Диссертация (1097947), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Онаинициируется и поддерживается в постоянных или переменных по времени электромагнитныхполях, круговая частота изменения которых изменяется в широком диапазоне вплоть долазерных частот [220–236]. Заметная доля энергии электромагнитного поля, поглощаемая НТП,аккумулируется в поступательных и во внутренних степенях свободы частиц. В результатетакого поглощения, в НТП наблюдается нарушение термодинамического равновесия поэлектронным, колебательным, вращательным, поступательным степеням свободы частиц.Отклонение функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), функции распределенияпо вращательным (ФРВУ) и колебательным (ФРКУ) уровням нейтральных и ионизованныхмолекул в электронных состояниях, функции распределения по энергетическим уровнямнейтральных и ионизованных атомов от равновесных распределений Максвелла-Больцманастимулирует неравновесное протекание физико-химических процессов.
В НТП образуютсявысокие значения концентраций реакционно-способных молекул, атомов, радикалов, ионов,электронов и т.д., что повышает химическую активность НТП [113–219]. При определенныхусловиях в газовом разряде может происходить фазовый переход [69,85,237–242]. В объёме ина поверхности плазмохимического реактора, образуются частицы, имеющие сложныйхимический состав, в твердой и жидкой фазе, достигающие в размере десятков микрон иобладающиезарядомразногознака.Химическаяактивностьифазовыепереходыобуславливают применение НТП в плазмохимических технологиях, в решении научных иприкладных задач [243–259].Актуальность темыС целью оценки перспектив использования газовых разрядов в плазмохимическихтехнологиях развиваются методы диагностики параметров НТП. Экспериментальные методыделятся на контактные и бесконтактные методы [260–334].
В диагностике НТП предпочтениеотдается бесконтактным оптическим методам [271–334]. В развитии оптических методовдиагностики НТП существуют две основные тенденции [330–332,334]: первая тенденциясостоит в том, что появляются новые и совершенствуются уже имеющиеся методы измеренийпараметров НТП; вторая тенденция заключается в развитии экспериментально-расчетныхметодик, которые основываются на сочетании теоретических моделей НТП с методамидиагностики газовых разрядов. Методики позволяют получать информацию о параметрах НТП,недостижимой экспериментальными и теоретическими методами в отдельности.7Базыданныхизмеренныхирассчитанных:сеченийикоэффициентовскоростей столкновений электроновс частицами НТП;ФРЭЭ и её основных моментов.Вычислительные модули для определения ФРЭЭ исамосогласованного набора сечений столкновенийэлектронов с частицамиНагрев электронов под действием электрического поляКолебательное возбуждениемолекул электронным ударомБазаданныхрасчетныхиизмеренных:концентрацийнейтральныхиионизованных частиц НТП;напряженностиэлектрическогополя,удельноймощности,поглощенной НТП, распределениеэнергии по внутренним степенямсвободычастиц(температурвозбуждения),поступательнойтемпературы и т.д.;сеченийикоэффициентовскоростей столкновений междучастицами НТП.Электронноевозбуждение молекул и атомовэлектронным ударомДиссоциациямолекул электронным ударомВращательноевозбуждение молекулэлектронным ударомУпругие столкновениямолекул и атомов сэлектронамиВозбуждение ридберговскихсостояний молекулэлектронным ударомЭлектрон – электронныестолкновенияИонизациямолекул и атомов электронным ударомВычислительные модули для определения концентрацийвозбужденных частиц, нагрева газа и самосогласованногонабора коэффициентов скоростейГазофазная и гетерогенная кинетика:молекул и их ионов в основном и электронно – возбужденных состояниях с детализацией поколебательным уровням;нейтральных и ионизованных атомов в основном и электронных состоянияхБазаданныхизмеренныхирассчитанных:спектров испускания и КАРС,излучательныххарактеристикчастиц НТППрограммный модуль для идентификации и установленияиерархии столкновительно – излучательных процессовВычислительный модуль для обработки ирасчета спектров КАРСВычислительный модуль для обработки ирасчета спектров испусканияРис.1.
Структура уровневой полуэмпирической СИМ (азотной и водородной) НТП.Широкое распространение в исследованиях НТП получили экспериментально-расчетныеметодики, основанные на сочетании методов лазерной спектроскопии (спектроскопиикогерентного антистоксова рассеяния света (КАРС), рассеяния и поглощения лазерногоизлучениянаночастицамиит.д.),оптическойинтерферометрии(ОИ),эмиссионнойспектроскопии (ЭС) и т.д. [60,271–334].
Они позволяют получать сведения о распределениях поквантовым уровням частиц в основном и электронно-возбужденных состояниях. Дляинтерпретации и обработки результатов оптических измерений используются: моделивысокотемпературной плазмы [335–369] (термического равновесия и локально-термическогоравновесия);модельчастичноголокальноготермическогоравновесия;приближениямноготемпературной кинетики частиц в НТП; уровневые СИМ НТП в нульмерномприближении, из которых, наиболее распространенной, является корональная модель) [330–332,334].
Функция распределения по энергетическим уровням частиц в НТП может не8подчинятьсяраспределениюМаксвеллаБольцмана.-Применениемоделейвысокотемпературной плазмы, а также использование приближения многотемпературнойкинетики для интерпретации и обработки оптических измерений не всегда являетсясправедливым.Вподавляющемчислемоделейгазовыхразрядовнеравновесныестолкновительно-излучательные процессы описываются в терминах суммарных концентрацийчастиц по электронным состояниям (без разрешения по квантовым уровням) [113–219].Механизмыфизико-химическихпроцессов,обуславливающиеобразованиечастицнаквантовых уровнях в пределах одного электронного состояния, могут быть намного сложнее,чем представленные, например, корональной моделью.
Эти механизмы могут различаться припереходе от одного квантового верхнего излучающего уровня частицы к другому в пределахотдельного электронного состояния. Обоснованию выбора молекулярных полос и атомныхлиний для диагностики НТП и механизмов физико-химических процессов, обуславливающихспектральных состав излучения газовых разрядов и формирование распределения энергии повнутренним степеням свободы частиц, не уделяется должного внимания. Построениеуровневых СИМ моделей для оптической диагностики НТП далеко от завершения. Новымнаправлением при разработке экспериментально-расчетных методик является созданиеуровневых полуэмпирических СИМ газовых разрядов для определения компонентного составаи исследований механизмов физико-химических процессов, формирующих неравновесныераспределения энергии по внутренним степеням свободы частиц.
Разработка подобных моделейимеет принципиальное значение, как с точки зрения фундаментальных основ теориинеравновесной плазмохимии, так и с точки зрения её практического использования.Цели и задачи диссертационной работыОсновной целью работы является развитие согласованных математических и уровневыхкинетических моделей для спектроскопической диагностики НТП и их применение висследованияхгазовыхразрядоввазотеиводороде,титаносодержащейлазерно-индуцированной плазмы (ЛИП).
Они являются основными составляющими уровневыхполуэмпирических СИМ газовых разрядов (рис. 1), которые в сочетании с методамиспектроскопии КАРС, ОИ и ЭС, образуют экспериментально-расчетные методики дляопределения параметров НТП. Уровневые СИМ газовых разрядов основываются на ранееразработанныхмеханизмахфизико-химическихпроцессоввазотной,водороднойититаносодержащей НТП. В диссертации для достижения основной цели решены следующиезадачи.1.Разработаны методы спектроскопии КАРС, ОИ, ЭС и согласованные математические иуровневые кинетические модели для исследований азотной, водородной и титаносодержащейНТП.92.Созданы компьютерные программы, составляющие математическую модель НТП.
Онивключают:вычислительные модули для численного моделирования нагрева газа, ФРЭЭ, газофазнойи гетерогенной кинетики частиц (нейтральных и ионизованных молекул и атомов азота иводорода, атомов титана) в основном и электронно-возбужденных состояниях (для молекул сдетализацией по колебательным уровням, для атомов с разрешением по главному квантовомучислу, полному орбитальному, спиновому и угловому моментам);базы данных уровневых и интегральных столкновительно-излучательных характеристикфизико-химических процессов азотной, водородной и титаносодержащей НТП;программный модуль идентификации и установления иерархии физико-химическихпроцессов,которыеобуславливаюткинетикучастицввозбужденныхсостояниях,представляющих интерес для спектроскопической диагностики и приложений азотной иводородной НТП в плазмохимических технологиях;вычислительный модуль для численного моделирования и обработки спектров КАРС ииспускания двухатомных молекул и атомов;базы данных ФРЭЭ и её основных моментов, поступательной температуры, ФРКУмолекул в основном и электронно-возбужденных состояниях, измеренных и рассчитанных вгазовых разрядах в азоте и водороде;базы данных спектров испускания, измеренных в газовых разрядах и послесвечении вазоте, водороде и азотосодержащих смесях.3.Методами спектроскопии КАРС, ОИ, ЭС и численного моделирования исследованымеханизмы физико-химических процессов, обуславливающие нагрев газа и формированиеФРВУ и ФРКУ молекул азота и водорода в основном и электронно-возбужденных состояниях втлеющем разряде постоянного тока (ТРПТ), импульсном тлеющем разряде (ИТР), в ВЧ и СВЧразрядах в азоте, водороде и азотосодержащих смесях.4.Созданы экспериментально-расчетные методики для определения параметров газовыхразрядов-напряженностиэлектрическогополяE,концентрацииэлектроновNe ,поступательной температуры Tg и колебательной температуры первого уровня Tv X 1g молекулы азота в основном состоянии X 1g в ТРПТ и СВЧ разрядах в азоте.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
