Введение к работе
Актуальность темы
Распространение ударной волны сопровождается большим количеством неравновесных процессов, начиная с релаксации поступательных степеней свободы и заканчивая установлением химического и ионизационного равновесия. Взаимодействие различных степеней свободы между собой при этом может приводить к существенным отличиям их распределений по энергиям от равновесных, что ведет к возникновению различных неравновесных эффектов. Известным примером является взаимодействие между колебательными степенями свободы и диссоциацией молекул за сильными ударными волнами, порождающее существенные отклонения от аррениусовской кинетики. Могут также наблюдаться возбуждение излучающих состояний и ионизация в относительно слабых ударных волнах. К примерам такого рода можно отнести наблюдения пиков неравновесного излучения в области фронта ударных волн, распространяющихся в газовых смесях, содержащих малую примесь тяжелых реагирующих молекул. Наиболее ярко такие эффекты наблюдались в смесях, содержащих малые добавки пентакарбонила железа Fe(CO)s [1]. В этой работе обсуждались два возможных механизма данного явления. Первый связывает наблюдаемое излучение с высокоэнергетическими столкновениями в зоне поступательной релаксации во фронте УВ. Второй же предполагает, что излучение возникает в релаксационной зоне ударной волны при быстрой рекомбинации образующихся при распаде карбонилов атомов металла.
Прояснение природы наблюдаемых пиков является актуальной научной задачей, так как регистрируемое излучение в зависимости от реализующегося механизма несёт информацию о вероятностях неадиабатических переходов при высокоэнергетичных столкновениях молекул либо о кинетике экзотермических реакций продуктов распада исходных молекул (в частности, в смесях содержащих Fe(CO)5, это реакции роста малых кластеров при конденсации сильно пересыщенного железного пара). Оба процесса к настоящему времени недостаточно изучены экспериментально и их исследование имеет большое практическое значение - в частности, для решения задач управления воспламенением и детонацией, а также синтеза наноматериалов из газовой фазы.
Следует подчеркнуть, что характерные времена и длины свободного пробега в условиях ударно-трубного эксперимента не позволяют разрешить зону поступательной релаксации ударной волны какой-либо диагностикой и в явном виде разделить явления, обусловленные двумя указанными механизмами. Поэтому окончательное выяснение природы излучения и определение механизмов не-
равновесной ніеріопередачи требует комплексною моделирования возможных неравновесных процессов в релаксационной зоне ударной волны и проведения дополнительных экспериментов, в ходе которых были бы измерены зависимости интенсивности и спектрального распределения возникающего излучения от концентрации реагирующих молекул, общего давления смеси и интенсивности ударной волны.
В ряду летучих металлсодержащих соединений, применяемых в качестве источника парообразного металла, пентакарбонил железа имеет наилучшие характеристики в качестве модельной системы для изучения кинетики конденсации. Fe(CO)s обладает оптимальным давлением насыщенных паров, достаточно стабилен и в то же время легко распадается как при повышении температуры, так и под действием излучения. Отрываемые лиганды - молекулы СО - весьма химически инертны и, как можно ожидать, не влияют после отрыва на процесс конденсации паров железа.
Цель работы
Целью настоящей работы являлось описание механизмов неравновесного излучения и ионизации при распространении ударной волны в инертном газе, содержащем примесь Fe(CO)s. Для этого были решены следующие задачи:
экспериментальное исследование неравновесных эффектов в области фронта ударной волны;
прямое статистическое Монте-Карло моделирование распространения ударной волны в инертном газе, содержащем примесь Fe(CO)5;
кинетическое моделирование процессов распада Fe(CO)5 и формирования железных кластеров в процессе конденсации пересыщенного пара железа за фронтом ударной волны.
Научная новизна работы
В работе впервые:
Получены времяразрешенные спектры неравновесного излучения в области фронта ударной волны, распространяющейся в инертном газе (гелий, аргон), содержащем примесь пентакарбонила железа.
Зарегистрирована ионизация при распространении слабых ударных волн в гелии, содержащем примесь пентакарбонила железа. Получены зависимости концентрации свободных электронов от параметров ударной волны и концентрации Fe(CO)5.
Методом прямого статистического Монте-Карло моделирования распространения ударной волны в гелии, содержащем примесь Fe(CO)5,
получены функции распределения парных столкновений до энергий 3,5-5,5 эВ в области фронта ударной волны. 4. Предложена кинетическая схема и осуществлено численное моделирование процессов образования возбужденных железных кластеров при конденсации пересыщенного железного пара, их ионизации и тушения в соударениях с атомами несущего газа.
Научная и практическая ценность
Описаны механизмы возникновения пиков неравновесного излучения широкого спектра и концентрации свободных электронов при конденсации пересыщенных паров за ударными волнами. Результаты работы могут быть использованы при развитии методов синтеза как собственно железных'наночастиц, так и сложных наноструктур, при формировании которых железные наночастицы выступают в качестве катализатора.
Защищаемые положения
Времяразрешенная спектральная диагностика неравновесного излучения области фронта ударной волны.
Методика измерений концентрации заряженных частиц в ударно-нагретых потоках с помощью калиброванных пристеночных зондов.
Экспериментальные зависимости пиковой интенсивности излучения и концентрации свободных электронов при распространении ударной волны в смесях, содержащих 0,05-2,0% Fe(CO)5 в гелии или аргоне, от параметров ударной волны и ударно-нагретого потока.
Функции неравновесного распределения парных соударений по энергиям во фронте ударной волны в гелии, содержащем примесь Fe(CO)5, полученные путем прямого статистического Монте-Карло моделирования.
Кинетические механизмы образования возбужденных и ионизованных кластеров в процессе конденсации пересыщенного железного пара, образующегося за фронтом ударных волн в инертном газе, содержащем примесь Fe(CO)5.
Заключение о невозможности описания экспериментально наблюдавшихся пиков неравновесного излучения и концентрации свободных электронов при распространении ударной волны в инертном газе, содержащем примесь Fe(CO)5, в рамках модели высокоэнергетичных столкновений во фронте ударной волны и их обусловленности экзотермическими реакциями роста железных кластеров.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы докладывались на следующих общероссийских и международных конференциях:
XXII Международная конференция «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», Эльбрус, 1-6 марта 2007.
3rd International Symposium on Non-equilibrium processes, Plasma, Combustion and Atmospheric Phenomena, Russia, Sochi, 25-29 June 2007.
Всероссийская школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем», Москва, 3-4 декабря 2007.
XXIII Международная конференция «Уравнения состояния вещества», Эльбрус, 1-6 марта 2008.
XIV Симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, 13-17 октября 2008.
Всероссийская школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем», Москва, 2-3 декабря 2008.
XXIV International Conference on Interaction of intense energy fluxes with matter, March 1-6 2009, Elbrus, Kabardino-Balkaria, Russia.
По результатам работы опубликовано 4 статьи в реферируемых научных изданиях и 9 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из четырех глав (в том числе введения), заключения, списка литературы и приложения. Общий объем - '?Сб страниц, в том числе
"Уі рисунков и 1 таблица. Список литературы содержит О наименований.
