Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.kge.msu.ru/stud/kozlprog.doc Дата изменения: Sat Jan 26 00:57:14 2002 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:10:27 2012 Кодировка: koi8-r

ХИМИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

Программа спецкурса

Спецкурс предназначен для студентов и аспирантов, специализирующихся
в области химии плазмы (газовой электрохимии). Предполагается
предварительное знакомство слушателей с курсами общей физики и физической
химии, читаемыми для студентов химического факультета МГУ. Объём спецкурса
- 24 часа.

1. Введение в предмет.
1.1. Понятие плазмы, представление о её составе и характерных
свойствах. Классификация различных видов плазмы. Особенности
низкотемпературной ("холодной") плазмы.
1.2. Роль электронов в энергетическом балансе низкотемпературной
плазмы. Решение задачи двух тел для случая столкновения электрона с
тяжёлой частицей (атомом, молекулой, ионом).
1.3. 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 тяжёлых частиц).
1.4. 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.
2.1. Вольт-амперная характеристика таунсендовского разряда. Условия
электрического пробоя газового промежутка между двумя металлическими
электродами. Кривые Пашена. Пример задачи о выборе пути развития
разряда.
2.2. Теория Таунсенда. Представление об "электронном рое" (ансамбле
электронов). Дрейфовая скорость электронов. Ионизация. 1-ый
коэффициент Таунсенда. Понятие приведённой напряжённости
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.
2.3. Особенности электрического разряда в электроотрицательных
газах. Коэффициент прилипания электронов и обобщённый коэффициент
Таунсенда. Дрейф и разрушение отрицательных ионов.
2.4. Тлеющий разряд: структура, баланс заряженных частиц (электронов
и ионов), баланс энергии, вольт-амперная характеристика.
Представление о явлении контракции.
2.5. 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.
3.1. 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.
3.2. Элементарные процессы с участием электронов, типичные для
условий слабоионизованной плазмы: упругое рассеяние, образование
одноатомных частиц (атомов и ионов) в электронно-возбуждённых
состояниях и многоатомных - во вращательно-колебательно-электронно-
возбуждённых 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 приведённой
напряжённости электрического поля.
3.3. 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.
3.4. Средняя длина пробега электронов, их средняя энергия.
Зависимость указанных параметров от плотности газа и от
напряжённости электрического поля. Объяснение инвариантности
характеристик плазмы, являющихся однозначными функциями параметра
E/N. Диффузия электронов, их подвижность и характеристическая
энергия.
3.5. Влияние химического состава газовой смеси на свойства
электронов в низкотемпературной слабоионизованной плазме. Простейшие
полуэмпирические модели взаимодействия электронов с тяжёлыми
частицами для случая многокомпонентной газовой смеси.

4. Взаимодействия тяжёлых частиц и особенности химической кинетики в
низкотемпературной слабоионизованной плазме.
4.1. Элементарные процессы с участием ионов: перезарядка,
рекомбинация, образование комплексных ионов, ионизация Пеннинга.
4.2. Возможные каналы релаксации электронно-колебательно-
вращательного возбуждения молекул и молекулярных ионов. Особенности
кинетики химических реакций с их участием.
4.3. Образование реакционно-способных частиц: радикалов, термически
неустойчивых продуктов, химически активных соединений.
4.4. 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.
5.1. Пространственно-временная структура барьерного разряда:
единичный микроразряд и серия. Вольт-амперная и вольт-кулоновская
характеристики. Методы определения мощности озонатора.
5.2. 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.
5.3. Основные химические реакции, определяющие кинетику образования
и разложения озона в барьерном разряде (для кислорода и для
воздуха). Вид решения прямой кинетической задачи.
5.4. Электрическая теория озонаторов. Вид кинетических кривых для
кислорода и для воздуха. Энергетический выход (энергозатраты) и
стационарная концентрация озона. Температурная зависимость кинетики.
5.5. 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.
6.1. Синтез эксимерных соединений в импульсном и барьерном разрядах.
Представление о механизме и кинетике процесса генерации излучения.
6.2. Очистка дымовых газов от окислов азота в импульсной короне
(аммиачный метод). Принципиальная схема технологии.
6.3. Синтез ацетилена из метана в дуговом разряде. Механизм и
кинетика процесса (сопоставление с методом окислительного пиролиза).
6.4. Перспективы использования низкотемпературной плазмы для
осуществления синтезов различных органических веществ: анализ
основных преимуществ и недостатков.

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

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

Дополнительная литература к разделу 4.
1. Смирнов Б.М. Ионы и возбуждённые атомы в плазме. - М., "Наука", 1974.
2. Смит К., Томсон Р. Численное моделирование газовых лазеров. - М., ИЛ,
1981.

Дополнительная литература к разделу 5.
1. Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. - М:
Изд. МГУ, 1998.
2. Kogelschatz U. Advanced ozone generation. - In "Process Technologies for
Water Treatment", Edited by Stucki S., New York & London: Plenum, 1988,
pp.87-120.
3. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. - М:
Изд. МГУ, 1987.

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


Автор: /к.х.н., с.н.с. Козлов К.В./