Введение к работе
Актуальность темы. Уникальные физико-химические свойства слабоионизованной низкотемпературной плазмы, ставшие за последнее десятилетие предметом целого ряда фундаментальных и прикладных научных исследований, обусловлены в первую очередь кинетическими характеристиками электронов, средняя энергия которых значительно превышает энергию тяжёлых частиц (молекул, атомов и ионов). В таких системах реакции возбуждения электронным ударом инициируют, как правило, целую цепь элементарных процессов, однако механизм и кинетика любого плазмохимического синтеза определяется в конечном счёте его начальной стадией, то есть взаимодействием электронов с компонентами рабочей газовой смеси.
Прогнозирование влияния химического состава рабочей газовой смеси на эффективность процессов синтеза и разложения веществ в электрических разрядах - одна из актуальнейших проблем современной плазмохимии. В случае слабоионизованной низкотемпературной плазмы эта задача может быть решена путём численного моделирования как реакций инициирования (электронным ударом), так и последующей химической кинетики в газовой фазе. При наличии соответствующей информации о константах скоростей всех элементарных реакций вторая часть моделирования не представляет принципиальных трудностей. Наиболее сложным этапом оказывается количественная оценка констант скоростей элементарных реакций (процессов) с участием электронов, поскольку эти величины определяются видом функции распределения электронов по энергиям, которая, в свою очередь, зависит не только от напряжённости электрического поля, но и от химического состава газовой смеси. Для решения указанной задачи традиционно используются результаты численного решения кинетического уравнения Больцмана (функции распределения), позволяющие рассчитывать любые кинетические коэффициенты электронов простым интегрированием соответствующих сечений.
Практическая реализация традиционного подхода к задаче об
определении кинетических коэффициентов электронов в
слабоионизованной низкотемпературной плазме далеко не всегда оказывается возможной. Причиной такой ситуации может быть либо отсутствие полной информации о сечениях многочисленных элементарных процессов взаимодействия электронов с компонентами газовой смеси, либо чисто технические трудности учёта всех таких процессов, что особенно характерно для многокомпонентных смесей молекулярных газов. Вместе с
тем в последнее время именно многокомпонентные газовые смеси всё чаще становятся объектами приложения плазмохимических технологий (очистка газовых выбросов, утилизация углекислого газа, эксимерные лампы и др.).
Таким образом, насущной потребностью современной плазмохимии становится поиск альтернативных (и применимых для случая многокомпонентных газовых смесей) методов проведения количественных оценок кинетических коэффициентов электронов в слабоионизованной низкотемпературной плазме.
Цель работы. Разработка полуэмпирических методов расчета кинетических коэффициентов электронов для прогнозирования влияния химического состава газовых смесей на эффективность плазмохимических процессов в слабоионизованной низкотемпературной плазме.
Научная новизна. На основе макрокинетического подхода в теории слабоионизованной плазмы построено семейство новых полуэмпирических методов расчета кинетических коэффициентов электронов для случая многокомпонентных газовых смесей. Эти методы впервые применены для решения задач моделирования влияния химического состава рабочих газовых смесей на эффективность плазмохимических процессов в системах "С02 - N2 - О:", "С02 - СН4 - Не" и "02 - Не".
Практическая ценность. Созданные в рамках диссертационной работы методы, алгоритмы и программы предназначены для проведения количественных оценок кинетических коэффициентов электронов в слабоионизованной низкотемпературной плазме. Эти результаты могут быть использованы для прогнозирования влияния химического состава рабочих газовых смесей на эффективность того или иного плазмохимического процесса как при оптимизации известных плазмохимических технологий, так и при разработке новых.
Использование разработанных полуэмпирических методов в задачах численного моделирования динамики развития газовых разрядов представляется целесообразным в тех случаях, когда оказывается невозможным применение кинетического уравнения Больцмана.
Созданная в рамках диссертационной работы компьютерная база данных по кинетическим коэффициентам электронов в индивидуальных газах и газовых смесях может быть использована в качестве справочного материала при решении различных научно-технических задач в области химии и физики слабоионизованной плазмы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции студентов и аспирантов "Ленинские горы - 95" (Москва, 1995) и на Ежегодном Конгрессе Польского Химического Общества (Люблин, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы и двух приложений. Объём основной части работы (исключая приложения) составляет 149 страниц машинописного текста, в ней содержатся 28 рисунков, 6 таблиц и библиография из 81 наименования. В приложениях приведены тексты компьютерных программ и список литературы к базе данных, содержащий 162 наименования.