Ученые разработали самосогласованную электродинамическую модель, которая описывает условия формирования в микроволновых разрядах атмосферного давления плазменных филаментов — тонких нитей в газе с повышенной электронной плотностью и температурой. Такие разряды используются в плазмохимии для высокоэффективного синтеза азотных удобрений, водорода, а также объемных наноструктур, например углеродных нанотрубок, широко используемых в электронике и оптике. Предложенная модель поможет усовершенствовать микроволновые источники плазмы атмосферного давления. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Physics of Plasmas.
Плазма — ионизированный газ — может использоваться при синтезе широкого спектра химических соединений, например водорода, азотных удобрений, углеродных нанотрубок. Одно из преимуществ плазменного синтеза по сравнению с ныне используемыми химическими процессами состоит в том, что он позволяет проводить реакции с минимальным выбросом парниковых газов, а значит, обеспечить «зеленое» производство.
Ученые из Института прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) разработали численную модель, описывающую физические механизмы, благодаря которым в микроволновом разряде, создаваемом в газах при атмосферном давлении, формируются плазменные нити.
В самосогласованной электродинамической модели физики рассчитали пространственные распределения концентрации электронов в филаментах, температуры газа и напряженности электрического поля СВЧ-волны, создающей 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 формируется неравновесный плазменный ореол. Именно в этой зоне, объем которой в сто раз превышает объем плазменных нитей, создаются благоприятные условия для протекания реакций плазменного синтеза.
Кроме того, авторы определили, что минимальная мощность микроволнового излучения, при которой удается поддерживать нитевидный разряд, составляет 800–1000 Ватт, что сопоставимо с мощностью бытовой микроволновой печи. Знания об этой 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», — рассказывает 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.