Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе
Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований компонентного состава химически активных нейтральных частиц объемного барьерного разряда на сухом (относительная влажность ≈20%) и влажном (≈80%) воздухе. Для вычисления состава нейтральной компоненты плазмы разряда предложен под...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81101 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе / И.А. Солошенко, В.В. Циолко, С.С. Погуляй, В.Ю. Баженов, А.И. Щедрин, А.В. Рябцев // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 105-109. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81101 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Солошенко, И.А. Циолко, В.В. Погуляй, С.С. Баженов, В.Ю. Щедрин, А.И. Рябцев, А.В. 2015-05-05T15:14:51Z 2015-05-05T15:14:51Z 2006 Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе / И.А. Солошенко, В.В. Циолко, С.С. Погуляй, В.Ю. Баженов, А.И. Щедрин, А.В. Рябцев // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 105-109. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 PACS: 51.50.+v https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81101 Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований компонентного состава химически активных нейтральных частиц объемного барьерного разряда на сухом (относительная влажность ≈20%) и влажном (≈80%) воздухе. Для вычисления состава нейтральной компоненты плазмы разряда предложен подход, основанный на усреднении вкладываемой мощности по всему объему разрядного промежутка. Преимуществом такого подхода является отсутствие подгоночных параметров, таких как размеры микроразрядов, их поверхностная плотность и частота пробоев. Экспериментально измерены концентрации O₃, HNO₃, HNO₂ и NO₃ при изменениях времени горения разряда от 0 до 40 мин, времени пребывания частиц в разрядном промежутке от 0.3 до 2.4 с и удельной мощности 1.5 Вт/cм³. Установлено, что наилучшее согласие расчета с экспериментом наблюдается при расчетной температуре газовой среды около 400…430 К, которая близка к измеренной экспериментально вращательной температуре молекул азота. Показано, что для сухого воздуха согласие расчета с экспериментом лучше, чем для влажного. Представлені результати експериментальних та теоретичних досліджень компонентного складу хімічно активних нейтральних частинок об’ємного бар’єрного розряду у сухому (відносна вологість ≈ 20%) та вологому (≈ 80%) повітрі. Для розрахунку складу нейтральної компоненти плазми розряду запропонований підхід, що оснований на усередненні вносимої потужності по всьому об’єму розрядного проміжку. Перевагою такого підходу є відсутність підгоночних параметрів, таких як розміри мікророзрядів, їх поверхнева густина та частота пробоїв. Експериментально виміряні концентрації O₃, HNO₃, HNO₂ та NO₃ при змінах часу горіння розряду від 0 до 40 хвилин, часу перебування частинок у розрядному проміжку від 0.3 до 2.4 с та питомою потужністю 1.5 Вт/cм³. Встановлено, що найкраще узгодження розрахунку з експериментом спостерігається при розрахунковій температурі газового середовища близько 400…430 К, котра близька до виміряної експериментально обертальної температури молекул азоту. Показано, що для сухого повітря узгодженість розрахунку з експериментом краще, ніж для вологого. In paper the results of experimental and theoretical studies of the component content of chemically active electically neutral particles in the barrier discharge in dry air (RH≈ 20%) and humid air (RH≈ 20%) are presented. For calculations of neutral component concentrations we proposed approach that based on contributed power averaging over entire volume of the discharge gap. The proposed approach advantiges are absent of following fitting parameters: the sizes of microdischarges, their surface density, the breakdown frequency. The concentrations of O₃, HNO₃, HNO₂ и NO₃ are measured experimentally with 1.5 W/cm³ specific power in the discharge and variations of transient time of the particles in the discharge gap in range from 0.3 to 2.4 s and time of accumulation of the particles in wiorking chamber in range from 0 to 40 minutes. It is shown that the best agreement of the calculation and the experiment is observed at calculation gas medium temperature in the discharge of about 400…430 K which is close to experimentally measured rotational temperature determined of second positive system of N2. It is shown also that for dry air agreement between experiment and calculation is better than for humid air. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе Компонентний склад активних частинок у об’ємному бар’єрному розряді у сухому (відносна вологість RH≈ 20%) та вологому (RH≈ 80%) повітрі Component content of active particles into volume barrier discharge in dry air (≈ 20% relative humidity (RH)) and humid air (RH≈ 80%) Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе |
| spellingShingle |
Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе Солошенко, И.А. Циолко, В.В. Погуляй, С.С. Баженов, В.Ю. Щедрин, А.И. Рябцев, А.В. Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд |
| title_short |
Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе |
| title_full |
Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе |
| title_fullStr |
Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе |
| title_full_unstemmed |
Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе |
| title_sort |
компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность rh ≈ 20%) и влажном (rh ≈ 80%) воздухе |
| author |
Солошенко, И.А. Циолко, В.В. Погуляй, С.С. Баженов, В.Ю. Щедрин, А.И. Рябцев, А.В. |
| author_facet |
Солошенко, И.А. Циолко, В.В. Погуляй, С.С. Баженов, В.Ю. Щедрин, А.И. Рябцев, А.В. |
| topic |
Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд |
| topic_facet |
Газовый разряд, плазменно-пучковый разряд |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Компонентний склад активних частинок у об’ємному бар’єрному розряді у сухому (відносна вологість RH≈ 20%) та вологому (RH≈ 80%) повітрі Component content of active particles into volume barrier discharge in dry air (≈ 20% relative humidity (RH)) and humid air (RH≈ 80%) |
| description |
Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований компонентного состава химически активных нейтральных частиц объемного барьерного разряда на сухом (относительная влажность ≈20%) и влажном (≈80%) воздухе. Для вычисления состава нейтральной компоненты плазмы разряда предложен подход, основанный на усреднении вкладываемой мощности по всему объему разрядного промежутка. Преимуществом такого подхода является отсутствие подгоночных параметров, таких как размеры микроразрядов, их поверхностная плотность и частота пробоев. Экспериментально измерены концентрации O₃, HNO₃, HNO₂ и NO₃ при изменениях времени горения разряда от 0 до 40 мин, времени пребывания частиц в разрядном промежутке от 0.3 до 2.4 с и удельной мощности 1.5 Вт/cм³. Установлено, что наилучшее согласие расчета с экспериментом наблюдается при расчетной температуре газовой среды около 400…430 К, которая близка к измеренной экспериментально вращательной температуре молекул азота. Показано, что для сухого воздуха согласие расчета с экспериментом лучше, чем для влажного.
Представлені результати експериментальних та теоретичних досліджень компонентного складу хімічно
активних нейтральних частинок об’ємного бар’єрного розряду у сухому (відносна вологість ≈ 20%) та
вологому (≈ 80%) повітрі. Для розрахунку складу нейтральної компоненти плазми розряду запропонований
підхід, що оснований на усередненні вносимої потужності по всьому об’єму розрядного проміжку.
Перевагою такого підходу є відсутність підгоночних параметрів, таких як розміри мікророзрядів, їх
поверхнева густина та частота пробоїв. Експериментально виміряні концентрації O₃, HNO₃, HNO₂ та NO₃
при змінах часу горіння розряду від 0 до 40 хвилин, часу перебування частинок у розрядному проміжку від
0.3 до 2.4 с та питомою потужністю 1.5 Вт/cм³. Встановлено, що найкраще узгодження розрахунку з
експериментом спостерігається при розрахунковій температурі газового середовища близько 400…430 К,
котра близька до виміряної експериментально обертальної температури молекул азоту. Показано, що для
сухого повітря узгодженість розрахунку з експериментом краще, ніж для вологого.
In paper the results of experimental and theoretical studies of the component content of chemically active electically
neutral particles in the barrier discharge in dry air (RH≈ 20%) and humid air (RH≈ 20%) are presented. For
calculations of neutral component concentrations we proposed approach that based on contributed power averaging
over entire volume of the discharge gap. The proposed approach advantiges are absent of following fitting parameters:
the sizes of microdischarges, their surface density, the breakdown frequency. The concentrations of O₃, HNO₃, HNO₂ и NO₃ are measured experimentally with 1.5 W/cm³ specific power in the discharge and variations of transient
time of the particles in the discharge gap in range from 0.3 to 2.4 s and time of accumulation of the particles in
wiorking chamber in range from 0 to 40 minutes. It is shown that the best agreement of the calculation and the experiment
is observed at calculation gas medium temperature in the discharge of about 400…430 K which is close to
experimentally measured rotational temperature determined of second positive system of N2. It is shown also that for
dry air agreement between experiment and calculation is better than for humid air.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81101 |
| citation_txt |
Компонентный состав активных частиц в объемном барьерном разряде на сухом (относительная влажность RH ≈ 20%) и влажном (RH ≈ 80%) воздухе / И.А. Солошенко, В.В. Циолко, С.С. Погуляй, В.Ю. Баженов, А.И. Щедрин, А.В. Рябцев // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 105-109. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT sološenkoia komponentnyisostavaktivnyhčasticvobʺemnombarʹernomrazrâdenasuhomotnositelʹnaâvlažnostʹrh20ivlažnomrh80vozduhe AT ciolkovv komponentnyisostavaktivnyhčasticvobʺemnombarʹernomrazrâdenasuhomotnositelʹnaâvlažnostʹrh20ivlažnomrh80vozduhe AT pogulâiss komponentnyisostavaktivnyhčasticvobʺemnombarʹernomrazrâdenasuhomotnositelʹnaâvlažnostʹrh20ivlažnomrh80vozduhe AT baženovvû komponentnyisostavaktivnyhčasticvobʺemnombarʹernomrazrâdenasuhomotnositelʹnaâvlažnostʹrh20ivlažnomrh80vozduhe AT ŝedrinai komponentnyisostavaktivnyhčasticvobʺemnombarʹernomrazrâdenasuhomotnositelʹnaâvlažnostʹrh20ivlažnomrh80vozduhe AT râbcevav komponentnyisostavaktivnyhčasticvobʺemnombarʹernomrazrâdenasuhomotnositelʹnaâvlažnostʹrh20ivlažnomrh80vozduhe AT sološenkoia komponentniiskladaktivnihčastinokuobêmnomubarêrnomurozrâdíusuhomuvídnosnavologístʹrh20tavologomurh80povítrí AT ciolkovv komponentniiskladaktivnihčastinokuobêmnomubarêrnomurozrâdíusuhomuvídnosnavologístʹrh20tavologomurh80povítrí AT pogulâiss komponentniiskladaktivnihčastinokuobêmnomubarêrnomurozrâdíusuhomuvídnosnavologístʹrh20tavologomurh80povítrí AT baženovvû komponentniiskladaktivnihčastinokuobêmnomubarêrnomurozrâdíusuhomuvídnosnavologístʹrh20tavologomurh80povítrí AT ŝedrinai komponentniiskladaktivnihčastinokuobêmnomubarêrnomurozrâdíusuhomuvídnosnavologístʹrh20tavologomurh80povítrí AT râbcevav komponentniiskladaktivnihčastinokuobêmnomubarêrnomurozrâdíusuhomuvídnosnavologístʹrh20tavologomurh80povítrí AT sološenkoia componentcontentofactiveparticlesintovolumebarrierdischargeindryair20relativehumidityrhandhumidairrh80 AT ciolkovv componentcontentofactiveparticlesintovolumebarrierdischargeindryair20relativehumidityrhandhumidairrh80 AT pogulâiss componentcontentofactiveparticlesintovolumebarrierdischargeindryair20relativehumidityrhandhumidairrh80 AT baženovvû componentcontentofactiveparticlesintovolumebarrierdischargeindryair20relativehumidityrhandhumidairrh80 AT ŝedrinai componentcontentofactiveparticlesintovolumebarrierdischargeindryair20relativehumidityrhandhumidairrh80 AT râbcevav componentcontentofactiveparticlesintovolumebarrierdischargeindryair20relativehumidityrhandhumidairrh80 |
| first_indexed |
2025-11-24T16:28:05Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:28:05Z |
| _version_ |
1850485089488601088 |
| fulltext |
КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ АКТИВНЫХ ЧАСТИЦ В ОБЪЕМНОМ
БАРЬЕРНОМ РАЗРЯДЕ НА СУХОМ (ОТНОСИТЕЛЬНАЯ
ВЛАЖНОСТЬ RH ≈ 20%) И ВЛАЖНОМ (RH ≈ 80%) ВОЗДУХЕ
И.А. Солошенко, В.В. Циолко, С.С. Погуляй, В.Ю. Баженов, А.И. Щедрин, А.В. Рябцев
Институт физики Национальной Академии Наук Украины
пр. Науки 46, Киев, 03028,Украина
E-mail: poguly@iop.kiev.ua
Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований компонентного состава хи-
мически активных нейтральных частиц объемного барьерного разряда на сухом (относительная влажность
≈20%) и влажном (≈80%) воздухе. Для вычисления состава нейтральной компоненты плазмы разряда
предложен подход, основанный на усреднении вкладываемой мощности по всему объему разрядного проме-
жутка. Преимуществом такого подхода является отсутствие подгоночных параметров, таких как размеры
микроразрядов, их поверхностная плотность и частота пробоев. Экспериментально измерены концентрации
O3, HNO3, HNO2 и NO3 при изменениях времени горения разряда от 0 до 40 мин, времени пребывания частиц
в разрядном промежутке от 0.3 до 2.4 с и удельной мощности 1.5 Вт/cм3. Установлено, что наилучшее согла-
сие расчета с экспериментом наблюдается при расчетной температуре газовой среды около 400…430 К, ко-
торая близка к измеренной экспериментально вращательной температуре молекул азота. Показано, что для
сухого воздуха согласие расчета с экспериментом лучше, чем для влажного.
PACS: 51.50.+v
1.ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие барьерный разряд при
атмосферном давлении получает все более широкое
применение в технологии. Было показано, что этот
тип разряда может быть использован для модифика-
ции поверхности материалов, создания плоских
плазменных панелей, стерилизации медицинских
инструментов и изделий, очистки индустриальных и
выхлопных газов [1,2] и т.д. Для эффективного ис-
пользования барьерного разряда в каждом конкрет-
ном случае необходимо знать компонентный состав
частиц, которые рождаются в плазме. Наиболее ши-
роко используемая в настоящее время методика
определения компонентного состава основывается
на расчете кинетики плазмы в отдельном микрораз-
ряде и последующем усреднении полученных кон-
центраций частиц по всему разрядному объему. При
таком подходе точность расчета зависит от ряда па-
раметров, которые плохо известны и существенно
зависят от конструкции разрядного промежутка и
типа газа, например, размеров микроразрядов, их
плотности на единицу площади разрядных электро-
дов и частоты возникновения токовых каналов. При-
веденный в настоящей работе расчет основан на
другом подходе, при котором мощность, вкладывае-
мая в разряд, сразу усредняется по объему разряда.
Преимуществом такого подхода является отсутствие
подгоночных параметров.
Целью настоящей работы является теоретиче-
ское и экспериментальное исследование компонент-
ного состава и концентраций активных частиц, ко-
торые генерируются в плазме барьерного разряда на
сухом (относительная влажность ≈20%) и влажном
(≈80%) воздухе. Теоретически и экспериментально
определены зависимости концентрации частиц O3,
HNO3, HNO2 и NO3 от времени горения разряда, вре-
мени нахождения газовой смеси в разрядном проме-
жутке и удельной мощности, вкладываемой в раз-
ряд. Установлено, что в большинстве случаев теоре-
тически полученные концентрации этих частиц на-
ходятся в хорошем согласии с величинами, измерен-
ными экспериментально.
2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ЭКСПЕРИ-
МЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДИК ИЗМЕРЕНИЙ
Экспериментальные исследования компонентно-
го состава активных частиц в объеме барьерного
разряда проводились на устройстве, схема которого
представлена на Рис.1. В качестве диэлектрического
барьера использовалась кварцевая трубка длиной
368 мм, внешним диаметром 26.5 мм и толщиной
стенки 1.5 мм. Внутри трубки располагался профи-
лированный металлический высоковольтный элек-
трод внешним диаметром 21 мм в области четырех
разрядных промежутков.
Длина разрядных промежутков шириной 1.25 мм
составляла 50 мм. В качестве заземленных электро-
дов служила металлическая фольга, навитая на квар-
цевую трубку в областях разрядных промежутков.
Рис.1. Схема экспериментального устройства. 1 –
кварцевая труба; 2 – высоковольтный электрод; 3
– разрядный промежуток; 4 – заземленный элек-
трод; 5 – тефлоновая крышка; 6 – окна из кварца
КУ -1 для оптической диагностики
Для оптической диагностики торцы кварцевой труб-
ки были герметично закрыты тефлоновыми крышка-
ми с окошками из кварцевого стекла КУ-1 диамет-
ром 3 мм и толщиной 2 мм. Система осушки/увлаж-
нения обеспечивала подачу в разрядные промежут-
ки окружающего воздуха с относительной влажно-
стью 20…90% и температурой 20…220С. Объемная
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.105-109. 105
mailto:poguly@iop.kiev.ua
скорость прокачки υ через каждый их разрядных
промежутком изменялась в пределах от 1 до 8 cм3/с,
что соответствовало средним временам пребывания
частиц в разрядном промежутке τ = 2.4…0.3 с.
(Среднее время пребывания частиц в разряде τ =
V/2υ, где V – объем разрядного промежутка). Для
питания разряда использовался источник перемен-
ного напряжении 400 Гц, 15 кВ. Удельная мощность
Wd, вводимая в разряд, изменялась в пределах 0.75…
2.5 Вт/cм3.
Для изучения компонентного состава газовой
смеси внутри разрядного промежутка использовался
программно-аппаратный комплекс на основе моно-
хроматора МДР-23. Дейтериевая лампа ДДС-30 и
лампа накаливания ОР-33-03 использовались в каче-
стве источников излучения непрерывного спектра в
диапазонах длин волн 200…400 и 400…1200 нм со-
ответственно. В качестве детекторов излучения ис-
пользовались фотоумножители ФЭУ-100 и ФЭУ-
39А.
Концентрации частиц внутри разрядного проме-
жутка вычислялись исходя из закона Ламберта-Бу-
гера.
Плотность NO3 вычислялась исходя из поглоще-
ния излучения лампы на длинах волн λ =662 и
623 нм. Плотности O3, HNO3, HNO2, N2O5, H2O2 вы-
числялись исходя из кривой суммарного поглоще-
ния этими частицами в диапазоне длин волн 200…
300 нм. При вычислении концентраций частиц ис-
пользовались сечения поглощения из [3].
3. МОДЕЛЬ РАЗРЯДА
Как известно, барьерный разряд представляет со-
бой совокупность филаментарных микроразрядов (с
длительностью ≈10…100 нс и диаметром ≈0.1 мм)
стохастически распределенных во времени и объеме
разрядного промежутка. Как правило [4], при опре-
делении концентраций частиц в разряде вначале
рассчитывается плазменная кинетика в отдельных
токовых каналах микроразрядов, а затем через вре-
мя порядка времени диффузии (~10-3 с) производит-
ся усреднение концентраций всех компонент по все-
му объему разрядного промежутка. При таком под-
ходе имеются ряд параметров, которые плохо из-
вестны и существенно зависят от конструкции раз-
рядного промежутка и типа газа – размеры, плот-
ность на единицу площади разрядных электродов и
частота возникновения токовых каналов. Эти пара-
метры обычно являются подгоночными.
Приведенный в настоящей работе расчет основан
на другом подходе, при котором мощность, вклады-
ваемая в разряд, сразу усредняется по объему разря-
да. При таком подходе корректно описываются про-
цессы, линейные по концентрации электронов, а
также нелинейные с характерными временами реак-
ций большими времени диффузии (t > 10-3 с). По-
скольку характерные времена химических реакций
между продуктами диссоциации в токовых каналах
в основном превышают 10-2 с, то используемый
нами подход является корректным. Кроме того, пре-
имуществом такого подхода является отсутствие
свободных параметров.
При проведении расчетов процессы на электро-
дах барьерного разряда не учитывались.
При расчете компонентного состава плазмы, кон-
центраций молекул и радикалов, образующихся в
объеме барьерного разряда, использовались кинети-
ческие уравнения баланса частиц:
...
,
+++= ∑ ∑
j lj
ljjljjei
i NNkNkS
dt
dN
(1)
Здесь Ni – концентрации молекул и радикалов; kj, kjl
– скоростные константы молекулярных процессов;
Sei – скорость образования продуктов электронно-
молекулярных реакций, которая рассчитывалась из
уравнения:
∑∑ +ε
=
j
j
j
ej
ei
ei
ei WW
W
V
WS 1
. (2)
W – мощность, вкладываемая в барьерный разряд; V –
объем барьерного разряда; Wej – удельная мощность,
расходуемая на электронно-молекулярный процесс
неупругого рассеяния с пороговой энергией εei:
∫
∞
εεεεε=
0
)()(2 dfQNn
m
qW eieiieei , (3)
где q = 1.602⋅10-12 эрг/эВ; m и ne – масса и концентра-
ция электронов; Qei – сечение соответствующего
неупругого процесса; f(ε) – функция распределения
электронов; Wi – удельная мощность, затрачиваемая
на нагрев газа:
∫
∞
=
0
2 )()(22 εεεε dfQNn
m
q
M
mW iie
i
i , (4)
где Mi – масса соответствующего типа молекул, Qi –
транспортное сечение рассеяния.
Функция распределения электронов рассчитыва-
лась из уравнения Больцмана в двухчленном при-
ближении [5, 6].
В расчетах предполагалось, что электрическое
поле в разряде не изменялось в пространстве и вре-
мени и принималось равным 20 кВ/cм, что, как сле-
дует из работы [7], является средним значением
поля в барьерном разряде на воздухе.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕ-
ЛИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТНОГО
СОСТАВА ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ
ОБЪЕМНОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА
На Рис.2 представлена расчетная зависимость
концентраций нейтральных компонент в разрядном
промежутке от времени пребывания газовой смеси в
разрядном промежутке при Wd = 1.5 Вт/cм3 и темпе-
ратуре газовой смеси 425 К для сухого воздуха. Из
рисунка видно, что в первоначальные моменты вре-
мени развития разряда (до ~10-4…10-3 с) концентра-
ции всех компонент практически линейно возраста-
ют со временем, а затем их поведение при τ≅ 0.01 с
начинает меняться. Одни компоненты выходят на
стационарное значение концентрации, другие про-
должают слабо нарастать, а концентрация некото-
рых компонент начинает уменьшаться со временем
пребывания газоразрядной смеси в разрядном про-
межутке. Зависимость концентраций компонент от
106
времени пребывания для влажного воздуха, носит
аналогичный характер.
1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 10
1E8
1E9
1E10
1E11
1E12
1E13
1E14
1E15
1E16
1E17
HNO
4
N
O
N2O
N2O4
HNO
3
HNO
2
N2O5
NO
2
NO
NO3
H
2
O
2
HO
2
OH
O
3
Ко
нц
ен
тр
ац
ия
N
i, с
м
3
Время τ , с
Рис.2. Расчетные зависимости концентраций раз-
личных компонент от времени пребывания газовой
смеси в разрядном промежутке. Удельная мощ-
ность Wd=1.5 Вт/cм3. Температура газовой смеси
425К, относительная влажность воздуха 20%
На Рис.3,а,б приведены расчетные зависимости
концентраций компонент O3, HNO3, HNO2, N2O5,
H2O2 и NO3 для сухого и влажного воздуха от темпе-
ратуры газовой среды при удельной мощности Wd=
1.5 Вт/cм3 и τ=0.3с. Как видно из приведенного ри-
сунка в обоих случаях концентрации HNO3, HNO2
практически не зависят от температуры, концентра-
ция O3 в интервале температур 300…500 К падает
почти на два порядка, а концентрации таких компо-
нент как N2O5 и NO3 вначале нарастают, затем про-
ходят через максимум при Тd≈400 К и начинают па-
дать. При этом, если концентрация NO3 падает где-
то на порядок, концентрация N2O5 почти на 3-4 по-
рядка. Основным процессом, приводящим к развалу
N2O5 на NO3 и NO2, является реакция:
N2O5 + M → NO3 + NO2 + M. (1)
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТА-
ТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Поскольку скорости многих реакций существен-
но зависят от температуры частиц, для корректного
сравнения результатов расчета и экспериментов
необходимо знать температуру газовой смеси. Для
этого были проведены измерения вращательной
температуры молекул азота Trot, (как известно, вра-
щательная температура газа близка к поступатель-
ной). Для определения вращательной температуры
использовался переход 0 - 0 второй положительной
системы азота 3 3
2( )u gN C BΠ → Π , λ =337.13 нм.
При этом измеренная нами вращательная темпера-
тура составила Trot≈ 400±12 К для сухого воздуха и
430±15 К для влажного.
На Рис.4,а,б представлены экспериментально по-
лученные зависимости концентраций O3, HNO3,
HNO2, NO3 для сухого и влажного воздуха от време-
ни горения разряда t при среднем времени пребыва-
ния газовой смеси в разрядном промежутке τ=0.3 с и
удельной мощности в разряде Wd=1.5 Вт/cм3. Как
видно из Рис.4,б кривая концентрации NO3 на нем
отсутствует. К сожалению, измерить эту компонен-
ту в разряде на влажном воздухе не удалось, по-
скольку ее концентрация лежит ниже предела для
данной методики измерения.
Из рисунка видно, что в обоих случаях концентра-
ции частиц слабо зависят от времени горения разряда
t.
300 350 400 450 500
1017
1015
1013
T
d
,К
O3
HNO3
N2O5
HNO2
NO3
Ко
нц
ен
тр
ац
ия
N
i, c
м
-3
1011
а)
300 350 400 450 500
1011
1013
1015
Ко
нц
ен
тр
ац
ия
N
i, c
м
-3
Td,K
O3
NO3
N2O5
HNO3
HNO2
1017
б)
Рис.3. Расчетные зависимости концентраций
компонент O3, HNO3, HNO2, N2O5, H2O2 от темпе-
ратуры газовой Тd среды при времени пребывания
газовой смеси в разряде τ = 0.3 с, удельная мощ-
ность Wd= Вт/см3. а) – сухой воздух, б) – влажный
При сравнении расчетных и экспериментально
измеренных значений концентраций частиц следует
принять во внимание различие между “эксперимен-
тальным” средним временем пребывания частиц в
разряде τ и временем пребывания, используемым
при расчете. Эти времена практически совпадают
друг с другом только в том случае, если время пре-
бывания частиц в разряде значительно больше вре-
мени выхода концентрации этих частиц на квазиста-
ционарное значение. Из расчета видно, что это усло-
вие достаточно хорошо выполняется для концентра-
ции O3, HNO2 и NO3 (см. Рис.2). Из этого же рисунка
видно, что концентрация HNO3 монотонно нараста-
ет со временем, и поэтому можно ожидать, что экс-
периментальные значения концентрации HNO3 бу-
дут ниже расчетных.
Сравнение рисунков 3 и 4 показывает, что наи-
лучшее качественное и количественное согласие
расчета и эксперимента наблюдается при температу-
ре газовой смеси около 400…425 К.
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.105-109. 107
Из Рис.4,а,б так же видно, что концентрация озо-
на выше в случае сухого воздуха, в то время как
концентрация водородосодержащих молекул (HNO3
HNO2) выше в случае влажного.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
1017
Время t, мин
O3
HNO3
HNO2
NO3
1016
1015
1014
1013
Ко
нц
ен
тр
ац
ия
N
i, c
м
-3
а)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
1013
1014
1015
1016
Ко
нц
ен
тр
ац
ия
N
i, c
м
-3
Время t, мин
O3
HNO3
HNO2
1017
б)
Рис.4. Экспериментально измеренные зависимости
концентраций O3, HNO3, HNO2, NO3 от времени го-
рения разряда t при τ = 0.3 с: а) – сухой воздух;
б) – влажный
На Рис.5,а,б приведены сравнения эксперимен-
тальных и расчетных данных для сухого и влажного
воздуха при Т=425 К и τ=0.3 с. Как видно, расчет-
ные значения концентрации O3 для сухого воздуха
(Рис.5,а) хорошо совпадают с измеренными в экспе-
рименте. Концентрации HNO3 и NO3 отличаются от
расчетной в 1.5…2 раза. Наибольшее расхождение
между концентрацией измеренной в эксперименте и
полученной в расчете для HNO2. При этом измерен-
ная концентрация превышает расчетную на порядок.
На наш взгляд, возможными причинами такого
превышения экспериментально измеренных концен-
траций HNO2 над расчетными могут быть:
а) слишком высокая скорость гибели HNO2 в реак-
ции, используемой в расчете;
б) пренебрежение при расчете процессами рождения
HNO2 на стенках разрядного промежутка, например,
в реакции:
NO + OH + M → HNO2 + M. (2)
В случае сухого воздуха (Рис.5,б) наблюдается
аналогичная картина, отличающаяся тем, что расхо-
ждение между расчетом и экспериментом немного
больше для HNO3 nтеор/nексп ≈4.3. И еще больше для
HNO2 . Измеренная концентрация для этой компо-
ненты в 35 раз превышает расчетную. Это связано с
тем, что при одной и той же мощности в разряде с
увеличением влажности поверхностная плотность
микроразрядов уменьшается при одновременном
увеличении роста тока в каждом из микроразрядов
[8]. Таким образом, хуже выполняется условие
усреднения разрядной мощности по объему разряд-
ного промежутка, которое является ключевым в на-
шей модели.
1E12 1E13 1E14 1E15 1E16 1E17
Концентрация N
i
, см-3
Эксперимент
Расчет
NO
3
HNO
2
HNO3
O
3
а)
1E12 1E13 1E14 1E15 1E16 1E17
HNO2
HNO
3
Концентрация Ni, см-3
Эксперимент
Расчет
O
3
б)
Рис.5. Сравнение экспериментальных данных с рас-
четом. Удельная мощность Wd=1.5Вт/cм3. Темпе-
ратура газовой смеси в расчете 425 К, τ = 0.3 с
а) – сухой воздух, б) – влажный
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе предложен новый подход для
расчета компонентного состава активных частиц в
филаментарном объемном барьерном разряде. В об-
щепринятой на сегодняшний день модели расчета,
сначала рассчитывается плазменная кинетика в
отдельных токовых каналах микроразрядов, а затем
через время порядка времени диффузии (10-3) прово-
дится усреднение концентраций по всему разрядно-
му объему. В отличие от общепринятой, основная
идея нашей модели – это одновременное усреднение
вкладываемой в разряд мощности по всему разряд-
ному объему. Достоинством такого подхода являет-
ся отсутствие подгоночных параметров, связанных с
филаментарной природой барьерного разряда, а так-
же корректное описание процессов линейных за
концентрацией электронов и нелинейных с времена-
ми реакции большими чем время диффузии.
Результаты численного моделирования хорошо
согласуются с экспериментальными данными для
сухого воздуха и испытывают большее расхождение
108
для влажного воздуха вследствие неоднородности
разряда.
ЛИТЕРАТУРА
1. U. Kogelschatz //Plasma Chem. Plasma Process.
2003, v.23, p.46.
2. R.H. Amirov, E.I. Asinovsky, I.S. Samoilov and
A.V. Shepelin // Plasma Sources Sci. Technol.
1993, v.2, p.289.
3. R. Atkinson, D.L. Baulch, R.A. Cox et al // Atmos.
Chem. Phys. 2004, №4, p.1461-1738.
4. I. Stefanovic, N.K. Bibinov, A.A. Deryugin,
I.P. Vinogradov, A.P. Napartovich and K. Wiese-
mann // Plasma Sources Sci. Technol. 2001, v.10,
p.406.
5. P.M. Golovinskii and A.I. Shchedrin // Sov. Phys.-
Tech. Phys. 1989, v.34, р.159
6. Ann C. Gentile, Mark J. Kushner // Journal Appl.
Phys. 1995, v.78, №3, р.2074.
7. D. Braun, V. Gibalov, G. Pietsch // Plasma Sources
Sci. Technol. 1992, №1, р.166.
8. Z. Falkenstein et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1997,
v.30, p.817-825.
COMPONENT CONTENT OF ACTIVE PARTICLES INTO VOLUME BARRIER DISCHARGE IN DRY
AIR (≈ 20% RELATIVE HUMIDITY (RH)) AND HUMID AIR (RH≈ 80%)
I.A. Soloshenko, V.V. Tsiolko, S.S. Pogulay, V.Yu. Bazhenov, А.I. Shchedrin, А.V. Ryabtsev
In paper the results of experimental and theoretical studies of the component content of chemically active electi-
cally neutral particles in the barrier discharge in dry air (RH≈ 20%) and humid air (RH≈ 20%) are presented. For
calculations of neutral component concentrations we proposed approach that based on contributed power averaging
over entire volume of the discharge gap. The proposed approach advantiges are absent of following fitting parame-
ters: the sizes of microdischarges, their surface density, the breakdown frequency. The concentrations of O3, HNO3,
HNO2 и NO3 are measured experimentally with 1.5 W/cm2 specific power in the discharge and variations of tran-
sient time of the particles in the discharge gap in range from 0.3 to 2.4 s and time of accumulation of the particles in
wiorking chamber in range from 0 to 40 minutes. It is shown that the best agreement of the calculation and the ex-
periment is observed at calculation gas medium temperature in the discharge of about 400…430 K which is close to
experimentally measured rotational temperature determined of second positive system of N2. It is shown also that for
dry air agreement between experiment and calculation is better than for humid air.
КОМПОНЕНТНИЙ СКЛАД АКТИВНИХ ЧАСТИНОК У ОБ’ЄМНОМУ БАР’ЄРНОМУ РОЗРЯДІ У
СУХОМУ (ВІДНОСНА ВОЛОГІСТЬ RH≈ 20%) ТА ВОЛОГОМУ (RH≈ 80%) ПОВІТРІ
І.О. Солошенко, В.В. Ціолко, С.С. Погуляй, В.Ю. Баженов, А.І. Щедрін, А.В. Рябцев
Представлені результати експериментальних та теоретичних досліджень компонентного складу хімічно
активних нейтральних частинок об’ємного бар’єрного розряду у сухому (відносна вологість ≈ 20%) та
вологому (≈ 80%) повітрі. Для розрахунку складу нейтральної компоненти плазми розряду запропонований
підхід, що оснований на усередненні вносимої потужності по всьому об’єму розрядного проміжку.
Перевагою такого підходу є відсутність підгоночних параметрів, таких як розміри мікророзрядів, їх
поверхнева густина та частота пробоїв. Експериментально виміряні концентрації O3, HNO3, HNO2 та NO3
при змінах часу горіння розряду від 0 до 40 хвилин, часу перебування частинок у розрядному проміжку від
0.3 до 2.4 с та питомою потужністю 1.5 Вт/cм3. Встановлено, що найкраще узгодження розрахунку з
експериментом спостерігається при розрахунковій температурі газового середовища близько 400…430 К,
котра близька до виміряної експериментально обертальної температури молекул азоту. Показано, що для
сухого повітря узгодженість розрахунку з експериментом краще, ніж для вологого.
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.105-109. 109
|