Российские исследователи разработали электродинамическую модель, которая описывает процессы формирования плазменных филаментов в микроволновых разрядах при атмосферном давлении. Такие разряды широко используются в плазмохимии для синтеза азотных удобрений, водорода и наноструктур, таких как углеродные нанотрубки, которые находят применение в электронике и оптике. Предложенная модель поможет улучшить работу микроволновых источников плазмы атмосферного давления.
🔹
Ионизированный газ, известный как плазма, применяется при синтезе различных химических соединений, таких как водород, азотные удобрения, углеродные нанотрубки. Одним из преимуществ плазменного синтеза по сравнению с традиционными химическими процессами является его способность к проведению реакций с минимальным выбросом парниковых газов, что способствует «зеленому» производству.
Ученые из Института прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН (ИПФ РАН, Нижний Новгород) создали численную модель, описывающую физические механизмы формирования плазменных нитей в микроволновом разряде, возникающем в газах при атмосферном давлении.
В рамках электродинамической модели физики исследовали пространственные распределения электронной концентрации в филаментах, температуру газа и напряженность электрического поля СВЧ-волн, вызывающего разряд.
Исследования показали, что внутри плазменных филаментов внешнее электрическое поле усиливается и тем самым обеспечивает выделение энергии, достаточное для нагрева газа до 6000–7000 Кельвинов (5700–6700 °С) и создания сверхвысокой электронной плотности.
Согласно модели, вокруг плазменных нитей образуется неравновесный плазменный ореол, где создаются благоприятные условия для протекания реакций плазменного синтеза.
Кроме того, исследователи выяснили, что для поддержания нитевидного разряда необходимо минимальная мощность микроволнового излучения в размере 800-1000 Ватт, что приблизительно соответствует мощности обычной домашней микроволновой печи. Знания о данной характеристике важны для конструирования источников неравновесной плазмы.
«Полученные в данной работе результаты могут стать основой для построения неравновесных газоразрядных систем высокого давления, с помощью которых можно будет на практике проводить реакции плазменного синтеза. В дальнейшем мы планируем модифицировать разработанную модель плазменных нитей, учтя в ней разницу в температурах газа и электронов. Вместе с этим мы сконструируем оптимизированные газоразрядные установки для решения современных задач прикладной плазмохимии», – рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Синцов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной физики плазмы Института прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Physics of Plasmas.
Источник: Российский научный фонд. На заглавном фото – экспериментальная установка. Автор фото: Сергей Синцов.
