Курс лекций читает доцент Козлов Кирилл Вадимович

1. Введение в предмет.
Понятие плазмы, представление о ее составе и характерных свойствах. Классификация различных видов плазмы. Особенности низкотемпературной ("холодной") плазмы.
Роль электронов в энергетическом балансе низкотемпературной плазмы. Решение задачи двух тел для случая столкновения электрона с тяжелой частицей (атомом, молекулой, ионом).
Типы газовых разрядов: таунсендовский, тлеющий, коронный, барьерный (в частности, поверхностный), искровой, дуговой, импульсный, высокочастотный (ВЧ), сверхвысокочастотный (СВЧ). Условия их возникновения (существования), основные свойства: пространственная неоднородность, нестационарность, неравновесность (соотношение средних энергий электронов и тяжелых частиц).
Обзор современных промышленных применений газовых разрядов: химический синтез (в частности, синтез озона), очистка газовых выбросов, обработка поверхности, техника высоких напряжений, генерация излучения. Перспективы развития химии низкотемпературной плазмы.

2. Элементы физики газового разряда.
Вольт-амперная характеристика таунсендовского разряда. Условия электрического пробоя газового промежутка между двумя металлическими электродами. Кривые Пашена. Пример задачи о выборе пути развития разряда.
Теория Таунсенда. Представление об "электронном рое" (ансамбле электронов). Дрейфовая скорость электронов. Ионизация. 1-ый коэффициент Таунсенда. Понятие приведенной напряженности электрического поля (Е/Р и E/N). Электронная лавина. Дрейф положительных ионов. Катодная эмиссия и 2-ой коэффициент Таунсенда. Условия электрического пробоя газового промежутка между двумя металлическими электродами (по Таунсенду) и объяснение поведения кривых Пашена.
Особенности электрического разряда в электроотрицательных газах. Коэффициент прилипания электронов и обобщенный коэффициент Таунсенда. Дрейф и разрушение отрицательных ионов.
Тлеющий разряд: структура, баланс заряженных частиц (электронов и ионов), баланс энергии, вольт-амперная характеристика. Представление о явлении контракции.
Искровой разряд. Понятия ионизационной волны и стримера. Лавинно-стримерный переход. Примеры возникновения стримеров, их характерные свойства. Возможные механизмы возникновения "затравочных" электронов.

3. Элементарные процессы с участием электронов, протекающие в низкотемпературной плазме.
Элементы теории рассеяния. Эксперименты с электронными и молекулярными пучками. Дифференциальное и полное сечение рассеяния (упругого, неупругого, с химической реакцией). Связь между сечениями, детальными и кинетическими константами скоростей элементарных процессов (химических реакций). Соотношения между коэффициентами Таунсенда и константами скоростей соответствующих элементарных реакций.
Элементарные процессы с участием электронов, типичные для условий слабоионизованной плазмы: упругое рассеяние, образование одноатомных частиц (атомов и ионов) в электронно-возбужденных состояниях и многоатомных - во вращательно-колебательно-электронно-возбужденных состояниях; ионизация и прилипание электронов, диссоциация молекул и диссоциативное прилипание, электрон-ионная рекомбинация. Представление о характере зависимостей сечений указанных процессов от энергии, а также об особенностях зависимостей констант скоростей соответствующих реакций от приведенной напряженности электрического поля.
Кинетическое уравнение Больцмана. Дрейфовые члены для случаев однородной и неоднородной плазмы. Структура интеграла столкновений. Особенности решения уравнения Больцмана при описании распределения электронов в слабоионизованной плазме. Характерные времена установления функции распределения электронов по энергиям в слабоионизованной плазме при атмосферном давлении. Принцип локального равновесия.
Средняя длина пробега электронов, их средняя энергия. Зависимость указанных параметров от плотности газа и от напряженности электрического поля. Объяснение инвариантности характеристик плазмы, являющихся однозначными функциями параметра E/N. Диффузия электронов, их подвижность и характеристическая энергия.
Влияние химического состава газовой смеси на свойства электронов в низкотемпературной слабоионизованной плазме. Простейшие полуэмпирические модели взаимодействия электронов с тяжелыми частицами для случая многокомпонентной газовой смеси.

4. Взаимодействия тяжелых частиц и особенности химической кинетики в низкотемпературной слабоионизованной плазме.
Элементарные процессы с участием ионов: перезарядка, рекомбинация, образование комплексных ионов, ионизация Пеннинга.
Возможные каналы релаксации электронно-колебательно-вращательного возбуждения молекул и молекулярных ионов. Особенности кинетики химических реакций с их участием.
Образование реакционно-способных частиц: радикалов, термически неустойчивых продуктов, химически активных соединений.
Представление об общей кинетической картине химических процессов в плазме. Соотношение концентраций основных компонентов плазмы и скоростей различных реакций взаимодействия между ними.

5. Синтез озона в барьерном разряде.
Пространственно-временная структура барьерного разряда: единичный микроразряд и серия. Вольт-амперная и вольт-кулоновская характеристики. Методы определения мощности озонатора.
Три основных стадии процессов, протекающих в межэлектродном промежутке озонатора (временная шкала 10-12 - 10-3 секунд). Представление о пространственно-временной структуре и о механизме развития единичного микроразряда
Основные химические реакции, определяющие кинетику образования и разложения озона в барьерном разряде (для кислорода и для воздуха). Вид решения прямой кинетической задачи.
Электрическая теория озонаторов. Вид кинетических кривых для кислорода и для воздуха. Энергетический выход (энергозатраты) и стационарная концентрация озона. Температурная зависимость кинетики.
Промышленный синтез озона. Общая характеристика промышленных генераторов озона: геометрия и электрофизические параметры разрядной ячейки; свойства источника питания; система охлаждения. Общая характеристика процесса: концентрация, производительность, энергозатраты. Примеры оптимального выбора этих параметров для различных озонных технологий.

6. Другие неорганические и органические синтезы, осуществляемые в низкотемпературной плазме.
Синтез эксимерных соединений в импульсном и барьерном разрядах. Представление о механизме и кинетике процесса генерации излучения.
Очистка дымовых газов от окислов азота в импульсной короне (аммиачный метод). Принципиальная схема технологии
Синтез ацетилена из метана в дуговом разряде. Механизм и кинетика процесса (сопоставление с методом окислительного пиролиза).
Перспективы использования низкотемпературной плазмы для осуществления синтезов различных органических веществ: анализ основных преимуществ и недостатков.

Рекомендуемая литература
Основная

1. B. Eliasson, U. Kogelschatz Nonequilibrium Volume Plasma Chemical Processing. IEEE Transactions on Plasma Sceince, 1991, vol. 19, No. 6, pp. 1063-1077.
2. Ю. П. Райзер Физика газового разряда. М., " Наука", 1987.
3. В. Г. Самойлович, В. И. Гибалов, К. В Козлов. Физическая химия барьерного разряда. - М: Изд. МГУ, 1989.

Дополнительная к разделам 2 и 3.

1. Г. Ретер Электронные лавины и пробой в газах: Пер. с англ. / под ред. В. С. Комелькова - М., " Мир", 1968.
2. Л. Хаксли, Р. Кромптон Диффузия и дрейф электронов в газах: Пер. с англ. / п од ред. А. А. -Иванова М., " Мир", 1977.
3. Д. Мик, Д. Крэгс Электрический пробой в газах: Пер. с англ. / под ред. В. С. Комелькова - М., ИЛ, 1960.

1. Б. М. Смирнов. Ионы и возбужденные атомы в плазме. - М., " Наука", 1974.
2. К. Смит, Р. Томсон. Численное моделирование газовых лазеров. - М., ИЛ, 1981

1. В. В. Лунин, М. П. Попович, С. Н. Ткаченко Физическая химия озона. - М: Изд. МГУ, 1998.
2. U. Kogelschatz Advanced ozone generation. -In Process Technologies for Water Treatment, Edited by S. Stucki, New York London: Plenum, 1988, pp. 87-120.
3. Ю. В. Филиппов, В. А. Вобликова, В. И. Пантелеев. Электросинтез озона. - М: Изд. МГУ, 1987.

1. B. Eliasson, W. Egli, U. Kogelschatz Modelling of dielectric barrier discharge chemistry. Pure& Appl. Chem., 1994, v. 66, No. 6, pp. 1275-1286.
2. Е. Н. Еремин. Основы химической кинетики. - М., Изд. "Высшая школа", 1976
3. Д. Н. Андреев Органический синтез в электрических разрядах. - М-Л: Изд. АН СССР, 1953.

Программа составлена
доц. Козловым К. В.