Введение к работе
!гі..-/і!нОЇйКА
-*-; Актуальность теш.
. Изучение кинетики нэупругих процессов в плазме молекулярных газов"азота, кислорода и их смесей, в том числе воздуха, представляет значительный интерес в связи с многочисленными практиче- сними приложениями такой плазмы в плазмохимии, физике газовых лазеров, гомогенной и гетерогенной химии атмосферы и во многих других областях науки и техники. В последние десятилетия достигнуты значительные успехи в разработке данного направления.. Несмотря на это, отдельные вопросы, связанще, в частности, с процессами возбуждения и гибели частиц в рассматриваемой плазме, остаются невыясненными.
Сложность изучения низкотемпературной молекулярной плазмы газового разряда при пониженных давлениях обусловлена, прежде всего, отсутствием в ней термодинамического равновесия. Распределения возбужденных частиц по энергетическим уровням (ФР) в этих условиях, как правило, отличаются от равновесных. Данное обстоятельство сильно осложняет теоретические расчеты параметров плазмы и вызывает необходимость эмпирического определения ФР в каждом конкретном случае. Поэтому важной задачей является изучение физико-химических процессов, формирующих неравновесные ФР возбужденных частиц по энергетическим уровням в плазмо. Знание механизмов формирования ФР также необходимо для обоснования большинства имеющихся спектроскопических методов диагностики неравновесной плазмы.
В молекулярной плазме при пониженных давлениях существенную роль играют процессы обмена энергией при взаимодействии возбужденных частиц с поверхностью твердых тел, контактирующей с плазмой. Ввиду сложности и многообразия реакций, протекающих в пограничных слоях и на поверхности твердих тел различной физико-химической природы, данные процессы исследованы еще не в достаточной мере. Разработка указанной проблемы имеет важное практическое значение в гетерогенном катализе, микроэлектронике, при изготовлении теплозащиты летательных аппаратов, при оптимизации устройств прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и во многих других областях.
Среди множества элементарных процессов, протекающих в азот-и кислородсодержащей плазме с участием возбужденных частиц, важную роль, с точки зрения рассмотренных выше проблем, играют ре-
ч3), o('D, 's, JP)
Цель настоящей работы заключалась в детальном экспериментальном изучении мехаїшзмов формирования неравновесной функции распределения по вращательным уровням молекул к2(о3П ), используемых для спектроскопической диагностики азотсодержащей плазмы, а также исследовании гетерогенных реакций дезактивации мета-стабйлышх молекул ог(ь12^) и рекомбинации атомов 0(ЭР), которые вносят существенный вклад в баланс обмена энергией между кислородсодержащей плазмой и поверхностью, граничащей с ней.
Научная новизна. Впервые получен ряд. результатов, расширяющих и углубляющих существующие знания о механизмах формирования неравновесной ФР возбужденных молекул N2(G3HU) по вращательным уровням, а также изучены, гетерогенные реакции дезактивации молекул ог(Ь15І) и рекомбинации атомов 0() на поверхности молибденового'стекла:
на основании полученных экспериментальных и обобщенных литературных данных выяснены причины возмущений, наблюдаемых во вращательной структуре 1, 2 и Э колебательных уровней электронного состояния сРп молекул 1*w2 и 1-*N2. Показано, что возмущения вращательных компонент 1-го колебательного уровня, вероятнее всего,- возникают в результате взаимодействия электронных состояний С3П,Л и w1Au молекулы азота. Возмущения вращательных компонент 2-го и 3-го колебательных уровней могут быть вызваны взаимодействием состояний о-'Пц и б Пц молекулы и2. Значительное уменьшение заселенности возмущенных вращательных компонент, наблюдаемое в экспериментах, происходит вследствие безизлучателышх внут-' римолекулярных переходов с возмущенных уровней СОСТОЯНИЯ (ГДу через промежуточное состояние о"5ГІ в диссоциированное состояние 72* азота; .
в кислородсодержащей разрядной плазме, а также вне плазмы измерены коэффициент рекомбинации j и соответствующая 'константа
з скорости гетерогенной реакции гибели свободных атомов й(-т) на
поверхности молибденового стекла;
обнаружен эффект зависимости скорости гибели атомов кислорода 0() на поверхности молибденового стекла от концентрации подвижных ионов натрия в стекла ведаїзм эго поверхности;
предложен механизм тепловой неустойчивости, связанной с влиянием плазмы на скорость гетерогенной гибели атомов 0(3Р);
установлено, что в реакции дезактивации свободных мета-стабильных молекул кислорода о2(ь12+) на поверхности молибденового стекла и шгрекса принимают участие молекулы кислорода, сорбированные на поверхности;
предложен возможный механизм гетерогенной дезактивации молекул 02(Ь12+) и проведены оценки констант скоростей элементарных стадий данного процесса.
Практическая ценность работа. Полученные в данной работе результаты могут быть использованы:
при проведении оптической и контактной диагностики температуры газа в азот- и кислородсодержащей плазме;
для расчетов скоростей неупругих процессов в неравновесной молекулярной плазме при разработке и оптимизации конструкций различных технических устройств;
для разработки новых подходов к решению проблемы создания поверхностей с регулируемой каталитической активностью;
- для дальнейшего развития теоретических представлений о
механизмах гетерогенной рекомбинации атомов и дезактивации элек
тронно-возбужденных молекул на поверхностях твердых тел.
На защиту выносятся:
- анализ возмущений вращательных уровней электронного сос
тояния c3nu(v=o-3) молекул 1%>'и 15w2 и их интерпретация, со
гласно которой возмущения вращательных уровней o3I^(v=i) возника
ют в результате взаимодействия состояний dJHn и w1^ азота, а
случайная предиссоциация вращательных уровней c3nu(v=2-3) может
быть связана с взаимодействием электронных состояний O^IL и с"^П
азота;
экспериментальные значения коэффициента рекомбинации. 7 атомов кислорода 0() на поверхности молибденового стекла и величина соответствующей константы скорости, измеренные в диапазо- , не температур 300<Т<560 К в кислородной плазме и вне плазмы;
возможный, механизм влияния плазмы на величину коэффициента рекомбинации 7W, заключающийся в изменении каталитических-своЯств поверхности стекла вследствие увеличения концентрации подвижных ионов натрия в стекле волизи его поверхности под действием направленной диффузии ионов в электрическом поле на границе плазма-поверхность;
механизм тепловой неустойчивости, связанной с влиянием плазмы на скорость гетерогенной гибели атомов 0(-Р);
практические рекомендации по методике проведения термопарных измерений газовой температуры в кислородсодержащей плазме;
- возможный механизм дезактивации метастаоилышх молекул
о2(Ь1Й) на поверхности стекла, основными элементарными стадиями
которого являются реакция обмена энергией мевду свободными и
сорбированными молекулами кислорода, а также реакций дезактивации
возбужденных свободных и сорбированных молекул кислорода о
передачей электронной энергии стенке.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались на XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев,1988); XIX Международной конференции по явлениям в ионизировашшх газах (Белград,19S9)s X Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов tОрлеан,1990); Научной сессии Совета АН СССР по проблеме "Физика низкотемпературной плазмы" (Ленинград,1990); Всесоюзном семинаре "Проблемы преобразования энергии и рационального использования органического топлива в энергетике" (Киев, 1990) и опубликованы в ю печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 153 страницы, 48 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы составляет 18Э наименования.
