Помощь студентам в учебе
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КИСЛОРОДА И ВОДОРОДА С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
|
Введение
1. Модели взаимодействия газ-твердое тело с возбуждением ГХЛ 20
1.1 Механизм ГХЛ на поверхности твердых тел 20
1.2 Кинетическая модель адсорбции и рекомбинации атомов на поверхности 29
1.3 Метод определения параметров из кинетических кривых 31
2. Метод определение параметров процессов возбуждения РРЛо при участии нейтральной и заряженной форм адсорбции в гетерогенных системах
газ-твердое тело 32
2.1 Экспериментальные результаты. Кислород 33
2.2 Математическое моделирование и определение параметров для
кинетических кривых 34
2.3 Расчет параметров химических реакций 39
2.4 Изучение темновых пауз - «выключение» атомов над образцом Aj= - j . 42
2.5 Результаты моделирования кинетической кривой интенсивности люминесценции CaO:Bi и Zn2SiO4:Mn, возбуждаемой атомарным
кислородом 44
3. Люминесценция ZnS-Tm в атомарном водороде 47
3.1 Экспериментальные и теоретические результаты 47
3.2 Модель возбуждения ГХЛ с участием нейтральных форм адсорбции.... 50
3.3 Модель механизма рекомбинации атомов водорода при участии
колебательно-возбужденных молекул 53
3.4 Нестационарные люминесцентные методы определения элементарных стадий и констант гетерогенных химических реакций 59
4. Экспериментальная установка исследовании химической реакции на
поверхности твердых тел по методам люминесценции 64
4.1 Вакуумная система: 67
4.2 Системы нагрева и контроля температуры образцов: 67
4.3 ВЧ генератор для возбуждения плазмы: 69
4.4 Источник молекулярного кислорода и водорода: 69
4.5 Системы регистрации интенсивности свечении: 70
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсоснабжение 72
5.1 Планирование управления научно-техническим проектом 72
5.2 Бюджет научного исследования 74
5.3 Бюджет научного исследования 75
5.3.1 Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты 75
5.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 77
5.3.3 Основная заработная плата 77
5.3.4 Дополнительная заработная плата 79
5.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 79
5.3.6 Накладные расходы 80
5.4 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 80
6. Социальная ответственность 86
6.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды 86
6.2 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой производственной
среды 92
6.2.1 Электробезопасность 92
6.2.2 Пожаровзрывобезопасность 93
6.3 Охрана окружающей среды 96
6.4 Защита в чрезвычайных ситуациях 96
6.5 Правовые вопросы обеспечения безопасности 98
ВЫВОДЫ 98
Литература 100
Приложение A 104
1. Модели взаимодействия газ-твердое тело с возбуждением ГХЛ 20
1.1 Механизм ГХЛ на поверхности твердых тел 20
1.2 Кинетическая модель адсорбции и рекомбинации атомов на поверхности 29
1.3 Метод определения параметров из кинетических кривых 31
2. Метод определение параметров процессов возбуждения РРЛо при участии нейтральной и заряженной форм адсорбции в гетерогенных системах
газ-твердое тело 32
2.1 Экспериментальные результаты. Кислород 33
2.2 Математическое моделирование и определение параметров для
кинетических кривых 34
2.3 Расчет параметров химических реакций 39
2.4 Изучение темновых пауз - «выключение» атомов над образцом Aj= - j . 42
2.5 Результаты моделирования кинетической кривой интенсивности люминесценции CaO:Bi и Zn2SiO4:Mn, возбуждаемой атомарным
кислородом 44
3. Люминесценция ZnS-Tm в атомарном водороде 47
3.1 Экспериментальные и теоретические результаты 47
3.2 Модель возбуждения ГХЛ с участием нейтральных форм адсорбции.... 50
3.3 Модель механизма рекомбинации атомов водорода при участии
колебательно-возбужденных молекул 53
3.4 Нестационарные люминесцентные методы определения элементарных стадий и констант гетерогенных химических реакций 59
4. Экспериментальная установка исследовании химической реакции на
поверхности твердых тел по методам люминесценции 64
4.1 Вакуумная система: 67
4.2 Системы нагрева и контроля температуры образцов: 67
4.3 ВЧ генератор для возбуждения плазмы: 69
4.4 Источник молекулярного кислорода и водорода: 69
4.5 Системы регистрации интенсивности свечении: 70
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсоснабжение 72
5.1 Планирование управления научно-техническим проектом 72
5.2 Бюджет научного исследования 74
5.3 Бюджет научного исследования 75
5.3.1 Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты 75
5.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 77
5.3.3 Основная заработная плата 77
5.3.4 Дополнительная заработная плата 79
5.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 79
5.3.6 Накладные расходы 80
5.4 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 80
6. Социальная ответственность 86
6.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды 86
6.2 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой производственной
среды 92
6.2.1 Электробезопасность 92
6.2.2 Пожаровзрывобезопасность 93
6.3 Охрана окружающей среды 96
6.4 Защита в чрезвычайных ситуациях 96
6.5 Правовые вопросы обеспечения безопасности 98
ВЫВОДЫ 98
Литература 100
Приложение A 104
Успехи на каждом этапе развития науки о поверхности отражали появление новых методов изучения поверхности, адсорбатов, границ раздела.
Благодаря тому, что гетерогенные хемилюминесцентные (ГХЛ) реакции обладают селективностью и высокой чувствительностью к типу поверхности и сорту возбуждающего газа использование оптических методов для изучения неравновесных систем газ-твердое тело, открывает новые аналитические возможности в физике поверхности, химии, плазмохимии, технологии полупроводников и люминофоров, в решение экологических проблем. Кроме того, в явлении гетерогенной хемилюминесценции - процессе высокоэнергетической электронной аккомодации твердым телом энергии гетерогенных химических реакций, протекающих на его поверхности, переносе этой энергии к центрам свечения твердого тела или локализация её непосредственно в адсорбционном комплексе с последующей излучательной релаксацией заложены разнообразные возможности осуществления экспресс-методов анализа [1].
Уникальные возможности открывает явление ГХЛ для изучения механизмов атомно-молекулярных взаимодействий на поверхности твердых тел и эффектов, связанных с возбуждением твердых тел атомными частицами сверхнизких энергий.
Основой данных эффектов служит процесс высокоэнергетической аккомодации в неравновесных гетерогенных системах газ-твердое тело. В
случае высокоэнергетической аккомодации передача твердому телу энергии адсорбции и рекомбинации атомных частиц осуществляется при участии энергоемких электронных и ионных состояний кристалла. Аккомодация высокоэнергетична в масштабе энергии фононов твердого тела и локальных колебаний внутримолекулярных и адсорбционных связей.
Наряду с механизмами одноквантовой колебательно-фононной, колебательно-электронной и колебательно-колебательной релаксации возбужденных состояний на поверхности твердого тела, твердое тело может захватить значительную часть энергии в процессах адсорбции, рекомбинации и иных химических превращений на поверхности в многоквантовых колебательно-электронных переходах [2].
Люминесцентные свойства кристаллов до сих пор являются предметом многочисленных исследований [3]. Особые физические и химические свойства поверхности твердых тел постоянно привлекают к себе внимание многих разделов физики, химии, физики поверхности и других наук. На стыке различных научных подходов и целей в изучение поверхности зарождаются новые научные направления и связанные с ними научные и технические приложения для изучения особых свойств, явлений и процессов, происходящих на поверхности [4]. В настоящее время люминесценция широко применяется для анализа физико-химических свойств веществ. Она является основой кристаллографических и масс-спектральных исследований, а также метода лазерной спектроскопии комбинационного рассеяния света [5].
Направлениями технических применений исследования процессов протекающих на поверхности являются:
1. Создание материалов для микроэлектроники.
2. Технические устройства для хранения водорода в водородной энергетике.
3. Разработка материалов для устройств в области ядерного и термоядерного синтеза.
4. Индустриальная каталитическая химия.
Целью магистерской диссертации является исследование процессов в гетерогенных системах газ-твердое тело и определение параметров этого взаимодействия (сечения, энергии активации, энергии связи, эффективность энергообмена) на основе регистрации характеристик гетерогенной хемилюминесценции. А также разработка нестационарных методов определения параметров взаимодействия газ-твердое тело с использованием явления ГХЛ.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
- проанализировать литературные данные в области исследований гетерогенной хемилюминесценции;
- подготовить к измерениям экспериментальную установку;
- осуществить измерение интенсивности свечении процессов взаимодействия атомов и молекул водорода (кислорода) тепловой энергии с поверхностью твердых тел и определить параметры люминесценции, возбуждаемой в ходе данного взаимодействия;
- разработать кинетическую модель данных процессов и микроскопический
механизма возбуждения свечения;
- развить нестационарные методы определения параметров взаимодействия газ-твердое тело при ступенчатом изменении плотности потока атомов и температуры образца;
- анализ, моделирование и аналитическая аппроксимация экспериментальных результатов.
Благодаря тому, что гетерогенные хемилюминесцентные (ГХЛ) реакции обладают селективностью и высокой чувствительностью к типу поверхности и сорту возбуждающего газа использование оптических методов для изучения неравновесных систем газ-твердое тело, открывает новые аналитические возможности в физике поверхности, химии, плазмохимии, технологии полупроводников и люминофоров, в решение экологических проблем. Кроме того, в явлении гетерогенной хемилюминесценции - процессе высокоэнергетической электронной аккомодации твердым телом энергии гетерогенных химических реакций, протекающих на его поверхности, переносе этой энергии к центрам свечения твердого тела или локализация её непосредственно в адсорбционном комплексе с последующей излучательной релаксацией заложены разнообразные возможности осуществления экспресс-методов анализа [1].
Уникальные возможности открывает явление ГХЛ для изучения механизмов атомно-молекулярных взаимодействий на поверхности твердых тел и эффектов, связанных с возбуждением твердых тел атомными частицами сверхнизких энергий.
Основой данных эффектов служит процесс высокоэнергетической аккомодации в неравновесных гетерогенных системах газ-твердое тело. В
случае высокоэнергетической аккомодации передача твердому телу энергии адсорбции и рекомбинации атомных частиц осуществляется при участии энергоемких электронных и ионных состояний кристалла. Аккомодация высокоэнергетична в масштабе энергии фононов твердого тела и локальных колебаний внутримолекулярных и адсорбционных связей.
Наряду с механизмами одноквантовой колебательно-фононной, колебательно-электронной и колебательно-колебательной релаксации возбужденных состояний на поверхности твердого тела, твердое тело может захватить значительную часть энергии в процессах адсорбции, рекомбинации и иных химических превращений на поверхности в многоквантовых колебательно-электронных переходах [2].
Люминесцентные свойства кристаллов до сих пор являются предметом многочисленных исследований [3]. Особые физические и химические свойства поверхности твердых тел постоянно привлекают к себе внимание многих разделов физики, химии, физики поверхности и других наук. На стыке различных научных подходов и целей в изучение поверхности зарождаются новые научные направления и связанные с ними научные и технические приложения для изучения особых свойств, явлений и процессов, происходящих на поверхности [4]. В настоящее время люминесценция широко применяется для анализа физико-химических свойств веществ. Она является основой кристаллографических и масс-спектральных исследований, а также метода лазерной спектроскопии комбинационного рассеяния света [5].
Направлениями технических применений исследования процессов протекающих на поверхности являются:
1. Создание материалов для микроэлектроники.
2. Технические устройства для хранения водорода в водородной энергетике.
3. Разработка материалов для устройств в области ядерного и термоядерного синтеза.
4. Индустриальная каталитическая химия.
Целью магистерской диссертации является исследование процессов в гетерогенных системах газ-твердое тело и определение параметров этого взаимодействия (сечения, энергии активации, энергии связи, эффективность энергообмена) на основе регистрации характеристик гетерогенной хемилюминесценции. А также разработка нестационарных методов определения параметров взаимодействия газ-твердое тело с использованием явления ГХЛ.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
- проанализировать литературные данные в области исследований гетерогенной хемилюминесценции;
- подготовить к измерениям экспериментальную установку;
- осуществить измерение интенсивности свечении процессов взаимодействия атомов и молекул водорода (кислорода) тепловой энергии с поверхностью твердых тел и определить параметры люминесценции, возбуждаемой в ходе данного взаимодействия;
- разработать кинетическую модель данных процессов и микроскопический
механизма возбуждения свечения;
- развить нестационарные методы определения параметров взаимодействия газ-твердое тело при ступенчатом изменении плотности потока атомов и температуры образца;
- анализ, моделирование и аналитическая аппроксимация экспериментальных результатов.
Исследована люминесценция при напуске атомно-молекулярной смеси О+О2 на поверхность образцов (CaO:Bi, Zn2SiO4:Mn) и Н+Н2 на поверхность люминофора ZnS-Tm.
Разработана программа для определения параметров взаимодействия газ-поверхность с использованием численных решений кинетических уравнений для интенсивности хемилюминесценции с экспериментальными данными.
В ходе выполнения работы достигнуты следующие результаты:
1. Изучена люминесценция кристаллофосфоров CaO-Bi3+, Zn2SiO4-Mn2+, 7п8-Тш3+возбуждаемая атомарным кислородом и водородом (ГХЛО,Н) с использованием кинетических и нестационарных люминесцентных методов.
2. Показано, что ГХЛ кислорода возбуждается в основном за счёт энергии ударной рекомбинации свободных атомов с адсорбированными атомами и ионами кислорода O+O-L^O2-L и O+O--L^O-2-L, а ГХЛн возбуждается в основном за счёт энергии ударной рекомбинации свободных атомов Н с адсорбированными атомами водорода H+H-L^H2-L. Вместе с тем выделена и изучена РРЛО,Н, возбуждаемая в ходе диффузионной рекомбинации адсорбированных атомов кислорода и водорода O-L+O-L^O2-L+L, H-L+H-L^H2-L+L.
3. Методом ГХЛОН определены константы скорости адсорбции и ударной рекомбинации атомов О, Н , скорости десорбции молекул О2, H2, теплоты десорбции атомов кислорода с поверхности виллемита , оксида кальция и сульфида цинка.
4. С использованием нестационарных люминесцентных методов получена скорость рекомбинации адсорбированных атомов по механизму Лэнгмюра -Хиншелвуда.
Разработана программа для определения параметров взаимодействия газ-поверхность с использованием численных решений кинетических уравнений для интенсивности хемилюминесценции с экспериментальными данными.
В ходе выполнения работы достигнуты следующие результаты:
1. Изучена люминесценция кристаллофосфоров CaO-Bi3+, Zn2SiO4-Mn2+, 7п8-Тш3+возбуждаемая атомарным кислородом и водородом (ГХЛО,Н) с использованием кинетических и нестационарных люминесцентных методов.
2. Показано, что ГХЛ кислорода возбуждается в основном за счёт энергии ударной рекомбинации свободных атомов с адсорбированными атомами и ионами кислорода O+O-L^O2-L и O+O--L^O-2-L, а ГХЛн возбуждается в основном за счёт энергии ударной рекомбинации свободных атомов Н с адсорбированными атомами водорода H+H-L^H2-L. Вместе с тем выделена и изучена РРЛО,Н, возбуждаемая в ходе диффузионной рекомбинации адсорбированных атомов кислорода и водорода O-L+O-L^O2-L+L, H-L+H-L^H2-L+L.
3. Методом ГХЛОН определены константы скорости адсорбции и ударной рекомбинации атомов О, Н , скорости десорбции молекул О2, H2, теплоты десорбции атомов кислорода с поверхности виллемита , оксида кальция и сульфида цинка.
4. С использованием нестационарных люминесцентных методов получена скорость рекомбинации адсорбированных атомов по механизму Лэнгмюра -Хиншелвуда.