Лекция 1. Вводная

Физика и техника низкотемпературной
плазмы, плазмохимия и плазменные
технологии обработки и модификации
свойств материалов
Вводная лекция
1
Объектом плазмохимии является низкотемпературная плазма
в молекулярных газах
Плазмохимия изучает кинетику и механизм химических превращений
и физико-химических процессов в низкотемпературной плазме.
2
Низкотемпературная плазма
На уровне поверхности земли в атмосфере в среднем в 1 см3 воздуха
содержится 750 положительных и 630 отрицательных частиц.
3
Пути передачи энергии в плазмохимических процессах
E
катод
-
анод
ê
ê
ê
v
+
ω = 40,68 МГц
4
КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ПЛАЗМОХИМИИ
ЛЕКЦИЯ № 1. ВВОДНАЯ.
Определение плазмохимии.
Объект и основные особенности плазмохимии.
Структура курса лекций.
Рекомендуемая литература.
ЛЕКЦИЯ № 2. Основные понятия химической кинетики.
Скорость химической реакции.
Закон действующих масс.
Константа скорости химической реакции.
Порядок реакции. Распределение Максвелла.
Внутренняя энергия молекулы.
ЛЕКЦИЯ № 3. Введение в физику плазмы.
Понятие плазмы, квазинейтральность плазмы, дебаевская экранировка.
Радиус Дебая. Потенциал пробной частицы в плазме. Плазменные колеба
Классическая и вырожденная плазма. Идеальная и неидеальная плазма.
Степень ионизации. Формула Саха.
5
2. Основные понятия химической кинетики
Скорость химической реакции.
Скорость химической реакции определяется как изменение концентрации одного из
реагирующих веществ за единицу времени.
F2 + NO = NOF + F
Например, для реакции A + B → C
dCC
dC A
v

dt
dt
Закон действующих масс:
Скорость элементарной химической реакции
в каждый момент времени пропорциональна
концентрациям реагентов.
v=
k·CA·CB
k - константа скорости реакции
Уравнение Аррениуса:
k  A exp(  Ea / kT )
6
ЛЕКЦИЯ № 4. Элементарные процессы в плазме.
Скорость протекания элементарных процессов.
Сечение столкновений. Упругое взаимодействие электронов с
атомами. Эффект Рамзауэра. Неупругие элементарные процессы
первого рода. Возбуждение при соударении электронов с
нейтральными частицами. Селективное колебательное
возбуждение. Прямая и ступенчатая ионизация в плазме.
Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью твердых тел.
ЛЕКЦИЯ № 5. Элементарные процессы второго рода.
Рекомбинация. Ударная рекомбинация. Диссоциативная
рекомбинация. Элементарные процессы в разреженной плазме,
корональное равновесие, формула Эльверта. Каналы релаксации
возбужденных частиц в плазме. Спектры свечения возбужденных
молекул. Спектроскопия. Диссоциативная релаксация
возбужденных молекул. Диссоциация колебательно возбужденных
молекул. Механизм Тринора.
3. Основные понятия физики плазмы
В плазмохимии используется
1. Слабоионизованная плазма
α < 0.01
2. Низкотемпературная плазма
Т < 10 000 К
3. Идеальная плазма
Плазма является слабоионизованной, если длина свободного пробега электронов для взаимодействий
с ионами плазмы больше, чем длина свободного пробега для взаимодействия с нейтральными
8
частицами, α < 0.01. Именно такая плазма реализуется в большинстве плазмохимических устройств.
ЛЕКЦИЯ № 6. Введение в физику газового разряда.
Что изучает физика газового разряда.
Элементарные процессы в газах.
Пробой газов: область слабых полей, область ударной ионизации,
область разряда.
Электронная лавина.
Теория пробоя Таунсенда.
Первый коэффициент Таунсенда.
Второй коэффициент Таунсенда.
Изменение концентрации электронов при развитии лавины.
Пространственное распределение заряженных частиц
в электронной лавине.
ЛЕКЦИЯ № 7. Виды и области применения газовых разрядов.
1. Условие самостоятельности разряда.
2. Кривые Пашена.
3. Время развития разряда.
4. Пробой газа в неоднородном электрическом поле.
5. Возникновение и развитие стримеров
ЛЕКЦИЯ № 8.
Специфические особенности плазмохимических реакций.
Квазиравновесные плазмохимические процессы.
Неравновесные плазмохимические процессы.
Основные понятия в неравновесной химической кинетике.
Принципы организации плазмохимических процессов.
ЛЕКЦИЯ № 9. Типы реакций, встречающиеся в плазмохимии.
Мономолекулярные реакции.
Бимолекулярные и тримолекулярные реакции.
Ударно-радиационная рекомбинация.
Рекомбинация тяжелых частиц в молекулу на поверхности твердых тел
(гетерогенная рекомбинация).
Типы реакций, встречающиеся в плазмохимии
наиболее распространены
• диссоциативная ионизация молекул
• диссоциация через электронно-возбужденные состояния
• диссоциативное прилипание электронов к молекулам
• ступенчатая диссоциация электронным ударом
• диссоциативная рекомбинация при столкновениях молекулярных ионов
с электронами и тяжелых частиц между собой.
11
ЛЕКЦИЯ № 10. Импульсный электронный ускоритель ТЭУ-500
Экспериментальная установка на базе импульсного
электронного ускорителя ТЭУ-500
Объем реактора – 6 л.
Давление газа – до 2 атм.
Температура –до 150 °С
энергия электронов:
до 500 кэВ
выведенный ток:
5-7 кА
длительность импульса:
60 нс
энергия в импульсе:
до 200 Дж
13
ЛЕКЦИЯ № 11. ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
УСКОРИТЕЛЯ ТЭУ-500
1. Пояс Роговского
2. Цилиндр Фарадея, Rш = 0,0485 Ом
3. Емкостной делитель напряжения
4. Дифференциальный делитель напряжения
5. Жидкостной делитель напряжения
6. Калориметр полного поглощения
14
ЛЕКЦИЯ № 12. Short-Pulsed Ion Accelerator and its application
Introduction
1.
Principles of high-power pulsed ion beam (HPIB) formation
2.
Review of high-power pulsed ion accelerators for material science
application (Russia, USA, Japan, China)
3.
Fields of accelerator application
4.
Scientific technical base of HVRI at TPU, Tomsk
5.
Idea of SPIA creation (100 keV, 1 kA, 10 ns), accelerator draft
6.
Perspectives of SPIA application for material analyses
7.
SPIA application in the field of material science
ЛЕКЦИЯ № 13. Неравновесное возбуждение молекул.
Химическое возбуждение. Образование неравновесного
распределения энергии молекул при газодинамическом
расширении газа.
Колебательное возбуждение молекул электронным ударом.
Особенности инициирования плазмохимических процессов
импульсным электронным пучком.
ЛЕКЦИЯ 14. Методы математического моделирования
плазмохимических процессов.
ЛЕКЦИЯ № 15. Цепные газофазные процессы.
Период индукции, предел воспламенения. Классификация цепных
процессов. Неразветвленные цепные реакции. Цепные реакции
с квадратичным разветвлением. Цепные реакции с вырожденным
разветвлением. Цепные реакции с энергетическим разветвлением.
Цепные реакции с участием электрона.
Цепные плазмохимические процессы
Цепными процессами называются хим. превращения и ядерные
процессы, в которых появление промежуточной активной частицы
(свободного радикала, атома, возбужденной молекулы в химических
превращениях, нейтрона - в ядерных процессах) вызывает цепь
превращений исходных веществ.
[Химическая энциклопедия. Под ред. И.Л. Кнунянц, М. 1988, ]
17
1
Инициирование
103-105
Продолжение
цепи
Обрыв
3.5 эВ (900 0С)
Е
CH4
0.9 эВ (500 0С)
0
18
ЛЕКЦИЯ № 16. Цепные химические процессы при внешнем
воздействии.
Цепной процесс окисления водорода. Период индукции
воспламенения при внешнем воздействии на кислород – водородную
смесь. Смещение пределов воспламенения стехиометрической
кислород-водородной смеси при внешнем воздействии.
Колебательный характер воспламенения смеси 2H2+O2
при инициировании импульсным электронным пучком.
Выгорание стехиометрической кислород-водородной смеси.
Конденсации паров воды.
ЛЕКЦИЯ № 17. Конверсия метана в низкотемпературной плазме.
Плазменный пиролиз метана. Пиролиз метана в высокомолекулярные
углеводороды. Использование катализаторов в плазменном
пиролизе метана. Парциальное окисление метана. Углекислотная
конверсия метана. Паровая конверсия метана. Комбинированные
методы плазмохимической конверсии метана.
ЛЕКЦИЯ № 18. Цепная плазмохимическая конверсия метана.
ЛЕКЦИЯ № 19. Плазмохимический синтез нанодисперсных частиц.
Неравновесный плазмохимический синтез нанодисперсных оксидов
металлов. Синтез нанодисперсного диоксида титана при воздействии
импульсного электронного пучка. Неравновесный плазмохимический
синтез композиционных нанодисперсных оксидов.
ЛЕКЦИЯ № 20. Плазмохимическиеметоды получения углеродных
наноструктур. Неравновесные механизмы синтеза углеродных
наноструктур. Выделение фуллеренов из фуллереносодержащей сажи.
ЛЕКЦИЯ № 21. Применение низкотемпературной плазмы
в микроэлектронике.
ЛЕКЦИЯ № 22. Применения низкотемпературной плазмы
в химическом производстве.
Синтез оксидов азота. Плазмохимическая обработка полимеров.
Типы разрядов, применяемые для плазмохимической обработки
полимеров. Механизмы взаимодействия плазмы с полимерами.
ЛЕКЦИЯ № 23. Плазмохимическая обработка медицинских
полимеров.
Плазмохимическая очистка и стерилизация поверхности.
Сшивание и модифицирование поверхностных физико-механических
характеристик в плазме инертных газов. Функционализация и
регулирование гидрофильно-гидрофобных свойств поверхности
полимеров в плазме газового разряда.
ЛЕКЦИЯ № 24. Плазмохимические методы переработки отходов.
Плазменные методы переработки твердых отходов. Окисление
двуокиси серы SO2 в дымовых газах. Деструкция оксидов азота
в газообразных отходах. Разложение органических соединений.
МЕЖДУНАРОДНЫЕ СИМПОЗИУМЫ ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ
И ПРИКЛАДНОЙ ПЛАЗМОХИМИИ
ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
ФНТП-2007»
1 – 5 июля 2007 г.
ПредседательОргкомитета проф. А. Д. Хахаев
Адрес: 185910, Россия, Карелия, Петрозаводск,
Международная конференция
“Газоразрядная плазма и ее применение в технологиях”
International Congress on Radiation Physics and Chemistry
of Inorganic Materials, High Current Electronics, and Modification
of Materials with Particle Beams and Plasma Flows
Tomsk, Russia
РАСПИСАНИЕ ЛЕКЦИЙ
в осеннем семестре 2011-2012 учебного года
нечетная неделя
понедельник
10.25-12.05
вторник
Лекция
корпус 11г,
ауд. 101
четная неделя
8.30-10.15
10.25-12.10
Лекция
корпус 11г,
ауд. 101
Лекция
корпус 11г,
ауд. 101
среда
пятница
Лабораторные
работы
Темы семинарских занятий
1. Тлеющий разряд: условия горения, конструкция и области применения.
2. Дуговой разряд: условия горения, конструкция и области применения.
3. Скользящий разряд: условия горения, конструкция и области применения.
4. Коронный разряд: условия горения, конструкция и области применения.
5. ВЧ-емкостной разряд: условия горения, конструкция и области применения.
6. ВЧ-индукционный разряд: условия горения, конструкция и области применения.
7. СВЧ-разряд: условия горения, конструкция и области применения.
Основное внимание уделить применению в процессах очистки, травления и
восстановления металлических изделий
Рекомендуемая литература:
1. Пушкарев А.И., Ремнев Г.Е. Основы плазмохимии. Низкотемпературная плазма. Учебное пособие для студентов направления
140200 «Электроэнергетика». - Томск: Издательство ТПУ. 2010. - 269 с.
2. Русанов В.Д., Фридман А.А. Физика химически активной плазмы. –
М.: Наука, 1984. – 416 с.
3. Пушкарев А.И., Новоселов Ю.Н., Ремнев Г.Е. Цепные процессы в
низкотемпературной плазме.- Новосибирск: Наука, 2006.-226 с.
4. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Химические процессы в газах.
– М.: Наука, 1981. – 264 с.
5. Денисов Е.Т. Кинетика гомогенных химических реакций.
– М.: Высш. шк.,1988. – 391 с.
6. Химия высоких энергий / Под ред. Л.Т. Бугаенко, М.Г. Кузьмин,
Л.С. Полак. – М.: Химия, 1988. – 368 с.
Рекомендуемая литература:
7. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристалические материалы.
– М.: Физматлит. – 2001. – 223 с.
8. Назаренко О.Б. Электровзрывные порошки. Получение, свойства,
применение / Под ред. А.П. Ильина. – Томск: Изд-во ТГУ, 2005. – 148 с.
9. Арутюнов B.C., Крылов О.В. Окислительные превращения метана.
– М.: Наука, 1998. – 361 с.
10. Штерн В.Я. Механизм окисления углеводородов в газовой фазе. –
М.: Изд-во АН СССР, 1960. – 496 с.
http://portal.main.tpu.ru:7777/SHARED/a/AIPUSH
Примеры использования плазмохимических процессов
Микропроцес
сор
Год выпуска
Число
транзисторов
4004
1971
2.300
8008
1972
2.500
8080
1974
5.000
8086
1978
29.000
286
1982
120.000
Intel 386™
processor
1985
275.000
Intel 486™
processor
1989
1.180.000
Intel®
Pentium®
processor
1993
3.100.000
Intel®
Pentium® II
processor
1997
7.500.000
Intel®
Pentium® III
processor
1999
24.000.000
Intel®
Pentium® 4
processor
2000
42.000.000
Intel®
Itanium®
processor
2002
220.000.000
Intel®
Itanium® 2
processor
2003
410.000.000
В микроэлектронике
28
29
30
31
Плазмохимический синтез нанодисперсного TiO2.
Энергия
электронного пучка
100 Дж
Энергия
8,04 кДж
диссоциации
0.01
моля тетрохлорида
титана
(804
кДж/моль)
Энтальпия реакции 11,8 кДж
окисления водорода
H2 + 0.5 O2 = H2O
241.8 кДж/моль
32
МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН ПОД
ВОЗДЕЙСТВИЕМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
исходная ПЭТФ ТМ
с диаметром пор 0.140 мкм
обработанная в плазме
в течение 5 мин
обработанная в плазме
в течение 1 мин
33
"Умные" мембраны
Изменение
температуры
pH
давления
электрического
поля
магнитного поля
состава раствора
Мембраны с контролируемыми
транспортными свойствами
Конформационное
состояние макромолекул
поверхностного слоя
пор мембран
Набухание
Коллапс
34