Публикации автора

Представлена вторая часть обзора по спектральной диагностике возбужденных частиц в водородной низкотемпературной плазме (первая часть опубликована в журнале «Успехи прикладной физики» в 2014 г., Т. 2, № 6). Описаны результаты определения поступательной температуры и функций распределения по колебательным и вращательным уровням молекулы водорода в основном и возбужденных состояниях методами лазерной, эмиссионной и абсорбционной спектроскопии в газовых разрядах в водороде. На основе обзора создана база данных по поступательным температурам, функциям распределения молекул водорода по вращательным и колебательным уровням в основном и возбужденных состояниях.

Обзор содержит информацию о разнообразных реализованных способах создания низкотемпературной плазмы, используемой для конверсии углеводородов и спиртов в полезные продукты (водород, ацетилен). Даны примеры устройств для генерации плазмы н основе дуговых, барьерных, электронно-пучковых, и СВЧ-разрядов как в газовой среде, так и в жидкостях.

Методом эмиссионной спектроскопии измерены функции распределения молекул по низким вращательным уровням молекулы водорода в триплетном состоянии 3 d u и определены величины вращательной и поступательной температур основного и возбужденного триплетного состояний молекулы водорода.

Метод двойного электрического зонда использован для измерения пространственных распределений концентрации заряженных частиц, температуры электронов и постоянного потенциала в электродном микроволновом разряде в азоте при давлении 1 Торр. Показано, что вблизи электрода/антенны концентрация заряженных частиц превышает критическое значение. Концентрация и неоднородность разряда растут с увеличением микроволновой мощности.

Представлен обзор сечений ионизации, возбуждения и девозбуждения атома водорода, полученных как в экспериментах, так и расчетным путем. Определен набор сечений, который требуется использовать при расчете функции распределения электронов по энергиям и определении уровневых коэффициентов скоростей, необходимых при решении балансных уравнений для концентраций нейтральных и заряженных частиц в водородной плазме.

На основе двумерной самосогласованной модели исследована роль электронного удара в диссоциации н-гептана в СВЧ-разряде в жидком н-гептане при атмосферном давлении. Модель включала в себя систему уравнений Навье-Стокса для двухфазного дозвукого потока несжимаемой жидкости и сжимаемого газа, уравнение теплопроводности, уравнения Максвелла для СВЧ-поля, уравнение Больцмана для электронов плазмы и уравнения баланса для концентрации электронов и весовой доли н-гептана в паровой и жидкой фазах. Показано, что роль электронного удара мала на временах, больших 10-3 с.

Приведены некоторые результаты исследования СВЧ-разряда в тяжелых углеводородах. СВЧ-энергия вводилась в жидкий углеводород с помощью коаксиальной линии. Давление над поверхностью жидкости равно атмосферному давлению. Разряд зажигался в среде аргона и паров углеводорода (аргон подавался через канал в центральном проводнике коаксиальной линии). Исследованы спектры излучения разряда в разных жидких углеводородах и показано, что в спектре излучения наблюдаются разные секвенции полос Свана, а возможное излучение других компонентов плазмы находится на уровне шумов. Приведены спектры излучения плазмы в жидком н-гептане, нефрасе, и масле С-9, используемом для получения химических волокон. Приведены вращательные (газовая) и колебательные температуры, полученные при обработке спектров.

Уровневая полуэмпирическая столкновительно-излучательная модель водородной низкотемпературной плазмы электронно-циклотронного резонанса использована для анализа применимости спектральных методов диагностики по излучению триплетных состояний молекулярного водорода ( N 3 = 3 a g, 3 c u, 3 d u, 3 e u, 3 f u, 3 g g, 3 h g, 3 i g, 3 k u и 3 r g ). Показано, что вторичные процессы дают наибольший вклад в кинетику рождения и гибели триплетных состояний 3 a g, 3 c u, 3 d u, 3 e u, 3 g g, 3 h g, 3 i g и 3 r g. Наименьший вклад вторичные процессы дают в возбуждение и дезактивацию триплетных состояний 3 f u и 3 k u. Для обработки интенсивностей дипольных разрешенных переходов f 3u a3g, g3g и 3 3 k u a g   может применяться упрощенная корональная модель.

Дан обзор новых интересных результатов, представленных на 10-м Международном научном семинаре по СВЧ-разрядам (X-th International Workshop on Microwave Discharges: Fundamentals and Applications) состоявшемся с 3 по 7 сентября 2018 года в г. Звенигороде Московской области.

Проведено нульмерное стационарное моделирование СВЧ-разряда в парах воды при атмосферном и пониженном давлениях и постоянной температуре газа. Использовалась модель реактора непрерывного перемешивания. Проведено совместное решение уравнений баланса для нейтральных и заряженных компонент плазмы, уравнения Больцмана для электронов плазмы и уравнения для стационарного распределения СВЧ-поля в объеме, заполненном плазмой. Получены зависимости различных пара-метров разряда (величины СВЧ-поля, концентраций всех компонент) от вложенной удельной мощности WV. Показано, что при пониженном давлении при одной и той же вложенной удельной мощности величина СВЧ-поля в плазме существенно меньше, а концентрация электронов выше, чем при атмосферном давлении. При атмосферном давлении в интервале рассмотренных значений WV плазма воды электроотрицательна, причем квазинейтральность поддерживается отрицательным ионом OH-.

При давлении 30 Торр и вложенной удельной мощности 60–70 кВт/см3 происходит пе-реход от электроотрицательной к электроположительной плазме.

На основе детального анализа и обобщения результатов расчетов энергетического спектра электронов c использованием разных моделей в газовых разрядах в чистом углекислом газе CO2 и в смесях, содержащих СО2, найдена константа скорости диссоциации СО2 электронным ударом в газовом разряде постоянного тока атмосферного давления. Показано, что при значениях приведенного электрического поля от 55 Тд до 100 Тд преобладающим механизмом разложения молекулы СО2 являются столкновения молекул СО2 с электронами. Получено выражение для вычисления константы скорости диссоциации СО2 электронным ударом в зависимости от приведенного электрического поля.

Приведен аналитический обзор результатов экспериментальных и теоретических исследований разложения углекислого газа в тлеющих разрядах. Из сравнительного анализа литературных данных предпринята попытка определить параметры разряда, при которых обеспечиваются максимальные значения степени разложения углекислого газа и энергетическая эффективность для конкретного устройства. Максимальные значения степени разложения сухого углекислого газа 40 % и энергетической эффективности 32 % достигаются в разрядных устройствах при силе тока от 10 до 100 мА, удельной мощности от 0,2 до 3,6 Вт/см, приходящейся на единицу длины положительного столба, при средних (50–60 Торр) и атмосферном давлениях в дозвуковом протоке газа с объёмным расходом 300 см3/с. Перспективными могут быть разрядные устройства, в которых для утилизации углекислого газа применяется импульсно-периодический (в диапазоне от несколько десятых долей до несколько десятков кГц) тлеющий разряд атмосферного давления.