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.

Фото экспериментальной установки. Источник: Сергей Синцов.

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 (ИПФ 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.

Фотография плазменной нити, дополненная схемой расположения струи газа аргона. Источник: Сергей Синцов.

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.

Источник: Российский научный фонд.