CC BY
26
4. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Корженко Н.М., Сеидов Р.Р., Уртенов М.Х. Теория стационарного переноса бинарного электролита в слое Нернста//Доклады РАН. 1998. Т. 361. №2.С. 208.
5. Уртенов М.Х. Краевые задачи для систем уравнений Нернста-Планка-Пуассона// Краснодар.: КубГУ, 1998, 126c.
6. Лаврентьев А.В., Уртенов М.Х. Метод регулярного представления сингулярно возмущенных уравнений// Краснодар, КубГТУ, 2002, 134c.
7. Лаврентьев А.В., Уртенов К.М., Хромых А.А., Чубырь Н.О. Полная декомпозиция неодномерной системы уравнений Нернста-Планка-Пуассона для бинарного электролита // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2009. N2. С. 32-37.
8. Лаврентьев А.В., Письменский А.В., Уртенов М.Х. Математическое моделирование переноса в электромембранных системах с учетом конвективных течений// Краснодар.: КубГТУ, 2006, 146c.
9. Ньюмен Дж. Электрохимические системы. М.: Мир,1977. 463c.
10. Уртенов М.Х., Сеидов Р.Р. Математические модели электромембранных систем очистки воды// Краснодар.: КубГУ, 2000 140c.
Луценко Ю.Ю.1, Власов В.А.2, Зеленецкая Е.П.3
'Кандидат физико-математических наук, доцент, Томский политехнический университет; 2Доктор физико-математических наук, профессор, Томский государственный архитектурно-строительный университет; 3Ассистент, Томский политехнический
университет
ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ФАКЕЛЬНОГО РАЗРЯДА В СМЕСИ АТОМАРНЫХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВ
Аннотация
Приведены результаты измерений осевого распределения электронной и газовой температуры высокочастотного факельного разряда, горящего в смеси воздуха и аргона при атмосферном давлении. Показано отсутствие существенного влияния добавок молекулярного газа на характеристики плазмы атомарного газа.
Ключевые слова: плазма, температура, факельный разряд.
Lutsenko Yu.Yu.1, Vlasov V.A.2, Zelenetskaya E.P.3
'Candidate of physical and mathematical Sciences, docent, Tomsk Polytechnic University; 2 Doctor of physical and mathematical Sciences, professor, Tomsk State University of Architecture and Buildings; 3Assistant, Tomsk Polytechnic University;
SPECIAL FEATURES OF FLARE DISCHARGE BURNING IN A MIXTURE OF ATOMIC AND MOLECULAR GASES
Abstract
This paper presents the measurement results of an axial distribution of electron and gas temperature of high frequency flare discharge burning in air and argon mixture at ambient pressure. It is represented failure significant influence of molecular gas additive on atomic gas characteristics.
Keywords: plasma, temperature, flare discharge.
В настоящее время при проведении плазмохимических процессов в качестве плазмообразующего газа часто используют смесь воздуха и атомарных газов. В первую очередь это относится [1] к плазме в воздухе и в газах, входящих в его состав. Использование такой плазмы в различных технологических процессах наиболее оправдано из-за низкой стоимости плазмообразующих газов. Это относится не только к основным компонентам воздуха - азоту и кислороду, но и к малой примеси - аргону, стоимость которого на порядки ниже, чем других инертных газов.
В настоящей работе рассмотрено влияние добавок молекулярного газа на температуру разряда, горящего в одноатомном газе. В качестве одноатомного газа использовался аргон, а в качестве молекулярного газа - воздух.
Плазма факельного разряда, горящего в одноатомных газах, характеризуется значительным отрывом электронной температуры от газовой температуры. Данный отрыв температур обусловлен низкой эффективностью передачи энергии от электронов к атомам газа. В случае использования в качестве плазмообразующего газа молекулярного газа эффективность этого процесса значительно возрастает вследствие появления дополнительных каналов передачи энергии. Дополнительные каналы передачи энергии обусловлены существованием у молекулы колебательных и вращательных степеней свободы. Поэтому плазма разряда, горящего в молекулярных газах, характеризуется более высокой газовой температурой и меньшим отрывом газовой температуры от электронной температуры в отличие от плазмы разряда, горящего в атомарном газе.
В настоящей работе проводились измерения газовой и электронной температуры плазмы разряда при различной величине соотношения аргона и воздуха в плазмообразующем газе.
Исследовался факельный разряд мощностью около 1 кВт. Разряд возбуждался в кварцевой трубке диаметром 28 мм на частоте 37 МГц. Измерения газовой и электронной температур проводились на расстоянии 70 мм от электрода. Заметим, что температура факельного разряда незначительно меняется [2] вдоль его оси. Поэтому измерения, проведённые для одной точки разряда, будут характеризовать плазму разряда в целом.
Излучение от исследуемого объёма разряда посредством линзы проецировалось на щель спектрографа MSDD 1000. Измерение газовой температуры проводилось по относительной интенсивности вращательных переходов молекулярной полосы гидроксила 3064 А. Использовались линии колебательной ветви Qb Выбирались линии свободные от наложения других линий - Q^, Q^, Q^, Qi10. Для того чтобы отсечь излучение от других частей разряда использовалась диафрагма шириной 5 мм.
Результаты измерений газовой температуры факельного разряда при различной концентрации Д воздуха в плазмообразующем газе представлены на рис. 1.
32
< 0,0 О, 0,1 0,2 0,2 о,
5 10 5 0 5 30
А, %
Рис. 1. Зависимость газовой температуры факельного разряда, горящего в смеси аргон - воздух от концентрации воздуха
Как видно из рис. 1 газовая температура факельного разряда при добавлении молекулярного газа в атомарный газ увеличивается достаточно монотонным образом. Отсутствует упоминаемое в работе [3] резкое увеличение газовой температуры при добавлении в плазмообразующий газ воздуха. Отметим, однако, что изменение температуры при малых величинах концентрации воздуха максимально. При большей концентрации воздуха в плазмообразующем газе рост температуры уменьшается.
Наряду с измерениями газовой температуры проводились измерения электронной температуры факельного разряда, горящего в смеси аргон-воздух. Измерения электронной температуры факельного разряда проводились методом Орнштейна по относительной интенсивности линий меди. Пары меди попадали в плазму разряда за счёт испарения материала поверхности медного водоохлаждаемого электрода. Использовались линии меди 5106А, 5153А и 5218А. Энергии и относительные вероятности переходов, соответствующих данным линиям были взяты из работы [4].
Результаты измерений электронной температуры факельного разряда при различной концентрации воздуха в плазмообразующем газе представлены на рис. 2.
0
0
0 0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3
5 0 5 0 5 0
А, %
Рис. 2. Зависимость электронной температуры факельного разряда, горящего в смеси аргон-воздух от концентрации воздуха
Из рис. 2 следует, что при увеличении доли молекулярного газа в атомарном газе электронная температура уменьшается. При этом разрыв между электронной и газовой температурами уменьшается, и плазма разряда становиться более равновесной.
Согласно проведённым измерениям величина отношения электронной температуры к газовой температуре при добавлении в аргон воздуха в концентрации менее 30% находиться в пределах Te/T ~ 2,7...3,2. Следовательно, изменение разрыва между электронной и газовой температурами при этом не превышает 20 %.
Таким образом, введение молекулярного газа в атомарный газ не оказывает столь значительного влияния на характеристики разрядной плазмы, как это предполагалось [3] ранее.
Литература
1. Мещанов А.В. Экспериментальное исследование кинетики электронов и электронных процессов в плазме в аргон-азотных смесях и воздухе: дис. канд. физ.-мат. наук. - Санкт-Петербург, 2004. - 156с.
2. Луценко Ю.Ю., Власов В.А., Зеленецкая Е.П. Влияние осевой неоднородности плазмы высокочастотного факельного разряда на его электродинамические характеристики // Теплофизика и аэромеханика. - 2014. - №.1. - с.117 - 122.
3. Тихомиров И.А., Тихомиров В.В., Шишковский В.И. О функции распределения электронов по энергиям в ВЧ факельном разряде // Известия Вузов. Физика. - 1974. - №4. - с.462-464.
33
4. Hess H., Kloss H.-G., Rademacher K., Seliger K. Vergleich zwischen einem Verfahren zur Bestimmung von Bogentemperaturen mit Hilfe von StoBwellen und einer spektroskopischen Methode // Beitrage aus der Plasmaphysik. - 1962. - Bd. 2. - № 3. - S. 171 - 178.
Полищук С.В.1, Смехун Я.А.2
'Магистрант, 2магистрант, Дальневосточный федеральный университет МОДЕЛИРОВАНИЕ НАНОКЛАСТЕРОВ В СТРУКТУРЕ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ
Аннотация
Приведены результаты моделирования электронно-микроскопических изображений наноструктур в аморфных металлических ставах (АМС). Моделирование структуры аморфной матрицы и пространственного распределения нанокластеров в двухкомпонентпых аморфных ставах состава Fe8oB20 осуществлялось методом Ишикава. Для моделирования структуры многокомпонентных АМС разработаны корреляционно-спектральные модели аморфной матрицы и нанокластеров. При моделировании прохождения электронной волны через образец использовался слоевой метод, а для «визуализации» изображений — моделировались оптические схемы высокоразрешающих электронных микроскопов.
Ключевые слова: моделирование изображений наноструктур, нанокластер, корреляционно-спектральные модели.
Polischuk S.V.1, Petrov K.A.2, Smekhun Y.A.3
'Undergraduate, 2undergraduate, 3undergraduate Far Eastern Federal University
THE CLUSTERS MODELING IN STRUCTURE OF AMORPHOUS ALLOYS
Abstract
Article presents the results of modeling electron microscopy images of nanostructures in amorphous metallic alloys. Models of atomic structure of the amorphous alloy Fe80B20 were computed by Ichikawa means. Correlative-spectral models of nanoclusters and amorphous matrix were proposed for multicomponent amorphous alloys structure models. Slice method were used for electron wave propagation simulation. For visualization we use optic schemes of real high resolution electron microscopes.
Keywords: modeling of nanostructures images, nanocluster, correlation and spectral models.
Наноструктуры в АМС. Электронно-микроскопическими исследованиями последних лет установлено, что реальная структура АМС существенно отличается от идеальной картины. На электронно-микроскопических снимках аморфных сплавов визуализированы различные типы наноструктур с размерами от десятых долей до сотен нанометров. Основными причинами возникновения неоднородностей наномасштабов в АМС являются экстремальные условия получения аморфного состояния и внешние воздействия - термообработка, радиационное облучение и др. Изучение наноструктуры - чрезвычайно актуальная задача, поскольку именно она определяет технологические свойства реальных АМС. Получены электронно-микроскопические изображения различных типов наноструктур в АМС: «цепочки», «сетки», квазиволновые структуры, которые визуализируются в аморфной матрице.
Моделирование структуры аморфной матрицы и пространственного распределения нанокластеров в двухкомпонентных аморфных сплавах состава FeS0B20. Методом Ишикава моделировались аморфные кластеры с размером от 2500 до 36000 атомов железа с внедрением в них атомов металлоида и последующей релаксацией структуры. Модели нанокластеров представляли собой искаженные нанокристаллы Fe3B, Fe2B, состоящие из тригональных призм (в центре атом бора и по узлам атомы железа), и кластеры a-Fe. Нанокластеры «внедрялись» в структуру аморфной матрицы. Соотношение числа атомов в аморфной матрице и в нанокластере обычно сохранялось в пропорции 1:10, а минимальный размер аморфного кластера составлял 3x3x3 нм.
Моделирование электронно-микроскопических изображений двухкомпонентных аморфных сплавов. Для
моделирования прохождения электронной волны через аморфный кластер использовался слоевой метод. При этом смоделированный аморфный кластер разбивался на слои (тонкие объекты) вдоль направления распространения электронной волны (оси OZ). При вычислении слоевым методом обычно задастся функция qn(x,y) пропускания каждого из n слоев объекта и частотная характеристика
Н(и1,и2) = exp(ikAz)exp[—iAz(uf + u|)/2fc]
участка свободного пространства между слоями длиной Az (и1,и2 - пространственные частоты, к = 2п/2 - волновое число, X -длина волны). Пусть тонкий слой атомов, лежащих в одной плоскости, создает в пространстве некоторое распределение электростатического потенциала ф(х,у, z), и пусть этот слой освещается плоской электронной волной, распространяющейся вдоль оси OZ, направление которой перпендикулярно плоскости слоя. Функцию прохождения q(x,y) электронов через такой объект можно записать в виде: q(x,y) = exp[-ia^>(x,y)].
Здесь а = п/- постоянная взаимодействия (E - ускоряющее напряжение микроскопа); ф(х, у) - проекция трехмерного распределения потенциала ф(х, у, z) на плоскость монослоя
+ ГС>
ф(х,у) = I ф(х ,y,z)dz
— т
Потенциал отдельного атома слоя хорошо аппроксимируется выражением:
3 3
^а(х.У.г) = 2n2aQe''^' — exp(—2nrJb'i) + 2nS/2qQe'^cid. exp(—n2r2/dt)
;=i ;=i
где г2 = х2 + у2 + z2, а0 - радиус орбиты Бора для электрона, е - заряд электрона, а;, Ь;, с;, dt , - коэффициенты, значения которых зависят от заряда ядра атома и приводятся в соответствующих таблицах. Проекция потенциала фа (х, у) отдельного атома находится интегрированием подфункции фа (х, у, z)
з з
'Ьа(х,У) = 4п2
i0e^aiK0(2nrJb;) + 2n2a0e^ |ехр(—
2М)
=i i=i
где К0 - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка. Нами программно реализована процедура расчета функции пропускания смоделированного аморфного кластера. При моделировании расстояние между слоями выбиралось, исходя из строения внедренных в аморфную матрицу нанокластеров.
Для визуализации распределения поля за объектом имитируется работа электронного микроскопа. При этом оптическая система микроскопа моделируется линейной системой с передаточной функцией:
Н(и1,и2) = А(и1,и2) x
x exp[inXA(ul + uf) — 0,5iCsX3(ul + u2)2 — 0,5n2S2X2(ul + u2)2] где А(щ,и2) - апертура объективной линзы, A - величина дефокусировки, Cs - коэффициент сферической аберрации, S -
34
