Введение к работе
Актуальность пробасим. В настоящее время большое внимание уделяется разработке новых способов обработки материалов с использованием эколога -
ЧеСКИ ЧИСТЫХ, ресурсосберегающих ПрОЦеССОВ, СреДН КОТОРЫХ ОДНИМ .13 П-Tj-
спективных направлений является обработка в низкотемпературной газоразрядной плазме пониженного давления. Широкое применение плазмохнмкче-ских технологий сдерживается недостаточным пониманием механизмов прот цессов, протекающих в неравновесной плазме, что приводит к преобладанию эмпирического подхода в подборе условий н режимов обработки и, как следствие, неоптнмальной работе плазмохимнческнх реакторов. Ситуация в этой области характеризуется этапом накопления и обобщения экспериментальных данных, построения теоретических основ отдельных плазмохимнческнх процессов.
В последние годы значительно возрос интерес к исследованиям разряда в плазме водорода и его смесей с другими газами, являющегося эффективным источником атомарного водорода и других активных частиц, которые широко используются в различных технических и лабораторных приложениях.
Выполненное в настоящей работе комплексное исследование способствует получению новых знаний по фундаментальным проблемам неравновесной газоразрядной плазмы, выявлению закономерностей образования и взаимодействия активных частиц водородной и азотоводородной плазмы с поверхностью различных материалов, взаимосвязи между результатами плазмохими-ческой обработки и параметрами разряда, что является основой для решения задачи о химически реагирующей плазме как самосогласованной системе.
Целью работы являлось:
а) выяснение процессов образования атомов н установления набора хи
мических реакций, протекающих в неравновесной плазме;
б) выяснение процессов гибели, существенными из которых для условий
неравновесной плазмы пониженного давления являются гетерогенные процес
сы.
Научная новизна.
І. Исследованы закономерности процессов гетерогенной рекомбинации атомов водорода и азота на поверхности в зоне плазмы и ее потоковом послесвечении. Показано, что как в зоне плазмы, так и в области послесвечения га*
бель атомов происходит в реакциях первого кинетического порядка. Определены кинетические характеристики гетерогенных процессов:
а) в области послесвечения для кварцевого стекла, стекла марки C-49-II,
керамики марки 22ХС, фторопластового и алмазоподобных покрытий;
б) в зоне плазмы для стекла марки C-49-II, керамнки-алунд, керамики
22ХС, поликорунда, графита, тантала, никеля, титана, алюминия, кремния,
германия, ниобата лития, лавсана и полиимида. Данные, полученные для всех
исследуемых материалов в зоне плазмы, для керамики и алмазоподобных по
крытий в области послесвечения являются новыми и ранее неизвестными.
2. Проанализирован механизм образования и гибели атомов водорода в водородной плазме. Совокупная информация, основанная на экспериментально измеренных скоростях диссоциации и константах скоростей процессов, рассчитанных при совместном решении уравнений Больцмана и колебательной кинетики Ш(ХЧ*),позволила:
а) рекомендовать сечения процессов, формирующих фунхцию распреде
ления электронов по энергиям (ФРЭЭ), расчеты с которыми удовлетворяют как
данным в дрейфующих электронных роях, так и измеренным скоростям диссо
циации;
б) показать, что колебательно-возбужденные молекулы HzCX'Sg^.V) не
играют существенной роли в процессах диссоциации, однако изменение соста
ва плазмы (т.е. столкновение электронов не только с молекулами, но и атома
ми) сильно сказывается на виде ФРЭЭ и , как следствие, на константах скоро
стей, ею определяемых, особенно для процессов с высокими энергетическими
порогами.
Ъ. Впервые измерены скорости образования атомов в азотоводородной плазме исходного состава ЗШ-№.
4. Обнаружено, что выход атомов водорода в такой смеси существенно выше, чем в плазме ьодорода при одинаковых внешних параметрах разряда.
5. Проанализирован механизм образования атомов в смеси исходного состава ЗШ-Ж Обнаружено, что механизм диссоциации, реализующийся в плазме водорода, не может обеспечить наблюдаемых в опыте концентраций атомов. Анализ энергетически возможных реакций образования атомов водорода, включающих различные возбужденные состояния молекул и атомов азота, показал, что согласия с опытом можно достичь, если считать, что дополнительными источниками образования атомов являются реакции молекул Ш с
метастабильными атомами азота N(:D) и с колебательно-возбужденными молекулами N2(X'Xg+,V2:l4). Для последней реакции определена константа скорости, которая составила к = (2.0±0.7)1012 см3/с.
Прпікти'гмкгя пуягость рясота. Полученные результаты могут быть использованы при дальнейших фундаментальных исследованиях механизмов образования и гибели активных частиц в плазме водорода и его смесях с азотом, при построении математических моделей неравновесной плазмы, при разработке эффективных источников атомов и для расчетов плазмохнмическнх реакторов с целью выбора оптимальных условий проведения процесса.
Апрэбчдгя работы н ігублукляга. По результатам работы опубликовано 4 статьи и тезисы 8 докладов. Основные положення, результаты и выводы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 24-28 января 1994, МГТУ им. Баумана), на международной конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 13-15 сентября 1994), на научно-технической конференции преподавателей и сотрудников ИГХТА (Иваново, 30 яиваря-3 февраля 1995), на 2 международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии ISTAPC-95 (Плес, 22-26 мая 1995, ИГХТА), на 12 международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Звенигород, 5-8 сентября 1995), на 1 региональной межвузовской конференции "Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического образования "Химия-96" (Иваново, 22-26 апреля 1996, ИГХТА), на 10 международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-96 (Москва, 17-18 декабря 1996, РХТУ).
Работа выполнялась по координационному плану РАН по проблеме "Химия высоких энергий"; яо межвузовской научно-технической программе "Физмат"; по научно-технической программе Комитета по высшей школе Миннауки РФ 4.17 "Фундаментальные и прикладные проблемы взаимодействия плазмы с поверхностью".
Структура я объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и библиографии. Общий объем диссертации составляет 182 страницы, включая 15 таблиц и 74 рисунка. Список литературы содержит 150 наименований.
