АПОКАМПИЧЕСКИЙ РАЗРЯД АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ВОЗДУХЕ КАК ИСТОЧНИК ОКИСЛОВ АЗОТА
|
Реферат 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 9
1.1. Газовые разряды 9
1.1.1. Тлеющий разряд 14
1.1.2. Дуговой разряд 16
1.1.3. Искровой разряд 17
1.1.4. Коронный разряд 19
1.1.5. Барьерный разряд 21
1.1.6. Примеры использования газовых разрядов 22
1.2. Классификация плазменных струй 24
1.3. Апокампический разряд 29
1.3.1. Описание апокампического разряда 29
1.3.2. Спектральные характеристики апокампического разряда 34
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 37
2.1. Определение состава продуктов распада плазмы импульсно-периодического
высоковольтного разряда 37
2.1.1. Экспериментальная установка 38
2.1.2. Анализ и обсуждение результатов 40
2.2. Исследование импульсно-периодического разряда при переходе к апокампическому 47
2.2.1. Экспериментальная методика 48
2.2.2. Результаты 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 59
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 63
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 9
1.1. Газовые разряды 9
1.1.1. Тлеющий разряд 14
1.1.2. Дуговой разряд 16
1.1.3. Искровой разряд 17
1.1.4. Коронный разряд 19
1.1.5. Барьерный разряд 21
1.1.6. Примеры использования газовых разрядов 22
1.2. Классификация плазменных струй 24
1.3. Апокампический разряд 29
1.3.1. Описание апокампического разряда 29
1.3.2. Спектральные характеристики апокампического разряда 34
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 37
2.1. Определение состава продуктов распада плазмы импульсно-периодического
высоковольтного разряда 37
2.1.1. Экспериментальная установка 38
2.1.2. Анализ и обсуждение результатов 40
2.2. Исследование импульсно-периодического разряда при переходе к апокампическому 47
2.2.1. Экспериментальная методика 48
2.2.2. Результаты 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 59
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 63
На сегодняшний день огромный интерес для научного мира представляет низкотемпературная плазма (НТП) атмосферного давления. На её основе разработано множество технических устройств и технологических процессов [1-4]. Также к ней привлекают внимание перспективы применения в медицине [5], микробиологии, создание устройств для инактивации биосистем и обеспечения полезного действия на материалы (очистка поверхности, травление, осаждение тонких плёнок и т. д.).
К настоящему времени известно большое количество различных типов разрядов и устройств на основе НТП. Изменения газовой среды (состав, давление газов, наличие примесей и т. д.) и условий возбуждения (различные параметры импульсов напряжения и тока, геометрия электродов, материал, из которого они изготовлены, и пр.) позволяют изменять форму разряда и его характеристики [6].
Возбуждение газа тлеющим, коронным или барьерным разрядом создает неравновесную плазму со средней температурой газа от 20 до 400 °C и плотностью заряженных частиц, типичной для слабоионизованных газов (не выше 1011 - 1012см-1), и концентрацией активных частиц до 100 ppm [7].
Однако получение неравновесной плазмы в виде струи с высокой энергией электронов является сравнительно сложной задачей для газов высокого давления [8].
Все сложности удалось преодолеть, когда были созданы так называемые источники плазменных струй атмосферного давления (ПСАД).
Плазменная струя (плазменный поток) — газовый разряд (тлеющий, дуговой, радиочастотный, барьерный и т. д.), который образуется между негерметичными электродами и проецируется вне расположения электродов в окружающую среду через узкое сопло (круглое или щелевое по сечению) за счет создания в зоне разряда избыточного давления, превышающего атмосферное.
Развитие источников плазменных струй атмосферного давления имеет долгую историю (более 50 лет). В течение этого времени были разработаны конструкция и механизм генерации плазмы, а также адаптированы к различным областям применения. Одним из первых в 1957 г. Габриэль Гианини предложил концепцию использования высокотемпературных источников плазмы. В последующие 5
десятилетия проводились фундаментальные исследования этих явлений [1-4].
Сегодня тематика, связанная с газоразрядной плазмой, успешно развивается по многим направлениях.
При изучении условий формирования плазменных струй при нормальных условиях в воздухе и азоте при возбуждении импульсами высокого напряжения микросекундной длительности, было обнаружено [9], что при импульсно¬периодическом разряде на месте изгиба токового канала формируется протяженная диффузная струя. Явление было названо апокампическим разрядом, а диффузная струя апокампом (от греч. “ал'о” - “от” и “кацлт]” - “изгиб, поворот”), т.е. струя, которая формируется на изгибе. Характерной особенностью данного разряда является то, что для формирования плазменной струи не требуется принудительная прокачка газа через разрядный промежуток.
При открытии нового явления необходимо иметь полное представление о составе, его параметрах, способов влияния. В данном случае это полное или частичное определение параметров плазмы и их значений, которые описывают и характеризуют ее состояние, а также определяет область использования в науке и прикладных задач.
Для этого необходимо иметь представление о всех процессах, происходящих при взаимодействии газоразрядной плазмы и плазменной струи с веществом, знать не только состав плазмы, образующейся при горении разряда в потоке газа, но и происходящие в ней плазмохимические реакции.
Известно, что импульсные разряды в воздухе атмосферного давления служат источниками окислов азота [10], но в каждом конкретном случае необходимо проводить паспортизацию источника, чтобы понять, насколько он соответствует той или иной задаче.
Импульсно-периодический потенциальный разряд, в зависимости от рассеиваемой в нём энергии может служить источником озона или, напротив, преимущественно окислов азота. Каждый из этих режимов обеспечивается своим типом разряда [И]. В [12] показано, что существует критическая величина рассеиваемой в разряде энергии, при которой диффузный разряд переходит в апокампический. Одновременно с этим, за счёт термохимических реакций, в плазме разряда начинается эффективное образование окислов азота.
Также в статье [13] было показано, что для построения физической модели формирования апокампа необходимо учитывать наличие локального перегрева газа в месте изгиба токового канала.
Таким образом, нагрев газа при импульсно-периодическом разряде и как следствие образование окислов азота являются ключевыми факторами для объяснения механизма формирования апокампа.
Цель настоящей работы установить условия формирования окислов азота в высоковольтном потенциальном разряде.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Провести обзор результатов исследований плазменных струй атмосферного давления для установления их свойств полезных для решения научных и прикладных задач.
2. Создать экспериментальную установку для получения апокампического разряда, адаптированную для выявления и измерения концентрации продуктов распада плазмы разряда.
3. Провести сравнительные исследования содержания продуктов распада плазмы высоковольтных потенциальных разрядов (коронный, искровой, апокампический).
Методы исследования:
Решение поставленных задач осуществлялось на основе лабораторных экспериментов. В исследованиях применялись пирометрические и спектральные методы с использованием современных измерительных приборов.
Научное положение, выносимое на защиту:
Апокампический разряд в воздухе при атмосферном давлении при прогревании газовой среды в области разрядного канала выше 800 °C становится источником окислов азота, причем молекулы NO2 преобладают среди продуктов распада плазмы.
Достоверность:
Достоверность научного положения подтверждается:
- согласием оценки температуры канала в нашем случае с оценкой сверху величины температуры самой горячей зоны канала, выполненной в [14];
- тем, что температуру кончика плазменной струи (а это самая холодная зона в разряде), измеряли напрямую с помощью ТКХ-термопары, точность измерений
которой в диапазоне до 150 °C составляет ±0.5 °C.
- тем, что хотя фотоаппарат фиксирует видимую часть спектра, мы проводили профилирование интенсивности излучения в условиях, когда вклад люминесценции в общий лучистый поток в этой части спектра был примерно в 10 раз меньше, чем вклад теплового излучения.
Научная ценность:
1. Образование окислов азота в воздухе при атмосферном давлении служит маркером перехода импульсно-периодического потенциального и высоковольтного разряда к апокампическому разряду.
2. Предложен критерий применимости процедуры построения профилей интенсивностей для оценки разогрева канала разряда
Научная новизна:
1. Спектральными методами установлен состав продуктов термохимических реакций в апокампическом разряде.
К настоящему времени известно большое количество различных типов разрядов и устройств на основе НТП. Изменения газовой среды (состав, давление газов, наличие примесей и т. д.) и условий возбуждения (различные параметры импульсов напряжения и тока, геометрия электродов, материал, из которого они изготовлены, и пр.) позволяют изменять форму разряда и его характеристики [6].
Возбуждение газа тлеющим, коронным или барьерным разрядом создает неравновесную плазму со средней температурой газа от 20 до 400 °C и плотностью заряженных частиц, типичной для слабоионизованных газов (не выше 1011 - 1012см-1), и концентрацией активных частиц до 100 ppm [7].
Однако получение неравновесной плазмы в виде струи с высокой энергией электронов является сравнительно сложной задачей для газов высокого давления [8].
Все сложности удалось преодолеть, когда были созданы так называемые источники плазменных струй атмосферного давления (ПСАД).
Плазменная струя (плазменный поток) — газовый разряд (тлеющий, дуговой, радиочастотный, барьерный и т. д.), который образуется между негерметичными электродами и проецируется вне расположения электродов в окружающую среду через узкое сопло (круглое или щелевое по сечению) за счет создания в зоне разряда избыточного давления, превышающего атмосферное.
Развитие источников плазменных струй атмосферного давления имеет долгую историю (более 50 лет). В течение этого времени были разработаны конструкция и механизм генерации плазмы, а также адаптированы к различным областям применения. Одним из первых в 1957 г. Габриэль Гианини предложил концепцию использования высокотемпературных источников плазмы. В последующие 5
десятилетия проводились фундаментальные исследования этих явлений [1-4].
Сегодня тематика, связанная с газоразрядной плазмой, успешно развивается по многим направлениях.
При изучении условий формирования плазменных струй при нормальных условиях в воздухе и азоте при возбуждении импульсами высокого напряжения микросекундной длительности, было обнаружено [9], что при импульсно¬периодическом разряде на месте изгиба токового канала формируется протяженная диффузная струя. Явление было названо апокампическим разрядом, а диффузная струя апокампом (от греч. “ал'о” - “от” и “кацлт]” - “изгиб, поворот”), т.е. струя, которая формируется на изгибе. Характерной особенностью данного разряда является то, что для формирования плазменной струи не требуется принудительная прокачка газа через разрядный промежуток.
При открытии нового явления необходимо иметь полное представление о составе, его параметрах, способов влияния. В данном случае это полное или частичное определение параметров плазмы и их значений, которые описывают и характеризуют ее состояние, а также определяет область использования в науке и прикладных задач.
Для этого необходимо иметь представление о всех процессах, происходящих при взаимодействии газоразрядной плазмы и плазменной струи с веществом, знать не только состав плазмы, образующейся при горении разряда в потоке газа, но и происходящие в ней плазмохимические реакции.
Известно, что импульсные разряды в воздухе атмосферного давления служат источниками окислов азота [10], но в каждом конкретном случае необходимо проводить паспортизацию источника, чтобы понять, насколько он соответствует той или иной задаче.
Импульсно-периодический потенциальный разряд, в зависимости от рассеиваемой в нём энергии может служить источником озона или, напротив, преимущественно окислов азота. Каждый из этих режимов обеспечивается своим типом разряда [И]. В [12] показано, что существует критическая величина рассеиваемой в разряде энергии, при которой диффузный разряд переходит в апокампический. Одновременно с этим, за счёт термохимических реакций, в плазме разряда начинается эффективное образование окислов азота.
Также в статье [13] было показано, что для построения физической модели формирования апокампа необходимо учитывать наличие локального перегрева газа в месте изгиба токового канала.
Таким образом, нагрев газа при импульсно-периодическом разряде и как следствие образование окислов азота являются ключевыми факторами для объяснения механизма формирования апокампа.
Цель настоящей работы установить условия формирования окислов азота в высоковольтном потенциальном разряде.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Провести обзор результатов исследований плазменных струй атмосферного давления для установления их свойств полезных для решения научных и прикладных задач.
2. Создать экспериментальную установку для получения апокампического разряда, адаптированную для выявления и измерения концентрации продуктов распада плазмы разряда.
3. Провести сравнительные исследования содержания продуктов распада плазмы высоковольтных потенциальных разрядов (коронный, искровой, апокампический).
Методы исследования:
Решение поставленных задач осуществлялось на основе лабораторных экспериментов. В исследованиях применялись пирометрические и спектральные методы с использованием современных измерительных приборов.
Научное положение, выносимое на защиту:
Апокампический разряд в воздухе при атмосферном давлении при прогревании газовой среды в области разрядного канала выше 800 °C становится источником окислов азота, причем молекулы NO2 преобладают среди продуктов распада плазмы.
Достоверность:
Достоверность научного положения подтверждается:
- согласием оценки температуры канала в нашем случае с оценкой сверху величины температуры самой горячей зоны канала, выполненной в [14];
- тем, что температуру кончика плазменной струи (а это самая холодная зона в разряде), измеряли напрямую с помощью ТКХ-термопары, точность измерений
которой в диапазоне до 150 °C составляет ±0.5 °C.
- тем, что хотя фотоаппарат фиксирует видимую часть спектра, мы проводили профилирование интенсивности излучения в условиях, когда вклад люминесценции в общий лучистый поток в этой части спектра был примерно в 10 раз меньше, чем вклад теплового излучения.
Научная ценность:
1. Образование окислов азота в воздухе при атмосферном давлении служит маркером перехода импульсно-периодического потенциального и высоковольтного разряда к апокампическому разряду.
2. Предложен критерий применимости процедуры построения профилей интенсивностей для оценки разогрева канала разряда
Научная новизна:
1. Спектральными методами установлен состав продуктов термохимических реакций в апокампическом разряде.
Создана экспериментальная установка для получения апокампического разряда, адаптированную для выявления и измерения концентрации продуктов распада плазмы разряда.
Определенны продукты распада плазмы NO, NO2, N2O4.
Получены температурные профили апокампического разряда.
Сделана верификация методики профилирования интенсивности излучения, что позволило определить условия применимости методики.
Установлено, что импульсно-периодический высоковольтный разряд в воздухе при атмосферном давлении переходит в апокампический разряд при прогревании газовой среды в области разрядного канала выше 800 °C и становится источником окислов азота.
Полученные данные актуальны для получения выводов о влиянии рассеиваемой в апокампическом разряде мощности на выход окислов азота.
Определенны продукты распада плазмы NO, NO2, N2O4.
Получены температурные профили апокампического разряда.
Сделана верификация методики профилирования интенсивности излучения, что позволило определить условия применимости методики.
Установлено, что импульсно-периодический высоковольтный разряд в воздухе при атмосферном давлении переходит в апокампический разряд при прогревании газовой среды в области разрядного канала выше 800 °C и становится источником окислов азота.
Полученные данные актуальны для получения выводов о влиянии рассеиваемой в апокампическом разряде мощности на выход окислов азота.
