 99, p. 3526.

35. S. Kato, J.A. de Gouw and C.D Lin, // Chem. Phys. Lett. 1996. vol. 256, p. 305.

36. И. Мак-Даниэль, Э. Мэзон. // Подвижность и диффузия ионов в газах. М.: Мир. 1976.-422 с.

37. P.A. Sa and J. Loureiro. // J. Phys. D., Appl. Phys. 1997. vol. 30, pp. 2320-2330.

38. A. Rutscher. // Beit. Plasmaphys. 1967. bd. 7, p. 43.

39. R. Mewe. // Physica. 1970. vol. 47, p. 373.

40. E.M. Penning. // Zs. Phys. 1928. vol. 46, p.335.

41. N.B. Kolokolov, A.A. Kudryavtsev, A.A. Blagoev. // Physica scripta. 1994. vol. 50, pp. 371-402.

42. Ю.Д. Королёв, Г.А. Месяц. // Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука. 1991.

43. A. Phelps. // Phys. Rev. 1960. vol. 117, п. 3, pp. 619-632.

44. И.М. Бортник. // ЖТФ. 1968. т. 38, № 6, с. 1016-1034.

45. Г.В. Спивак, Е.Л. Столярова. // ЖТФ. 1948. т. 18, в. 3.

46. B.JI. Грановский. // Электрический ток в газах. Установившийся ток. М.: Наука. 1971.

47. Ю.С. Акишев, К.В. Баидзе, В.М. Вецко и др. // Физ. плазмы, 1985, т. 11, с. 999.

48. Г. Рёттер. // Электронные лавины и пробой в газах. М.: Мир. 1968. 217 с.

49. Н. Deutsch. // Beitr. Plasmaphys. 1968. b. 8, s. 31.

50. O.H. Крютченко, А.Ф. Маннанов, В.А. Степанов, M.B. Чиркин. // ЖТФ. 1994. т. 64. с. 42.

51. Р.Х. Амиров, Э.И. Асиновский, В.В. Марковец. // Физика плазмы. 2001. т. 27, № 5, с. 450-457; // ТВТ. 1981. т. 19, с. 47-51.

52. N.A. Dyatko, I.V. Kochetov, А.Р. Napartovich. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. vol. 26, pp. 418-423.

53. B.A. Иванов, И.В. Макасюк. // Оптика и спектроскопия. 1990. т. 69, в. 3, с. 514-517.

54. Н.Б. Колоколов. //Химияплазмы. 1985. вып. 12. с. 56-66.

55. С.М. Ferreira, J. Loureiro, A. Ricard. // J. Appl. Phys. 1985. v. 57, p. 82.

56. Ю.З. Ионих. // Оптика и спектроскопия. 1981. т. 51, с. 76.

57. Н.В. Чернышева. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук, Ленинград. 1974.

58. Справочник констант элементарных процессов с участием атомов, ионов, электронов, фотонов. (Под ред. А.Г. Жиглинского. СПб.: Издательство С.-Петербургского университета. 1994. -336 с.

59. Г.М. Батанов, И.А. Коссый, В.П. Силаков. // Физика плазмы. 2002. т. 28, № 3, с. 229-256.

60. J.S. Townsend. // Electricity in Gases. Clarendon Press. Oxford. 1915.

61. A.JI. Сурис. // Плазмохимические процессы и аппараты. М.: Химия. 1989. 304 с.

62. Yu.S. Akishev, А.А. Deryugin, I.V. Kochetov, A.P. Napartovich and N.I. Trushkin. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. vol. 26, pp. 1630-1637.

63. Ю.С. Акишев, A.A. Дерюгин, В.Б. Каральник, И.В. Кочетов, А.П. Напартович, Н.И. Трушкин. // Физика плазмы. 1994. т. 20, № 6, с. 571-584.

64. Н.А. Попов. // Физика плазмы. 1994. т. 20, № 3, с. 335-343.

65. И.А. Коссый, А.Ю. Костинский, А.А. Матвеев, В.П. Силаков. // Труды института общей физики. 1994. т. 47, с. 37-55.

66. М. Baeva, Н. Gier, A. Pott, J. Uhlenbusch, J. Hoschele and J. Steinwandel. // Plasma Chem. Plasma Process. 2001. vol. 21, pp. 225-247.

67. M. Baeva, H. Gier, A. Pott, J. Uhlenbusch, J. Hoschele and J. Steinwandel. // Plasma Sources Sci. Technol. 2002. vol. 11, pp. 1-9.

68. F. Fresnet, G. Baravian, S. Pasquiers, C. Postel, V. Puech, A. Rousseau, M. Rozoy. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2000. vol. 33, pp. 1315-1322.

69. F. Fresnet, G. Baravian, L. Magne, S. Pasquiers, C. Postel, V. Puech, A. Rousseau, Plasma Sources Sci. Technol. 2002. vol. 11, pp. 152-160.

70. H.JI. Александров, Ф.И. Высикайло, Р.Ш. Исламов, И.В. Кочетов, А.П. Напартович, В.Г. Певгов. // ТВТ. 1981. т. 19, № 3, с. 485-490.

71. A.R. De Souza, C.M. Mahlmann, J.L. Muzart and C.V. Speller. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. vol. 26, pp. 2164-2167.

72. S.D. Benedictis, G. Dilecce and M. Simek. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. vol. 30, pp. 2887т2894.

73. A. Granier, D. Chereau, K. Henda, R. Safari and P. Leprince. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1994. vol. 75, pp. 104-114.

74. G. Dilecce andS.D. Benedictis. // Plasma Sources Sci. Technol. 1999. vol. 8, pp. 266-278.

75. G. Cartry, L. Magne and G. Cernogora. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1999. vol.32, pp. 1894-1907.

76. L. Magne, H. Coitout, G. Cernogora, G. Gousset. // J. Phys. Ill France. 1993. vol. 3, pp. 1871-1889.

77. P. Christopher Selvin, Keiichiro Iwase and Toshihiro Fujii. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2002. vol. 35, pp. 675-679.

78. A. Ricard and V. Monna. // Plasma Sources Sci. Technol. 2002. vol.11, pp. A150-A153.

79. V. Guerra, J. Loureiro. // J. Phys. D: J. Appl. Phys. 1995. vol. 28, pp. 1903-1918.

80. V. Guerra, J. Loureiro. // Plasma Sources Sci. Technol. 1997. vol. 6, pp. 373-385.

81. V. Guerra, J. Loureiro. // Plasma Sources Sci. Technol. 1999. vol. 6, pp. 373-385.

82. V. Guerra, P.A. Sa and J. Loureiro. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. vol. 34, pp. 1745-1755.

83. A.X. Мнацаканян, Г.В. Найдис. // TBT. 1985. т. 23, №. 4, с. 640-648.

84. А.Х. Мнацаканян, Г.В. Найдис. // Химия плазмы. 1987. вып. 5, с. 227-255.

85. Теоретическая и прикладная плазмохимия. (под редакцией JI.C. Полак). М.:Наука. 1982. -300 с.

86. В. Gordiets, A. Ricard. // Plasma Sourc. Sci. Technol. 1993. vol. 2, pp. 158-164.

87. J. Nahorny, C.M. Ferreira, B. Gordiets, D. Pagnon, M. Touzeau and M. Vialle. // J. Phys. D: J. Appl. Phys. 1995. vol. 28, pp. 738-747.

88. B. Gordiets, C.M. Ferreira, V. Guerra, J. Loureiro, J. Nahorny, D. Pagnon, M. Touzeau,

89. M. Vialle. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1995. vol. 23, pp. 750-766.

90. B.B. Рыбкин, В.А. Титов, E.B. Кувалдин, С.А. Смирнов. // Хим. Высоких энергий. 1997. т. 31, в. 2, с. 149-152.

91. С.А. Смирнов, В.В. Рыбкин, И.В. Холодков. // ТВТ. 2002. т. 40, в. 2, с. 189-193.

92. С.А. Смирнов, В.В. Рыбкин, И.В. Холодков, В.А. Титов. // ТВТ. 2002. т. 40, в. 3, с. 357-364.

93. S. Pfau, A. Rutsher, К. Wojaczek. // Beitr. Plasma Phys. 1969. bd. 9, h. 4, s. 333.

94. T. Majeed, D.J. Strickland. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1997. vol. 26, p. 335-349.

95. R. Atkinson, D.L. Boulch, R.A. Cox, R.F. Hampson, J.A. Kerr, M.J. Rossi, J. Troe. // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1989. vol. 18, pp. 881-1002.

96. R. Atkinson, D.L. Boulch, R.A. Cox, R.F. Hampson, J.A. Kerr, M.J. Rossi, J. Troe. // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1997. vol. 26, n. 6, pp. 1329-1499.

97. J.T. Herron. // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1999. vol. 28. pp. 1453-1483.

98. L.G. Piper. // J. Chem. Phys. 1982. vol. 77, n. 5, pp. 2373-2777.

99. P.S. Cosby. // J. Chem. Phys. 1993. vol. 98, n. 12, pp. 9544-9553.