Образование и эволюция неравновесного аэрозоля в газе атмосферного давления под воздействием коронно-стримерного электрического разряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат физико-математических наук Ситников, Алексей Геннадьевич

• Ситников, Алексей Геннадьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ситников, Алексей Геннадьевич

ф Введение.

Глава 1. Процессы, определяющие образование и эволюцию заряженных аэрозольных частиц в низкотемпературной плазме.

§1.1. Конденсация и испарение в присутствии заряженных частиц.

1.1.1. Образование зародышей жидкой фазы.

1.1.2. Свободномолекулярный и диффузионный режимы процессов испарения и конденсации.

§ 1.2. Коагуляция частиц.

1.2.1. Основное уравнение коагуляции.

1.2.2. Коагуляция заряженных аэрозольных частиц.

§1.3. Осаждение аэрозольных частиц.

1.3.1. Осаждение частиц под действием силы тяжести.

1.3.2. Диффузионное и инерционное осаждение.

1.3.3. Влияние испарения (конденсации) капель на их осаждение.

1.3.4. Осаждение заряженных аэрозолей.

1.3.5. Особенности осаждения пылинок в плазме.

§1.4. Распад заряженных капель.

1.4.1. Критерии устойчивости заряженной капли.

1.4.2. Экспериментальные данные по разрыву заряженных капель.

§1.5. Плазмохимические процессы в аэрозольной плазме.

1.5.1. Трансформация энергии в плазмохимических процессах газового разряда.

1.5.2. Плазмохимия углеводородов.

1.5.3. Влияние аэрозоля на плазмохимические процессы.

§1.6. Заряд аэрозольных частиц.

1.6.1. Приближение ограниченных орбит.

1.6.2. Эмиссионная зарядка частиц.

1.6.3. Диффузионный режим зарядки частиц.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Эксперименты по образованию аэрозоля из ненасыщенных паров углеводородов в коронно-стримерном разряде атмосферного давления. ф

§2.1. Диагностика параметров аэрозоля из гексана и стирола в аргоновой или ц воздушной средах.

2.1.1. Экспериментальная установка для генерации аэрозоля.

2.1.2. Методы диагностики параметров аэрозоля.

§2.2. Результаты экспериментов.

2.2.1. Коэффициент аэрозольного ослабления.

2.2.2. Эволюция функции распределения частиц по радиусу.

2.2.3. Моментные характеристики ансамбля аэрозольных частиц.

2.2.4. Результаты оптической и атомно-силовой микроскопии.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Испарение жидкой капли в газовой среде.

§3.1. Постановка задачи.

3.1.1. Основные приближения теоретической модели.

3.1.2. Граничные условия.

§3.2. Диффузионная модель процесса испарения.

3.2.1. Расчет температуры испаряющейся капли.

3.2.2. Расчет упругости пара у поверхности капли.

3.2.3. Расчет времени испарения капли.

3.2.4. Режим истощения.

3.2.5. Рост и испарение капель в окрестности точки росы.

§3.3. Испарение малых капель.

3.3.1. Температура капли.

3.3.2. Упругость пара у поверхности капли.

3.3.3. Расчет времени полного испарения капли.

§3.4. Испарение заряженных капель.

3.4.1. Температура заряженной капли и скорость её испарения в ^ свободномолекулярном пределе.

3.4.2. Равновесный радиус капли.

3.4.3. Время испарения заряженной капли.

3.4.4. Испарение капли с учетом ее деления по критерию Релея.

§3.5. Границы применимости моделей.

3.5.1. Диффузионная модель.

3.5.2. Модель процесса испарения капли в свободномолекулярном пределе.

3.5.3. Модель испарения заряженной капли.

§3.6 Испарение капель ртути, воды и гексана.

3.6.1. Параметры процесса испарения капель ртути, воды и гексана.

3.6.2. Испарение капель воды.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Расчет скорости ударной ионизации смеси аргона с углеводородом в слабоионизованной плазме объемного разряда.

§ 4.1 Теоретическая модель и общие уравнения.

4.1.1. Основные обозначения и приближения модели.

4.1.2. Решение кинетического уравнения Больцмана.

4.1.3. Функция распределения электронов по энергиям.

4.1.4. Константа ионизации в смеси газов.

§ 4.2. Обсуждение результатов для смесей этан:Аг и гексан:Аг.

4.2.1. Параметры исследуемых газов.

4.2.2. Область применимости модели.

4.2.3. Константа ионизации газовой смеси.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Кинетика формирования неравновесного аэрозоля в газовой среде при воздействии на нее электрическим разрядом.

§5.1. Зародыши жидкой фазы.

§5.2. Оценка концентрации ионов плазмы и массовой концентрации аэрозоля.

§5.3. Плазмохимические процессы.

§5.4. Осаждение частиц в проводящем канале и аэрозольной камере.

§5.5. Коагуляция и испарение аэрозольных частиц.

Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Образование и эволюция неравновесного аэрозоля в газе атмосферного давления под воздействием коронно-стримерного электрического разряда»

Актуальность темы. Благодаря развитию физики газового разряда и импульсной техники открываются новые возможности для использования электрофизических явлений в технических приложениях. Например, многочисленные практические применения находят методы генерации заряженных микро- и наночастиц в электрических газовых разрядах разного вида [1-7]. Такие частицы используются в биохимии, косметике, микроэлектронике и других областях [8-12]. Керамические нанопорошки синтезируются из пересыщенных паров в термической плазме, которая может производиться дуговым, радиочастотным или сверхвысокочастотным разрядами [2]. В работах [3, 4] описывается генерация металлических наночастиц в искровом разряде. В работе [5] указывается, что предварительная ионизация паров реагентов с помощью коронного разряда в С\Т)-реакторе (реактор химического осаждения из паровой фазы) позволила предотвратить агломерацию наночастиц и, тем самым, уменьшить их размеры.

Исследование процессов образования заряженных наночастиц из паров кремния в высокочастотном разряде при производстве полупроводниковых приборов проводятся в связи с нуждами электронной промышленности [1, 13-17]. Такие частицы приводят к браку в полупроводниковых изделиях и называются каплями-убийцами.

Наночастицы часто имеют фрактальную структуру, представляют собой кластеры. Технологии, основанные на применении кластерных пучков, позволяют уменьшить размеры отдельного микроэлемента в электронике до десятков нанометров. В этой связи, актуальны вопросы генерации кластеров и управления движением таких частиц. Именно заряд кластерных частиц играет важную роль как в появлении и росте частиц, так и в направленном их движении [6, 7]. Наиболее эффективными способами генерации металлических кластеров являются газоразрядные методы, при которых разряд приводит к сильному распылению электродов. При высокотемпературном испарении материала парогазовая среда представляет собой смесь ионов и нейтральных атомов или молекул. При резком охлаждении такой системы происходит конденсация пара на ионах и агрегация образовавшихся первичных частиц в кластеры [6, 7]. Для генерации в буферном газе удобен магнетронный разряд или дуговой разряд с катодными пятнами. В вакууме эффективны разряды с взрывной эмиссией на катоде. Область генерации кластеров часто отделена от самого разряда, и генерация происходит при релаксации плазмы [6].

Важную роль играют аэрозольные частицы и в технологиях получения пленок, имеющих наноструктуру [2, 18]. Алмазоподобные пленки, полученные методом С\Т> в газоразрядных установках, часто образуются из появившихся в плазме наноча-стиц [2]. Практический интерес к повышению качества алмазоподобных пленок приводит к необходимости исследования динамики формирования наночастиц в углеводородной газоразрядной плазме [14,19].

Зарядка аэрозоля в коронном разряде применяется в различных электрофильтрах с целью определения параметров аэрозольных частиц в научно-технических задачах, а также, для очищения воздуха от вредных примесей, что актуально в связи с экологией помещений и охраной окружающей среды [8, 20-26].

С другой стороны, взаимодействие аэрозольных частиц и плазмы газового разряда интенсивно исследуется в связи с фундаментальностью данной проблемы. Наличие частиц конденсированной фазы значительно влияет на условия реализации газового разряда. Например, наличие пылинок в газоразрядной плазме может приводить к упорядоченным структурам типа пылевого кристалла или кластера [1, 27-32]. Аэрозольные частицы, являясь центрами рекомбинации электронов и ионов, влияют на ионизационное равновесие плазмы газового разряда. При условиях, достаточных для эмиссионных процессов, частицы могут быть источниками электронов [6, 32-35]. В таком случае, присутствие частиц в газе приводит к снижению пороговой напряженности СВЧ поля и лазерного излучения [34, 36].

Ввиду широкого практического приложения, заряженный аэрозоль получают не только в установках с электрическим разрядом, но и в других электрофизических установках. Например, электрогидродинамическим распылением жидкости через сопло, на которое подается высокое напряжение [37-39]. Часто такой аэрозоль попадает в ненасыщенную паро-газовую среду, и существует необходимость оценки времени его испарения.

Как правило, аэрозоли в электрическом разряде образуются из нелетучих веществ, появившихся в среде за счет протекания плазмохимических реакций [1, 2, 13]. Особенно следует отметить, что при определенных условиях метастабильный аэрозоль может образоваться в газовом разряде даже из ненасыщенных паров. Появление такого аэрозоля было обнаружено в газовой среде атмосферного давления под воздействием высоковольтного коронно-стримерного разряда наносекундной длительности из ненасыщенных паров органических соединений [40, 41] или воды [42]. Несмотря на то, что давление пара летучих жидкостей в экспериментах, описанных в работах [40, 41], время существования субмикронного аэрозоля было аномально большим и составляло десятки минут. Классическая теория испарения не позволяет объяснить ни процесс быстрого роста аэрозоля в ненасыщенном паре, ни процесс его медленного испарения впоследствии. Присутствие заряда на капле летучего вещества изменяет ее свободную энергию, и, следовательно, изменяет условия процесса испарения. С одной стороны, над заряженной каплей уменьшается величина давления насыщенного пара, что должно было бы приводить к уменьшению скорости ее испарения. С другой стороны, присутствие свободного заряда может привести к разрыву капли на части, если испаряющаяся капля достигнет размеров, соответствующих пределу устойчивости [43].

Процесс возникновения аэрозоля в газовом разряде отличается от кинетики атмосферного водного аэрозоля, которая широко исследовалась длительное время [24,44-46]. Последняя определяется, главным образом, процессом образования и конденсационного роста зародышей новой фазы из пересыщенного пара на фоне медленно меняющихся условий в газовой среде [45].

При воздействии на газовую среду электрическим разрядом, возникают многочисленные ионы, которые становятся центрами конденсации для молекул пара. Заро-дышеобразование в этом случае определяется электрофизическими процессами в газовом разряде. Дальнейшая кинетика аэрозоля зависит от относительных скоростей таких взаимосвязанных процессов, как коагуляция заряженных аэрозольных частиц, их перезарядка, испарение (конденсация) и уход на стенки камеры. Существенную роль играют и плазмохимические процессы, т.к. из первичных реагентов будут образовываться вещества с разной степенью упругости пара по отношению к равновесному состоянию. В этой связи, при рассмотрении формирования аэрозоля в газовом разряде атмосферного давления необходим согласованный анализ электрофизических процессов, приводящих к зародышеобразованию, с процессами, определяющими дальнейшую эволюцию аэрозоля. Таким образом, проблема образования конденсированной фазы из ненасыщенных паров в плазме электрического разряда атмосферного давления носит комплексный, фундаментальный характер, и еще достаточно не изучена.

Цель работы: выяснение механизма образования аэрозоля из ненасыщенных паров органических соединений в газовой среде под воздействием электрического разряда и установление основных закономерностей эволюции такого аэрозоля. Из общей цели вытекают основные задачи диссертационной работы:

1. Провести измерения параметров аэрозоля (размер, концентрация, распределение по размерам), образующегося в ненасыщенных парах летучего органического соединения в газе атмосферного давления при воздействии на него импульсного ко-ронно-стримерного разряда.

2. Разработать физическую модель поведения заряженных капель летучей жидкости в газовой среде, позволяющую теоретически рассчитать основные параметры процессов испарения-конденсации и коагуляции-распада капель, и на основе этой модели выявить главные факторы, влияющие на кинетику неравновесного аэрозоля.

3. Построить непротиворечивую картину образования и эволюции заряженного аэрозоля в газовой среде атмосферного давления после воздействия импульсного электрического разряда.

Методы исследования. Построение картины эволюции неравновесного аэрозоля требует привлечения методов сравнения и обобщения эмпирических и теоретических данных, как полученных в данной работе, так и взятых из других литературных источников.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается проведением измерений на стандартной аппаратуре с использованием апробированных и дублирующих методик, на строгом математическом выводе аналитических выражений, согласием экспериментальных результатов и теоретических оценок.

Защищаемые положения: 1. При воздействии высоковольтного коронно-стримерного разряда с параметрами, типичными для электрофизических установок по удалению газообразных примесей (средний энерговклад 4-Ю-2 Дж/см3, средняя скорость ионизации среды на уровне 1013-1014 см"3-с"1), на аргоновую или воздушную среду атмосферного давления, содержащую ненасыщенные пары стирола или н-гексана, удается получить долгоживущий аэрозоль. В первые минуты концентрация аэрозольных частиц зафиксирована на уровне 107 см"3 и их средние радиусы лежат в пределах 100-200 нм. По истечении нескольких часов концентрация аэрозоля снижается на один-два порядка, а функция распределения частиц по размерам имеет два максимума. Причем одна группа частиц по-прежнему имеет средний радиус 100-200 нм, а радиусы частиц второй группы достигают микрометрового размера.

2. Разработана физическая модель испарения заряженных капель жидкости с произвольным коэффициентом конденсации в газе среднего давления (0,1-10 атм), позволяющая аналитически рассчитать время жизни капли с учетом перехода от диффузионного к свободномолекулярному режиму движения испаренных молекул. Модель самосогласованно учитывает влияние коэффициента поверхностного натяжения и электрического заряда капли на давление насыщенного пара, понижение температуры капли, а также возможность распада испаряющейся многократно заряженной капли под действием сил электростатического расталкивания.

3. Показано, что испарение многократно заряженной жидкой капли вследствие её электростатического диспергирования происходит всегда быстрее, чем такой же по размеру незаряженной капли. Именно поэтому не удается объяснить наблюдаемую в экспериментах аномально низкую скорость испарения аэрозоля только наличием на каплях электрического заряда. Низкая скорость испарения аэрозоля и-гексана в аргоновой среде может быть объяснена лишь сильным понижением скорости испарения молекул с поверхности. Это может иметь место, например, при образовании даже малого количества нелетучей или поверхностно-активной примеси в результате протекания плазмохимических реакций.

4. Скорость образования первичных зародышей аэрозоля в ионизованной среде атмосферного давления превышает скорость рекомбинации заряженных частиц даже в случае ненасыщенных паров легких углеводородов. Поэтому начальная массовая концентрация конденсированной фазы стиролового аэрозоля пропорциональна концентрации ионов в разряде. В последующем размер аэрозольных частиц растет, в основном, за счет агломерации, что подтверждается их составной структурой, наблюдаемой в атомно-силовом микроскопе.

Научная новизна:

1. Предложена оригинальная модель испарения многократно заряженной капли.

2. Впервые получены аналитические выражения для интегрального времени испарения единичной капли с учетом влияния поверхностного натяжения на упругость насыщенного пара вблизи поверхности капли.

3. Впервые получены изображения субмикронных и микрометровых частиц, образованных в результате стимулированной конденсации ненасыщенных паров стирола в аргоновой плазме коронно-стиромерного разряда.

4. Экспериментально обнаружено, что при генерации аэрозоля в коронно-стримерном разряде массовая концентрация аэрозоля из я-гексана в аргоне уменьшается с ростом начальной концентрации пара.

Научная ценность работы:

1. Систематизация экспериментальных и теоретических данных полученных как лично автором, так и взятых из литературных источников, позволяет получить непротиворечивое и обоснованное объяснение появления и эволюции неравновесного аэрозоля из углеводородов в газовой среде атмосферного давления под влиянием высоковольтного наносекундного разряда.

2. Предложенная модель испарения многократно заряженной капли позволяет самосогласованно учесть влияние кривизны поверхности и заряда капли на давление насыщенного пара, многократный разрыв капель при их испарении и способность капель с равновесным радиусом и единичным зарядом не испаряться в ненасыщенном паре.

3. Дано качественное объяснение аномально низкой скорости испарения аэрозоля, полученного из стирола и к-гексана в аргоновой среде атмосферного давления при воздействии на нее коронно-стримерным разрядом.

4. Получены общие аналитические выражения для константы ионизации бинарной газовой смеси, которая позволяет путем подбора констант сечений получить обоснованную количественную оценку скорости ионизации смеси аргона и легких предельных углеводородов (этан - гексан) при произвольной концентрации компонент.

Практическая значимость. Исследованный электроразрядный способ генерации аэрозоля из ненасыщенных паров органических соединений может служить основой для получения аэрозольной среды с регулируемыми характеристиками, в том числе для получения твердых полимерных частиц субмикронного размера, а также для разработки электрофизических и плазмохимических технологий очистки газов от органических примесей.

Апробация результатов. Материалы работы обсуждались на научных семинарах Института сильноточной электроники СО РАН и доложены на следующих конференциях: VI международная конференция "Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем" (Томск, 2002), конференция по физике газового разряда "ФГР-ХГ' (Рязань, 2002), XXIX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2002), III Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды" (Томск, 2002), III школа-семинар молодых ученых "Современные проблемы физики и технологии", (Томск, 2002), I всероссийская конференция "Физика и химия высокоэнергетических систем" (Томск, 2005).

Основные результаты работы опубликованы в 11 печатных трудах [60-70], включая 5 статей в рецензируемых научных журналах [61-63, 65, 68].

Личный вклад диссертанта. В диссертации использованы результаты, в получении которых автору принадлежит определяющая роль. Опубликованные работы написаны либо лично автором, либо в соавторстве. В совместных работах диссертант принимал участие в постановке задач, экспериментах, в расчетах, объяснении и интерпретации результатов. Экспериментальная установка предоставлена Н.С. Сочуго-вым (Институт сильноточной электроники СО РАН). Образцы осевших аэрозольных частиц получены автором, им же с использованием оптического микроскопа получены цифровые фотографии частиц. Изображения осадка аэрозольных частиц получены на атомно-силовом микроскопе К.В. Оскомовым (Институт сильноточной электроники СО РАН). Расчет функций распределения частиц по радиусу из полученных диссертантом данных оптической диагностики аэрозоля проводили Э.В. Макиенко и Р.Ф. Рахимов (Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск). Все остальные расчеты и теоретический анализ проблемы проведены автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем работы составляет 137 страниц, включая 38 рисунков, 10 таблиц, библиографический список из 132 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Ситников, Алексей Геннадьевич

Выводы к главе 5

Теоретические оценки, сделанные в предположении монодисперсности частиц, показывают что:

1. Для стиролового аэрозоля в аргоновой среде, оценки массовой концентрации, концентрации и радиуса частиц по порядку величины согласуются с экспериментальными данными. Это позволяет утверждать, что, в экспериментах по образованию аэрозоля из ненасыщенных паров, массовая концентрация стиролового аэрозоля пропорциональна концентрации ионов плазмы коронно-стримерного разряда.

2. Рекомбинация ионов за время образования зародыша уменьшает концентрацию центров конденсации менее чем на 80%. Уход аэрозольных частиц на стенки буферной аэрозольной камеры и проводящей аэрозоль трубки, приводит к уменьшению концентрации аэрозоля не более чем на 10%.

3. Расчетные времена коагуляции и седиментации частиц по порядку величины совпадают с экспериментальным значением времени жизни аэрозоля.

4. Неравновесный аэрозоль из н-гексана, образованный в инертной аргоновой среде, может достигнуть микрометровых размеров при достаточно низкой скорости испарения. В свою очередь, аэрозоль из гексана может иметь такую аномально низкую скорость испарения при коэффициенте конденсации, лежащем в пределах 10"9-Ю'10. Тот факт, что на коэффициент конденсации значительно влияют примеси, позволяет использовать ас для учета влияния плазмохимических процессов на кинетику формирования аэрозоля.

Заключение

В настоящей работе представлены результаты измерений параметров аэрозоля, полученного из ненасыщенных паров углеводородов (стирол или н-гекан) в аргоновой или воздушной среде атмосферного давления при воздействии на нее коронно-стримерным разрядом. А также, проведены теоретические исследования процессов, участвующих в формировании аэрозоля в низкотемпературной плазме газового разряда при давлении порядка атмосферного.

Наиболее значимыми являются следующие результаты:

1. Время жизни неравновесного аэрозоля составляет несколько часов, а радиусы аэрозольных частиц могут достигать микрометрового диапазона.

2. Обнаружено, что при генерации аэрозоля в коронно-стримерном разряде массовая концентрация аэрозоля из »-гексана в аргоне уменьшается с ростом начальной концентрации пара.

3. Исследования образцов аэрозольных частиц из стирола, полученных в аргоновой среде, на атомно-силовом и оптическом микроскопах выявили: частицы с радиусами меньше 0,5 мкм являются агломератами из капелек с радиусом порядка 0,1 мкм, а более крупные капли представляют собой цельные капельки вещества. Агломерированный вид капель свидетельствует о том, что рост частиц определяется коагуляцией.

4. Разработана теория испарения единичной сферической капли в газовой среде, учитывающая основные особенности процесса. В рамках данной теории получены аналитические зависимости от начального радиуса для относительной упругости пара вблизи испаряющейся капли, ее температуры и времени полного испарения. Эти выражения дают корректные оценки в свободномолекулярном, диффузионном и промежуточном режимах испарения. Показано, что в связи с неизбежным делением в процессе своего испарения, наличие многократного заряда на капле приводит к более быстрому ее исчезновению,

5. Предложенная модель процесса ударной ионизации электронами молекул бинарной газовой смеси позволяет аналитически описать немонотонное изменение зависимости константы ионизации от напряженности электрического поля с увеличением процентного содержания легко ионизуемой примеси в аргоне. Эта модель позволяет качественно объяснить уменьшение массовой концентрации аэрозоля при увеличении начальной концентрации пара н-гексана в аргоне.

6. Показано, что характеристики генератора высоковольтных наносекундных импульсов позволяют достичь условий, необходимых для образования и роста неравновесных аэрозольных частиц в коронно-стримерном разряде. Благодаря большой амплитуде импульса напряжения и его короткой длительности, в газовой среде атмосферного давления удается обеспечить достаточно высокую и однородную по объему начальную концентрацию заряженных частиц. Малая величина среднего энерговклада обеспечивает низкую эффективность плазмохимической трансформации углеводорода в аргоновой среде, и аэрозоль остается термодинамически неравновесным.

7. Аномально низкую скорость испарения аэрозоля в экспериментах можно объяснить лишь сильным понижением скорости испарения молекул с поверхности. Это имеет место, например, при образовании даже малого количества нелетучей или поверхностно-активной примеси в результате протекания плазмохимических реакций. В случае с аэрозолем из «-гексана, образованным в инертной аргоновой среде, влияние плазмохимических процессов на испарение капель можно учесть понижением коэффициента конденсации.

Прикладной аспект данной работы заключается в том, что исследованный метод генерации аэрозоля может служить основой для

1) получения аэрозольной среды с регулируемыми характеристиками,

2) получения твердых полимерных частиц субмикронного размера,

3) очистки газов от органических примесей малой концентрации.

В постановочно-проблемном аспекте можно сделать следующие рекомендации по дальнейшему исследованию проблемы:

1. Бимодальность функции распределения частиц по размерам на последних этапах эволюции неравновесного аэрозоля в релаксирующей плазме можно объяснить двумя гипотезами: 1. В результате разрыва заряженных капель при испарении происходит увеличение концентрации мелких капель в спектре размеров;

2. Константа коагуляции заряженных частиц в релаксирующей плазме немонотонно зависит от их радиуса. 2. Для углубления понимания механизма формирования аэрозоля из ненасыщенных паров, необходимо детальное рассмотрение кинетики химических процессов, как в объеме газоразрядной плазмы, так и в жидкой фазе в виде аэрозольных частиц.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю А.В Козыреву. Автор также считает своим долгом поблагодарить Н.С. Сочугова (Институт сильноточной электроники СО РАН) за плодотворное обсуждение и предоставленную экспериментальную установку для генерации аэрозоля, Э.В. Макиенко и Р.Ф. Рахимова (Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск) за расчет функций распределения частиц по радиусу из данных оптической диагностики аэрозоля, а так же К.В. Оскомова (Институт сильноточной электроники СО РАН) за получение изображений осадка аэрозольных частиц на атомно-силовом микроскопе.

128

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ситников, Алексей Геннадьевич, 2006 год

1. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Якубов И.Т. Физика неидеальной плазмы. М: Физматлит, 2004. 528 с.

2. Pfender Е. Thermal plasma technology: where do we stand and where are we going? // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 1999. Vol. 19. # 1. P. 1-31.

3. Kohno H., Honda S., Yamamoto Т., Chang J.S., Berezin A.A. Generation of aerosol particles by spark discharges in a capillary tube uder air flow with trace volatile organic compounds // J. Aerosol Sci. 1994. Vol. 25. P. S41-S42.

4. Makela J.M., Aalto P., Gorbunov B.Z., and Korhonen P. Size distribution from aerosol spark generator//J. Aerosol Sci. 1992. Vol. 23. P. S233-S236.

5. Adachi M., Tsukui S., Okuyama K. Nanoparticle formation mechanism in CVD reactor with ionization of source vapor // Journal of Nanoparticle Research. 2003. Vol. 5. P. 31-37.

6. Смирнов Б.М. Процессы в плазме и газах с участием кластеров // УФН. 1997. Т. 167. № 11. С. 1169-1200.

7. Михайлов Е.Ф., Власенко С.С. Образование фрактальных структур в газовой фазе // УФН. 1995. Т. 165. № 3. С. 263-283.

8. Лившиц М.Н., Моисеев В.М. Электрические явления в аэрозолях и их применение. М.-Л.: Изд-во: Энергия, 1965. 224 с.

9. Seto Т., Hirota A., Fujimoto Т. Sintering of polydisperse nanometer-sized agglomerates //Aerosol Sci. and Technol. 1997. Vol. 27. P.422-438.

10. Shin D.-S., Oh E.-K. and Kim S.-G. Preparation of Polymer Particles in Aerosol- Phase Reaction // Aerosol Sci. and Technol. 1996. Vol. 24. P. 243-254.

11. Feigerle C.S., Bililign S. and Miller J. C. Nanochemistry chemical reactions of iron and benzene within molecular clusters // Journal of Nanoparticle Research. 2000. Vol. 2. P. 147-155.

12. Glikin M., Kutakova D., Prin E. Unsteady processes and aerosol catalysis // Chemical Engineering Science . 1999. Vol. 54 P. 4337-4342.

13. Hong S., Berndt J. and Winter J. Growth precursors and dynamics of dust particle formation in the Ar/CH4 and Ar/C2H2 plasmas // Plasma Sources Sci. Technol. 2003. Vol. 12. P. 46-52.

14. Watanabe Y., Shiratani M., Koga K. Nucleation and subsequent growth of clusters in reactive plasmas // Plasma Sources Sci. Technol. 2002. Vol. 11. P. A229-A233.

15. Desiletsy M., Bilodeauz J.-F. and Proulxy P. Modelling of the reactive synthesis of ultra-fine powders in a thermal plasma reactor // J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. Vol. 30. P. 1951-1960.

16. Satake K., Inoue Y., Ukai O., Takeuchi Y. Behavior of negatives ions and aggregationprocess of particle growth in silane plasma // Applied physics letters. 1998. Vol. 73.13. P. 1799-1801.

17. Blum J. at. al. The effect of substrate temperature on the properties of nanostructured silicon carbide films deposited by hypersonic plasma particle deposition // Journal of Nanoparticle Research. 1999. Vol. 1. P. 31-42.

18. Stoykov S., Eggs C., Kortshagen U. Plasma chemistry and growth of nanosized particlesin a C2H2 RF discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. Vol. 34. P. 2160-2173.

19. Bologa A., Paur H.-R., Seifert H. Basic principles of fine particle charging in a new type of corona discharge electrostatic collector // European. Aerosol Conference, Budapest, Hungary, September 6- 10,2004. P. 63-64.

20. Швыдкий B.C., Ладыгичев М.Г., Швыдкий Д.В. Теоретические основы очистки газов. М.: Машиностроение-1,2001. 502 с.

21. Hautanen J., Kilpelainen М., Kauppinen E.I., Jokiniemi J., and Lehtinen K. Electricalagglomeration of aerosol particles in an alternating electric filds // Aerosol Sci. and Technol. 1995. Vol. 22. P. 181-189.

22. Kruis F.E., Fissan H. Nanoparticle charging in twin Hewitt chager // Journal of Nanoparticle Research. 2001. Vol. 3. P. 39-50.

23. Довгалюк Ю.А., Ивлев Jl.C. Физика водных и других атмосферных аэрозолей: учеб. пособие. Изд. 2-е, переработанное и дополн. СПб: Изд-во С.-Петербургского университета, 1998. 324 с.

24. Davidson J.H., McKinney P.J. Chemical vapor deposition in the corona discharge of electrostatic air cleaners // Aerosol Sci. and Technol. 1998. Vol. 29. P. 102-110.

25. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А., Молотков В.И., Петров О.Ф. Пылевая плазма // УФН. 2004. Т. 174. № 5. С. 495-544.

26. Nefedov А.Р. Liquid and crystal dust structures in low temperature plasmas // Plasma Sources Sci. Technol. 2002. Vol.11. P. A38-A41.

27. Цытович B.H. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака // УФН. 1997. Т. 167. № 1.С. 57-99.

28. Игнатов A.M. Физические процессы в пылевой плазме // Физика плазмы. 2005. Т. 31. № 1.С. 52-63.

29. Агр О., Dietmar Block D., Piel A., Melzer A. Dust Coulomb Balls: Three-Dimensional Plasma Crystals // Physical Review Letters. 2004. Vol. 93. # 16. P. 1650004-1-1650004-4.

30. Mendis D.A. Progress in the study of dusty plasmas // Plasma Sources Sci. Technol. 2002. Vol. 11. P. A219-A228.

31. Русанов В.Д., Фидман A.A. Физика химически активной плазмы. М.: Наука, 1984. 415 с.ф 35. Козырев А.В., Шишков А.Н. Два режима теплообмена металлическоймакрочастицы в неравновесной плазме // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. № 12. С. 33-39.

32. Воздействие лазерного и ВЧ излучения на воздушную среду // под. ред. А.А. Землянова, Новосибирск: Наука, 1992. 189 с.

33. Borra J.P. at al. Bipolar coagulation for powder production: micro-mixing inside droplets // J. Aerosol Sci. 1999. Vol. 30. # 7. P. 945-958.

34. Chen D.R., Pui D.Y.H., Kaufman S.L. Electrospraying of conducting liquids for # monodisperse aerosol generation in the 4 nm to 1.8 цт diameter range // J. Aerosol Sci.1995. Vol. 26. P. 963-977.

35. Jaworek A., Krupa A. Classification of the modes of EHD spraying // J. Aerosol Sci. 1999. Vol.30. # 7. P. 873-893.

36. Бугаев С.П., Козырев A.B., Кувшинов B.A., Сочугов Н.С. Образование аэрозоля из ненасыщенных органических паров в плазме импульсного коронного разряда // ДАН. 1998. Т. 361. № 5. С. 612-615.

37. Paris P., Laan M. et. al. Corona Discharge as Generator of Aerosol // In Proc.: V-th Int. Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry HAKONE-V. Milovy. Czech Republic. 1996. P. 185-189.

38. Ландау JI.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982. 620 с.

39. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Ленинград: Изд-во Гидрометеоиздат, 1973. С. 366.

40. Куни Ф.М., Щекин А.К., Гринин А.П. Теория гетерогенной нуклеации в условиях постепенного создания метастабильного состояния пара // УФН. 2001. Т. 171. №4. С. 345-385.

41. Фукс Н.А. Испарение и рост капель в газообразной среде. М.: Изд-во: АН СССР, 1958. 90 с.

42. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во: АН СССР, 1955. 353 с. Фукс Н.А. Успехи механики аэрозолей. М.: Изд-во: АН СССР, 1961. 161 с. Barrett J.C., Clement C.F. Growth rates for liquid drops // J. Aerosol Sci. 1988. Vol. 19. # 2. P. 223-242.

43. Williams M.M.R., Loyalka S.K. Aerosol science: theory and practice with specialapplication to the nuclear industry. Pergamon Press, 1st ed. 1991, p. 447.

44. Химическая гидродинамика. Справочное пособие / A.M. Кутепов, А.Д. Полянин,

45. З.Д. Запрянов и др. М.: Бюро Квантум, 1996. 146 с.

46. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. 592 с.

47. Смирнов Б.М. Физика слабоионизованного газа. М.: Наука, 1978.416 с.

48. Смирнов Б.М. Кинетика электронов в газах и конденсированных системах //

49. УФН. 2002. Т. 172. №12. С. 1411-1447.

50. Kim D.-J., Kim K.-S., Zhao Q.-Q. Production of monodisperse nanoparticles and application of discrete-monodisperse model in plasma reactors // Journal of Nanoparticle Research. 2003. Vol. 5. P. 211-223.

51. Хирс Д.П., Паунд Г.М. Испарение и конденсация. М.: Металлургия, 1966. 196 с. Ивченко И.Н., Мурадян С.М. Об испарении сферических капель в бинарной газовой смеси при произвольных числах Кнудсена // Изв. АН СССР. Сер. МЖГ. 1982. № 1.С. 112-118.

52. K.-Y. Ray A.K. Charge limit on evaporating droplets during precipitation of solutes// European. Aerosol Conference, Budapest, Hungary, September 6 10, 2004. P. 53-54. Адам H.K. Физика и химия поверхностей. М.: ОГИЗ, Гостехиздат, 1947. 552 с.

53. Козырев A.B., Ситников А.Г. Генерация аэрозоля из ненасыщенных паров в коронно-стримерном разряде // Тезисы докладов XXIX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (25 февраля 1 марта 2002 г.). М.: Научный совет РАН по физике плазмы. С. 225.

54. Козырев A.B., Ситников А.Г. Испарение заряженных капель // Изв. вузов. Физика. 2003. Т. 46. № 7. с. 10-17.

55. Козырев A.B., Ситников А.Г. Испарение малых сферических капель в газе // Изв. вузов. Физика. 2004. Т. 47. № 3. С. 66-73.

56. Козырев A.B., Ситников А.Г. Испарение сферической капли в газе среднего давления // УФН. 2001. Т. 171. № 7. С. 765-774

57. Козырев A.B., Ситников А.Г. Расчет скорости ударной ионизации смеси аргона с углеводородом в слабоионизованной плазме объемного разряда // Изв. вузов. Физика. 2005. Т. 48. № 1. С. 81-87.

58. Козырев A.B., Ситников А.Г. Формирование неравновесного аэрозоля в плазме коронно-стримерного разряда // Сборник научных трудов VI международной конференции "Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем". М.: МИФИ, 2003. С. 91-95.

59. Козырев A.B., Ситников А.Г., Макиенко Э.В., Рахимов Р.Ф. Стимулированное образование аэрозоля в коронно-стримерном разряде // Тезисы докладов XI конференции по физике газового разряда "ФГР-XI". Часть 1. Рязань, 2002. С. 45-47.

60. Козырев A.B., Ситников А.Г., Сочугов Н.С. Эволюция параметров неравновесного аэрозоля в плазме коронно-стримерного разряда // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. № 11. С. 58-34.

61. Ситников А.Г. Процесс каскадного испарения заряженной капли // III школа-семинар молодых ученых "Современные проблемы физики и технологии" (30 января — 1 февраля 2002 г., г Томск) Томск: СФТИ, С. 151-153.

62. Ситников А.Г. Генерация неравновесного аэрозоля в коронно-стримерном разряде// Сборник материалов I всероссийской конференции "Физика и химия высокоэнергетических систем" (Томск, 26 29 апреля 2005). Томск: ТГУ, С. 337-338.

63. Лившиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. Серия: "Теоретическая физика", М.: Наука, 1979. 528 с.

64. Куни Ф.М. Кинетика гетерогенной конденсации. 5. Влияние источника ионов и рекомбинации ионов на конденсацию // Коллоидный журнал. 1987. Т. 49. № 3. С. 467-473.

65. Куни Ф.М., Щёкин А.К. Копейкин К.В. Кинетика гетерогенной конденсации. 4. Конденсация на заряженных ядрах и её асимметрия к знаку заряда // Коллоидный журнал. 1985. Т. 47. № 2 С. 295-302.

66. Anisimov М.Р., Норке Р.К., Terry J., Rasmussen D.H., Shandakov S.D., and Pinaev V.A. Surface topology of the ion-induced vapor nucleation rate // Aerosol Sci. Technol. 1998. Vol. 29. P. 547-556.

67. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. Изд-во: Химия, 1972.428 с.

68. Жуховицкий Д.И. Исследования эволюции кластера в трехтемпературной системе методом молекулярной динамики // Изв. АН, сер. Физическая. 1997. Т. 61. №9.• С. 1687-1691.

69. Жуховицкий Д.И. О фононном механизме испарения кластеров // ЖЭТФ. 1996. Т. 109. №3. С. 839-851.

70. Самсонов В.М., Базулев А.Н., Сдобняков Н.Ю. О линейной формуле Русанова для поверхностного натяжения малых объектов // ДАН. 2003. Т. 389. № 2. С. 211-213.

71. Byakov V.M., Stepanov S.V. Microscopic surface tension of liquids with curved free boundary studied by positron annihilation // Radiation Physics and Chemistry. 2000. Vol. 58. P. 687-692.

72. Hale B. N. Monte Carlo Calculations of Effective Surface Tension for Small Clusters //

73. Aust. J. Phys. 1996. Vol. 49. P. 425-434

74. Wu C.Y., Biswas P., Particle growth by condensation in a sistem with limited vapour // Aerosol Sci. Technol. 1998. Vol. 28. P .1-20.

75. Brock J.R. Evaporation and condensation of spherical bodies in noncontinuum regimes // The Journal of Physical Chemistry. 1964. Vol. 68. # 10. P. 2857-2862.

76. Яламов Ю.И., Кузьмин M.K. Скорость нестационарного испарения сферической капли с учетом скачков концентрации и температуры близи ее поверхности // ЖТФ. 2005. Т. 75. № 3. С. 30-35.

77. Wanguang L., Davis E.J. Aerosol evaporation in the transition regime // Aerosol Sci. and Technol. 1996. Vol. 25. P. 11-21.

78. Щ 85. Крюков А.П. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации наповерхности // Кинетическая теория процессов переноса при испарении иконденсации. Материалы международной школы-семинара. Изд-во: АН БССР, Минск, 1991. С. 3-21.

79. Загайнов В.А., Лушников А.А., Нужный В.М. Скорость испарения частиц: теория и эксперимент // Изв. АН, сер. ФАО. 2003. Т. 39. №1. С. 52-57.

80. Яламов Ю.И., Ивченко И.Н., Мурадян С.М. Теория испарения сферических капель при произвольных числах Кнудсена // ДАН СССР. 1981. Т. 258. №5. С. 1106-1110.

81. Волощук В.М. Кинетическая теория коагуляции. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.283 с.

82. Волощук В.М., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 320 с.

83. Kildeso J., Bhatia V.K., Lind L., Jonson E., and Johansen A. An experimental investigation for agglomeration in alternating electric filds // Aerosol Sci. and Technol. 1995. Vol. 23. P. 603-610.

84. Белов И.А., Иванов A.C., Иванов Д.А., Паль А.Ф., Старостин А.Н., Филиппов А.В., Демьянов А.В., Петрушевич Ю.В. Коагуляция заряженных частиц в пылевой плазме // ЖЭТФ. 2000. Т. 117. № 1. С. 105-114.

85. Олеванов М.А., Манкелевич Ю.А., Рахимова Т.В. Скорость коагуляции пылевых частиц в низкотемпературной плазме // ЖТФ. 2003. Т. 73. № 10. С. 51-60.

86. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. М.: Наука, 1964. 816 с.

87. Яламов Г'.Ю. О влиянии на скорость диффузиофореза крупной летучей капли коэффициента испарения и ее размера // ЖТФ. 2004. Т. 74. № 2. С. 41-45.

88. Баканов С.П. Термофорез в газах при малых числах кнудсена // УФН. 1992. Т. 162. №9. С. 133-152.

89. Chen Xi The thermophoretic force acting on a spherical non-evaporating or evaporating particle suspended in a rarefied plasma// J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. Vol. 30. P. 826-841.

90. Perrin J., Molinas-Mata P., Belenguer P. Ion drag and plasma-induced thermophoresis on particles in radiofrequency glow discharges // J. Phys. D: Appl. Phys. 1994. Vol. 27. P. 2499-2507.

91. Щукин С.И., Григорьев А.И. Энергетический анализ возможных каналов распада заряженной капли на две части // ЖТФ. 2000. Т. 70. № 4. С. 1-7.

92. Григорьев А.И. Ширяева С.О. Закономерности рэлеевского распада заряженной капли//ЖТФ. 1991. Т. 61. № 3. С. 19-28.

93. Widmann J.F., Aardahl C.L., Davis Е. J. Observation of non-Rayleigh limit explosions of electrodynamically levitated microdroplets // Aerosol Sci. and Technol. 1997. Vol. 27. P. 636-648.

94. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Свойства кластерных ионов // УФН. 1989. Т. 159. №9. С. 45-81.

95. Шутов А.А. Форма капли в постоянном электрическом поле // ЖТФ. 2002. Т. 72. № 12. С. 15-22.

96. Бычков Ю.И., Королёв Ю.Д., Месяц Г.А., Осипов В.В., Рыжов В.В., Тарасенко В.Ф. Инжекционная газовая электроника. Новосибирск.: Наука, 1982. 239 с.

97. Shishikura Y., Asano К. and Nakamura Y. Low-energy electron collision cross sections of ethane by electron swarm study // J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. Vol. 30. P. 1610-1615.

98. Алексеев Б.В. Физические принципы обобщенной больцмановской кинетической теории ионизованных газов // УФН. 2003. Т. 173. № 2. С. 145-174.

99. Грановский B.JI. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971.544 с.

100. Takeda A., Ikuta N. Ionization coefficients in PT and SST // XXVIth Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases,- Greifswald, Germany, July 15-20, 2003.

101. Urquijo J., Alvarez I., Basurto E. and Cisneros C. Measurement of ionization and electron transport in methane-argon mixtures // J. Phys. D: Appl. Phys. 1999. Vol. 32. P. 1646-1649.

102. Бугаев С.П., Козырев A.B., Кувшинов B.A., H.C. Сочугов, Хряпов П.А. Стимулированная конденсация продуктов плазмохимической окислительной конверсии низших углеводородов // ДАН. 1997. Т. 354. № 2. С. 200-202.

103. Anderson G. К., Snyder Н. and Coogan J. Oxidation of Styrene in a Silent Discharge Plasma// Plasma Chemistry and Plasma Processing. 1999. Vol. 19. # 1. P. 131-151.

104. Li K., Meichsner J. In situ infrared fibre evanescent wave spectroscopy as a diagnostic tool for plasma polymerization in a gas discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. Vol. 34. P. 1318-1325.

105. Zyn V. I. Kinetic Identification of a Mechanism of Complex Plasma Chemical Reactions // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 1998. Vol. 18. # 3. P. 395-408.

106. Месяц Г.А., Новоселов Ю.Н., Филатов И.Е. Разложение паров стирола в воздухе под действием импульсного пучка электронов // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. № 19. С. 25-31.

107. Новоселов Ю.Н., Филатов И.Е. Закономерности удаления паров стирола из воздуха импульсным пучком электронов // ЖТФ. 2003. Т. 73. № 12. С. 95-98.

108. Новоселов Ю.Н., Рыжов В.В., Суслов А.И. Цепной механизм инициирования реакций окисления углеводородов в низкотемпературной плазме // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. № 19. С. 40-43.

109. Заремский М. Ю., Баранова Т. Ю., Лачинов М. Б., Голубев В. Б. О Влиянии спонтанного термического инициирования на псевдоживую полимеризацию стирола//Вестн. Моск. Ун-та. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2002. Т. 43. № 1. с. 61-63.

110. Новоселов Ю.Н., Сурков Ю.С., Филатов И.Е. Удаление паров стирола из потока воздуха с помощью стримерной короны // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. № 13. С. 23-28.

111. Chen С.-К., Phillips J. Impact of aerosol particles on the structure of an atmospheric pressure microwave plasma afterglow // J. Phys. D: Appl. Phys. 2002. Vol.35. P. 998-1009.

112. Струнин В.И., Ляхов A.A., Худайбергенов Г.Ж., Шкуркин В.В. Кинетика высокочастотного разряда низкого давления с конденсированной фазой // ЖТФ. 2004. Т. 74. №4. С. 126-128.

113. Li М., Dew S.K. and Brett M.J. Effects of electron distribution functions on the floating potential of particles in the plasma: thin plasma sheaths // J. Phys. D: Appl. Phys. 1999. Vol. 32. P. 2056-2059.

114. Богданов B.C. Возникновение аэрозолей при радиолизе газообразных углеводородов//ДАН СССР. 1961. Т. 136. №1. С. 121-124.

115. Паль А.Ф., Сивохин Д.В., Старостин А.Н., Филиппов А.В., Фортов В.Е. Потенциал пылевой частицы в азотной плазме с конденсированной дисперсной фазой при комнатной и криогенной температурах // Физика плазмы. 2002. Т. 28. № 1.С. 32-44.

116. НаацИ.Э. Теория многочастотного лазерного зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1980. 157 с.

117. Саранин В.А. О взаимодействии двух электрически заряженных проводящих шаров // УФН. 1999. Т. 169. № 4. С. 453-458.

118. Куни Ф. М. Кинетика гетерогенной конденсации. 1. Стационарное состояние прикритических капель и время его установления // Коллоидный журнал. 1984. Т. 46. №4. С. 674-681.

119. Щёкин А.К., Сасим Т.В. Нелинейность электрических свойств жидкости в термодинамике капли, образованной на заряженном ядре // Коллоидный журнал. 1988. Т. 50. № 4. С. 782-789.

120. Бабичев А.П. и др. Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

121. Yoo К.Н., Lee J.S., and Oh M.D. Submicron particles in two-stage parallel-plate electrostatic precipitators //Aerosol Sci. and Technol. 1997. Vol. 27. P. 308-323.