Тройная ион-ионная рекомбинация в слабоионизованном газе и плазме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Новицкий, Дмитрий Александрович

• Новицкий, Дмитрий Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Новицкий, Дмитрий Александрович

Введение.%.

1. Обзор аналитических методов расчета скорости тройной ион-ионной рекомбинации.

1.1. Основные механизмы ион-ионной рекомбинации.

1.2. Ион-ионная рекомбинация при низком давлении газа.

1.3. Ион-ионная рекомбинация при высоком давлении газа.

1.4. Расчет константы тройной ион-ионной рекомбинации.

1.5. Тройная ион-ионная рекомбинация во всем диапазоне давлений.

2. Тройная ион-ионная рекомбинация в газовых смесях. Синергетический эффект.

2.1. Введение.

2.2. Расчет коэффициента рекомбинации в газовых смесях.

2.3. Синергетический эффект для тепловых ионов.

2.3.1. Высокие плотности газа.

2.3.2. Промежуточные плотности газа.

2.4. Синергетический эффект во внешнем электрическом поле.

3. Тройная ион-ионная рекомбинация во внешнем электрическом поле.

3.1. Кинетическая энергия относительного движения ионов во внешнем электрическом поле.

3.2. Взаимодействие ионов во внешнем электрическом поле.

3.3. Расчет константы скорости тройной ион-ионной рекомбинации во внешнем поле.

4. Расчет скорости ион-ионной рекомбинации в газовых средах.

4.1. Воздух с примесью фреонов; дымовые газы.

4.2. Влажный воздух; влияние влажности на свойства длинных стримеров в воздухе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тройная ион-ионная рекомбинация в слабоионизованном газе и плазме»

Актуальность темы диссертации. Процесс тройной ион-ионной рекомбинации

А+ + В' +М АВ + М имеет почти вековую историю исследований. Являясь одним из основных каналов гибели заряженных частиц в электроотрицательном газе, он оказывается важным при накачке эксимерных лазеров и решении ряда экологических задач; им определяется концентрация ионов в средней и нижней атмосфере Земли.

Экспериментальных данных по скорости этого процесса относительно мало, что объясняется изменением состава ионов и усложнением их идентификации с ростом давления газа. Поэтому основным источником информации по скорости процесса тройной ион-ионной рекомбинации является теория, причем наиболее надежные данные получаются в рамках метода Монте-Карло. Но расчеты этим методом трудоемки и выполнены для малого числа систем и узкой области параметров. Скорость же рассматриваемого процесса зависит от многих исходных данных: вида частиц А+ ,В~ ,М, давления, температуры газа, а в некоторых задачах - и от приложенного электрического поля.

Из-за этого в практических приложениях (например, при изучении кинетических процессов в эксимерных лазерах), где необходимо знание большого числа констант скорости протекающих реакций в большом диапазоне внешних условий, применение метода Монте-Карло представляется очень затруднительным. В таких задачах более удобно использование аналитических формул для констант скорости реакций.

В данной работе рассмотрены задачи, решение которых важно для эксимерных лазеров, плазменных методов очистки дымовых газов и электроизоляции высоковольтного оборудования.

Кроме того, наличие аналитического описания позволяет более глубоко понять основные закономерности протекания процесса рекомбинации, что дает возможность заранее делать оценки эффективности различных каналов гибели заряженных частиц в широком диапазоне условий.

Несмотря на то, что в большинстве практических задач рекомбинация ионов происходит в смеси газов, до настоящего времени этот вопрос остается практически не исследованным теоретически. Также явно недостаточным представляется объем данных по рекомбинации ионов во внешнем электрическом поле.

В данной работе сделана попытка восполнить этот пробел и рассмотреть возникающие при этом эффекты.

Отмеченные обстоятельства позволяют считать тему настоящей работы весьма актуальной как с точки зрения анализа основных процессов, происходящих при тройной рекомбинации ионов в газовых смесях и внешнем электрическом поле, так и с точки зрения применения аналитических методов расчета скорости процесса рекомбинации в различных практических приложениях.

Предметом настоящего диссертационного исследования является процесс тройной ион-ионной рекомбинации в газовых смесях и при наложении постоянного внешнего электрического поля.

Цель настоящего исследования: рассмотрение аналитических моделей процесса тройной ион-ионной рекомбинации, построенных к настоящему времени и возможностей их использования для различных задач и при разных внешних условиях; построение модели процесса ионной рекомбинации в газовых смесях и анализ синергетического эффекта, возникающего при рекомбинации ионов в смеси газов, сильно отличающихся по своим свойствам; анализ эффектов, приводящих к существенному снижению скорости ионной рекомбинации при наложении внешнего постоянного электрического поля; расчет скорости рекомбинации в плазме дымовых газов, в канале стримера при его распространении во влажном воздухе и в других практических приложениях, а также влияния влажности на свойства длинного стримера в воздухе.

Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые приводится аналитический расчет константы скорости процесса тройной ион-ионной рекомбинации в газовых смесях. На основании этого расчета, также впервые, предсказывается синергетический эффект в скорости тройной ион-ионной рекомбинации, состоящий в немонотонной зависимости константы от состава смеси буферных газов. Кроме того, впервые выполнено моделирование длинного стримера во влажном воздухе и дано новое объяснение наблюдаемому в эксперименте эффекту влияния влажности на свойства стримера.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Предложена методика определения и выполнен расчет константы скорости тройной ион-ионной рекомбинации в газовой смеси.

2. Предсказан и изучен синергетический эффект для скорости тройной рекомбинации тепловых ионов при промежуточных и высоких давлениях, а также для ионов, нагретых электрическим полем, при низких давлениях газа.

3. Исследовано влияние внешнего электрического поля на скорость тройной ион-ионной рекомбинации в слабоионизированном газе и плазме.

4. Выполнено моделирование распространения длинного стримера во влажном воздухе и дано новое объяснение влияния влажности на свойства стримера, связанное с гидратацией положительных ионов в канале стримера.

Практическая значимость диссертационного исследования. Результаты, полученные в данной работе, позволяют быстро определять константу скорости ион-ионной рекомбинации для широкого спектра реагирующих ионов, разнообразных смесей буферных газов, в большом диапазоне давлений, температур и напряженно-стей внешнего поля, что необходимо для моделирования процессов в различных научных, экологических и технологических задачах.

Апробация результатов исследований. Диссертация обсуждена на кафедре прикладной физики факультета проблем физики и энергетики Московского физико-технического института.

Основные положения диссертации отражены в работах, опубликованных в журналах «Письма в ЖТФ», «Физика плазмы» и «Journal Physics В: At. Mol. Opt. Phys.».

Результаты исследований докладывались на конференциях:

П-ой Международный семинар «Сильные СВЧ волны в плазме» ( август 1993 года, г. Нижний Новгород)

XXXVIII научная конференция Московского физико-технического института (25-26 ноября 1994 года, г. Долгопрудный);

Всероссийская конференция "Физика низкотемпературной плазмы" (ФНТП-95) (20-26 июня 1995 года, г. Петрозаводск);

VIII-я Всероссийская конференция по физике газового разряда (июнь 1996 года, г. Рязань);

Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы» (ФНТП-98) (июнь 1998 года, г. Петрозаводск);

Структура диссертации. Структура диссертационного исследования обусловлена его предметом, целями, задачами. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Новицкий, Дмитрий Александрович, 1998 год

1. Langevin P., Ann. Chim. Phys., 28, 289 (1903)

2. Tohomson J.J., Phil. Mag, 47, 337 (1924)

3. Harper W.R., Proc. Camb. Phil. Soc., 28, 219 (1932)

4. Bates D.R., J. Phis. B, 8, 2722 (1975)

5. Bates D.R., Moffett R.J., Proc. R. London Ser., 1 (1966)

6. Bates D.R., Flannery M.R., Proc. R. Soc. London Ser., A302, 367-383 (1968)

7. Натансон Г.Л., ЖТФ, XXIX, в. И, 1373-1380 (1959)

8. Brueckner К.A., J. Chem. Phys., 42, 439 (1964)

9. Parks E.K., J. Chtm. Phys., 48, 1483 (1968)

10. Loeb L.B., Basic Processes of Gaseous Electronics (University of Californis Press, Berkley, Los Angeles, 2nd ed. (1955)

11. Loeb L.B., Marshall L.C., J. Franklin Inst., 208, 371 (1929)

12. Flannery M.R., J. Phys. В (Proc. Phys. Soc.) 2. 1, 384 (1968)

13. Jaffe G., Phys. Rev., 58, 968 (1940)

14. Machler, Z. Physic, 104,1 (1936)

15. Mahan B.H., Person J.C., J. Chem. Phys., 40, 392 (1964)

16. Bates D.R., Mendas I., J. Phys. B, 15,1949 (1982)

17. Flannery M.R., J. Phys. B, 13, 3649 (1980.

18. Flannery M.R., J. Phys. B, 14, 915 (1981)

19. Bates D.R., Flannery M.R., J. Phys. B, 2, 184 (1969)

20. Flannery M.R., Theory of ion-ion recombination, Royal Soc., London, Philosophical transactions, Ser. A.

21. Bates D.R., Boyd T.J.M., Proc. Phys. Soc., A 69, 910 (1956)

22. Bates D.R., Kingston A.E., McWhriter R.W.P., Proc. Roy. Soc. A, (London), 267, 297 (1962)

23. Cornell M.C., Littlewood I.M., J. Phys. D, 20, 616 (1987)

24. Littlewood I.M., Pyle P.E., J. Phys. D, 23, 312 (1990a)

25. Littlewood I.M., J. Phys. D, 23, 308 (1990)

26. Александров Н.Л., Новицкий Д.А., Письма в ЖТФ, 19, в. 13, 9 (1993)

27. Hunter S.R., Christophorou L.G., J. Appl. Phys, 57, 4377 (1985)

28. Van Brunt P.J., J. Appl.Phys, 61, 1773 (1987)

29. Tagashira H., Proc. V Int. Symp. Gaseous Dielectrics ed L.G.Christophorou (New York: Plenum), 263 (1987)

30. Mason E.A., McDaniel E.W., Transport Properties of Ions in Gases (New York: Wiley) (1988)

31. Morgan W.L., Bardsley J.N., Lin J., Whitten B.L., Phys. Rev., 26, 1696 (1982)

32. Bates D.R., Advances in Atomic and Molecular Physics vol 20, ed D.R. Bates and B. Bederson, 1, (1985)

33. Littlewood I.M., Pyle R.E., Phys. Rev., 41, 1071 (1989)

34. Gallimberti I., J.Physique, 40,193 (1979)

35. Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control. Ed.B.M.Penetrante and S.E.Schultheis, NATO ASI Series, Series G: Ecological Sciences, 34, Pt. B. Berlin: Springer, 397 (1993)

36. Les Renardieres Group, Electra, 53, 5 (1977)

37. Waters R.T., Electrical breakdown in Gases. Ed.J.M.Meek and J.D.Craggs. (New York: Wiley),. 415 (1978)

38. Phelps C.T., Griffiths R.F., J.Appl.Phys, 47, 2929 (1976)

39. Allen N.L., Boutlendj M., IEE Proc.-A, 138, 37 (1991)

40. Смирнов Б.М., Отрицательные ионы, M.: Атомиздат, 176 (1978)

41. Александров Н.Л., УФН, 154, 177 (1988)

42. Lowke J J., J.Phys.D, 25, 202 (1992.)

43. Базелян А.Э., Базелян Э.М., ТВТ, 31, 867 (1993)

44. Александров Н.Л., Базелян А.Э., Базелян Э.М. и др., Физика плазмы, 21, 60 (1995.)

45. Aleksandrov N.L., Bazelyan Е.М., J.Phys.D, 29, 740 (1996)

46. Мак-Ивен М., Филлипс Л., Химия атмосферы, М.:Мир, 375 (1978)

47. Смирнов Б.М, Комплексные ионы, М.: Наука, 150 (1983)

48. Mitchell J.B.A., Phys.Rep, 186, 215 (1990)

49. Johnsen R., J.Chem.Phys, 98, 5390 (1993)

50. Aleksandrov N.L., Bazelyan E.M., J.Phys.D, 29, 2873 (1996)

51. Смирнов Б.М., Ионы и возбужденные атомы в плазме, М: Атомиздат, 1974.

52. Person J.C., Ham D.O., Radiat. Phys. Chem., 31,1 (1988)

53. Александров Н.Л., Добкин C.B., Кончаков A.M., Новицкий Д.А., Каталитическое разрушение фреонов в послесвечении СВЧ-разряда, Физика плазмы, 20, 492 (1994)

54. N.L.Aleksandrov, S.V.Dobkin, A.M.Konchakov, Plasma Chem., Plasma Proc., 15, 529 (1995)

55. Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control. Ed. B.M. Penetrante and S.E. Schultheis. NATO ASI Series, Series G: Ecological Science, 134, Pt. Berlin: Springer, 397 (1993)