Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.chem.msu.ru/rus/teaching/education-program/spec-phys/24.html
Дата изменения: Unknown
Дата индексирования: Sun Apr 10 23:56:25 2016
Кодировка: Windows-1251
Спецкурсы кафедры "Физическая химия. ХИМИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Образовательная программа Химического факультета МГУ
Спецкурсы кафедры физической химии

Химия низкотемпературной плазмы

Программа спецкурса

Козлов Кирилл Вадимович
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.
к разделу 4.
  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
к разделу 5.
  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.
к разделу 6.
  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.




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору