ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 5, с. 483-488
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.9
ДИССОЦИАЦИЯ АЗОТА В ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОМ БАРЬЕРНОМ РАЗРЯДЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
© 2013 г. Н. А. Попов
МГУ им. М.В. Ломоносова, НИИ Ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, Москва, Россия
e-mail: npopov@mics.msu.su Поступила в редакцию 08.10.2012 г. Окончательный вариант получен 06.12.2012 г.
Представлены результаты расчетов диссоциации молекул азота в импульсно-периодическом барьерном разряде при атмосферном давлении. Показано, что тушение основных предиссоциирую-щих состояний при этом давлении относительно невелико и использование сечения диссоциации N2 электронным ударом из работы [Cosby // J. Chem. Phys. 1993. V. 98. P. 9544] позволяет адекватно описать наработку атомов в рассматриваемых экспериментальных условиях при атмосферном давлении.
DOI: 10.7868/S0367292113050089
ВВЕДЕНИЕ
В азоте одним из основных каналов консервации энергии неравновесного возбуждения в по-слеразрядный период являются атомы N^8), время рекомбинации которых, как правило, достаточно велико. Следовательно, для анализа процессов в распадающейся азотной плазме необходимо адекватное описание процесса диссоциации N2 на разрядной стадии. В работах [1, 2] энергетическая эффективность наработки ато-
N
марного азота бс определялась на основании измерений удаления молекул N0 в азоте атмосферного давления, возбужденном стримерным коронным разрядом. При этом предполагалось, что каждый атом N^8) удаляет одну молекулу N0 в реакции N^8) + N0 —- N + О. Измеренное в [1]
900—1000 Тд, что существенно сказывается на энергетической эффективности процесса диссоциации В расчетах [4] для диссоциации N при
(Б/Ы)тах = 900—1000 Тд, получена величина « ~ 0 эВ/атом, что согласуется с измерениями [2].
В работе [5] было получено значение бс для удаления N0 в пучковой плазме азота с добавками 100 ррт N0 при Р = 760 Торр. Воздействие электронного пучка сравнимо с воздействием разряда при очень высоких значениях Б/Ы > 1000 Тд. Энергетическая цена диссоциации N в пучковой
значение 6с в стримерном коронном и барьерном разрядах составило 238 эВ/атом. Начальная концентрация N0 достигала 100 ррт, начальная температура газа Т0 = 100°С. Согласно [1] такое
N
значение 6с соответствует расчетной величине поля Б/Ы ~ 150 Тд.
В работе [2] было получено рекордно высокое значение энергетической эффективности удаления молекул N0 в азотной плазме стри-мерного коронного разряда со временем нарастания импульса напряжения порядка 5 нс. Начальная концентрация N0 составляла 200 ррт. Полученное значение энергетической цены при удалении 20% молекул N0 в азоте составило
6^ = 46—48 эВ/молекулу [2]. Следует отметить, что согласно [3] в таком разряде величина Б/Ы в головной части стримера может достигать
плазме составила бс = 40 эВ/атом, что согласуется с результатами измерений [2] и расчетами [4] при высоких значениях Б/Ж
Диссоциация молекул азота через различные электронно-возбужденные состояния рассматривалась в работе [6]. Было показано, что частота предиссоциации триплетных состояний ^(В3^, V > 13) и ^(С3ПН, V = 1—4) составляет примерно 108 с-1 [6] и в разрядах высокого давления эти состояния могут тушиться молекулами азота. При высоких значениях приведенного электрического поля Б/Ы > 100 Тд основным источником атомов азота являются быстро предиссоциирующие (с частотой ~1010 с-1 [6, 7]) синглетные состояния
N1 = ^(ЫП,, с1Пн, о1Пн, е1Пи, Ь12+ , с12+ , е12+ ) с энергией возбуждения, превышающей 12.25 эВ. В этом случае скорость диссоциации
e + N2 (X12+ v)
e + N*
22
e + N( S) + N( S, D, P),
концентрация Ж(48), 1014 см 3 3.0
2.7
2.4 2.1
1.8
1.5 1.2 0.9
о Р = 760 Торр
" "" "" - - 2
о - /
-
1 1 1 11111
0 2 4 6 8 10 12 14
время, мс
Рис. 1. Временная динамика концентрации атомов в послесвечении барьерного разряда в азоте при Р = 760 Торр. Точки — экспериментальные данные [10], кривые — результаты расчета с учетом (1) и без учета (2) гетерогенных процессов.
определяется скоростью возбуждения электронным ударом группы состояний N1, лежащих выше порога 12.25 эВ.
В работе [7] приведены результаты исследования диссоциации молекул азота электронным ударом в диапазоне энергий электронов 18.5— 148.5 эВ. Наблюдаемое в [7] энерговыделение в поступательные степени свободы свидетельствует о преимущественном протекании реакции (1)
по каналу е + ^(Х12+) — е + N(48) + Получены абсолютные значения сечения диссоциации N электронным ударом, которые сравниваются с результатами предшествующих исследований. В частности, результаты измерений [7] лежат ниже данных по сечениям диссоциации, представленных в [9].
Большая часть исследований процесса диссоциации (1) (см. [6—9]) выполнена при относительно низких давлениях, когда отсутствует столкновительное тушение предиссоциирующих электронных состояний N1. В данной работе анализируется возможность использования полученных в [7] сечений для описания диссоциации молекул азота электронным ударом при высоких давлениях.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В работах [10, 11] были проведены измерения концентрации атомов N(48) в азоте атмосферного давления, возбужденном диэлектрическим барьерным разрядом. Разряд зажигался между
плоскими электродами (18 х 22 мм2), покрытыми диэлектриком — оксидом алюминия, межэлектродное расстояние составляло Ь = 2 мм. Величина разрядной мощности определялась на основе измерений динамики напряжения и тока. Концентрации атомов N(48) определялась с использованием метода двухфотонной лазерно-индуцированной флюоресценции (TALIF). Для получения абсолютных значений концентрации проводилась калибровка данных измерений путем сравнения с тестовым TALIF спектром атомов криптона. Минимальная величина измеряемой концентрации составляла [N(<8)^ = 3 х 1013 см-3.
Полученные результаты могут быть использованы для определения энергетической эффективности диссоциации молекул азота N электронным ударом в^'. В условиях [10, 11] основная гибель атомов N(48) происходит в реакции трехчастичной рекомбинации [12]:
N (48) + N (48) + N2
■N1 + N2,
кN = 8.3 х 10-34ехр(500/Т) см6/е
(2)
и в результате гетерогенных процессов. Характерное время гетерогенной гибели атомов V—, определялось формулой [13]
DN
-1
2Ь
(3)
где ^ = 0.29 см2/с [12] — коэффициент диффузии атомов N(48) в азоте при атмосферном давлении, Ь = 0.2 см — размер межэлектродного промежутка, и — тепловая скорость, yN — коэффициент гетерогенной рекомбинации. Предполагалось, что в послеразрядный период коэффициент гетерогенной рекомбинации атомов N(48) на поверхности диэлектрика — оксида алюминия, покрывающего электроды, составляет yN = (3—4) х 10-4 [14]. На разрядной стадии величина yN примерно на порядок выше [15, 16] и в этом случае гетерогенная рекомбинация атомов азота происходит преимущественно в диффузионном режиме.
На рис. 1 приведены результаты расчета динамики концентрации атомов N(48) в послесвечении однородного (не филаментированного) барьерного разряда с параметрами [10, 11] в азоте при Р = 760 Торр и Т0 = 300 К, точки обозначают экспериментальные данные [10]. Как видно, представленные выше реакции адекватно описывают динамику гибели атомов N(48) в рассматриваемых условиях (кривая 1). Далее предполагалось, что эти же процессы определяют гибель атомов азота и на разрядной стадии. Тогда для
энергетическая цена еЫ, эВ/атом
600
500
400 300 200
Ые, см-3 108
2.5 3.0 3.5 4.0 концентрация Ы(48), 1014 см-3
Рис. 2. Зависимость энергетической цены ес процесса диссоциации N2 электронным ударом от стационарной концентрации атомов N(^8) для условий [10]: азот, Р = 760 Тор, мощность разряда Ж = 1.9 Вт/см3. Штриховая прямая соответствует измеренному в [10] значению концентрации [N^8)].
концентрации N^8) может быть записано следующее уравнение:
^^ = Щ - ВД4^]2^- [^ = 0, (4)
[N(4S)] = (9 ± 1) х 1012 см-3.
(5)
107
:
_ 1 Б/Ы \ 1 * 1 * 1 ✓ \ Ч \ ч
| 1 / [ ' / / ■-► / / \
| 1 1 1 1
30 60 90 120 время, мкс
150
Б/N Тд 160
140
120
100 180
где Ж - разрядная мощность, бс - энергетическая цена наработки атомов азота. Это уравнение было использовано для определения зависимости
N
6с от величины стационарной концентрации
атомов N^8). Результаты расчета с использованием уравнения (4) для разряда мощностью Ж = 1.9 Вт/см3 приведены на рис. 2. Согласно расчетным данным для измеренной в работе [10] величины стационарной концентрации атомов
[N^8)] = (3 ± 0.2) х 1014 см-3 значение 6N составляет 337 ± 35 эВ/атом. В этом случае концентрация атомов N^8), нарабатываемых в условиях [10] за время разрядного импульса (т1тр = = 250 мкс), должна составить
Полученные данные использовались для оценки адекватности применения имеющихся в литературе сечений диссоциации N электронным ударом [7, 9] при высоких давлениях газа, когда возможно столкновительное тушение предиссоции-рующих электронно-возбужденных состояний
N2* [6].
Рис. 3. Временная динамика концентрации электронов и приведенного поля Б/Ы в барьерном разряде в азоте для условий [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для расчета диссоциации молекул азота в разряде использовались данные измерений [11] по динамике плотности тока ](1) и напряжения на разрядном промежутке при Ж = 1.9 Вт/см3 и частоте следования импульсов / = 2 кГц. Значение и(1) получено из измерений напряжения на электродах за вычетом падения напряжения на покрывающем электроды диэлектрике. Величина ](1) определялась как разность значений плотности полного измеренного тока и емкостного тока. На рис. 3 представлены расчетные зависимости Б(0 = и{)/Ь и Ы() = ](1)/Уаг(Б/Ы). В рассматриваемых условиях величина радиуса Дебая составляет > 1 мм, что сравнимо с размером межэлектродного промежутка Ь = 2 мм. Поэтому в силу малости величины объемного заряда степень искажения внешнего поля относительно мала и можно использовать формулу Б(1) = И(И)/Ь. Это подтверждается результатами расчетов, выполненных для близких условий в работе [17]. Как видно из рис. 3, в данном разряде имеет место снижение концентрации электронов на временах I > 70 мкс, когда величина Б/Ыпостоянна или даже сле
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.