氮氣放電電漿中振動能級的動理學分析

《氮氣放電電漿中振動能級的動理學分析》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由楊薇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：氮氣放電電漿中振動能級的動理學分析
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊薇
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

含氮氣體放電低溫電漿在工業生產和學術研究的眾多領域得到廣泛關注。非平衡電漿中重要現象的基本理解取決於其中動理學過程的認識，而核心過程之一就是分子振動自由度的動理學。在高電壓瞬時脈衝或高功率微波重頻放電條件下，振動自由度會被高度激發至遠離平衡態。振動能級的能量“蓄水池”作用和振動第一激發態常溫亞穩的特徵能夠調控放電能量在內部自由度之間隨時間轉移和分配，從而影響電離、離解、平動溫度快速上升等巨觀效應。本項目旨在系統研究振動能級動理學在氮氣放電電漿中的作用，基於對完整動理學過程精確參數的計算，建立振動能級全局零維動理學模型，數值求解耦合的振動能級主方程和電子動理學玻爾茲曼方程。深入探索振動能級在非平衡電漿中的弛豫機制，闡明振動能級動理學與其它動理學相互耦合作用的關係，掌握放電條件以及電漿參數對於振動能級動理學的影響，從而揭示振動能級動理學對於電漿巨觀效應影響的物理機制。

結題摘要

本項目針對含氮氣體放電低溫非平衡電漿中涉及氮氣振動自由度的能量轉移機制，開展了相關反應截面參數和放電動理學過程研究。首先，對於電子與氮氣的非彈性碰撞振動激發過程，基於第一性原理的計算化學所得參數構建振動能級分布函式隨時間變化的主方程，數值結果發現振動激發中的“雙溫”結構。然後，在納秒直流脈衝大氣彌散放電過程中全面考慮了涉及振動能級的激發過程、振動-平動弛豫過程、電子激發態與振動能級激發的耦合過程、化學反應對振動能級的激發過程等，數值模擬獲得了在放電過程中和脈衝間隙振動溫度及平動溫度隨時間的變化，並與相干反斯托克斯拉曼光譜實驗和發光光譜實驗所測的數據吻合一致。基於上述分析，發展了一種微秒脈衝微波束聚焦氣體放電電漿的流體動理學模型。聚焦微波束氣體放電時空特性理論模型的控制方程包括電磁場的波動方程，帶電粒子的連續性方程組，亞穩態粒子的連續性方程組，電子溫度以及氮氣分子振動溫度和平動溫度的能量平衡方程組。上述場量依賴於亥姆霍茲波動方程中聚焦微波束的透射和反射效應。分別對X波段微波在氣壓100-500 Pa氮氣中的擊穿過程和W波段微波在壓強1-100 Torr大氣的擊穿過程進行了數值模擬。在氮氣擊穿放電模擬過程中發現亞穩態N2(C3Πu)的數密度峰值對應的空間位置向微波源的方向移動，且其空間積分表現出與實驗第二正帶隙光強一致的時間分辨特性。在大氣擊穿模擬中得到的閾值與通過透射波形的實驗測量一致。在擊穿閾值附近，振動溫度的大小在3000-4000 K，隨氣壓的變化顯示出類帕型曲線的趨勢；而氣體溫度的大小在300-700 K,隨著氣壓增加而單調減小。在本項目支持下，公開發表學術期刊論文8篇，其中SCI收錄6篇，中文核心2篇；項目成員參加國內外會議4次，並與同行進行了充分交流。