КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-72-00073
НазваниеФиксация атмосферного азота в неравновесном разряде, поддерживаемом непрерывным излучением источников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн
РуководительСинцов Сергей Владиславович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук", Нижегородская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-502 - Физика низкотемпературной плазмы
Ключевые словаСВЧ разряд, гиротрон, микроволновое излучение, субтерагерцовое излучение, неравновесная плазма, плазмохимия, фиксация азота, процесс Биркеланда-Эйде
Код ГРНТИ29.27.51
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Актуальность данного проекта напрямую связана с современными промышленными плазмохимическими технологиями. Сегодня перспективными задачами являются разложение летучих соединений галогенидов в циклах изотопного обогащения, разработка высокоэффективных газоразрядных источников озона и монооксида азота, фиксация атмосферного азота с целью получения синтетических азотных удобрений, разложение углекислого газа и метана с целью получения водородосодержащих энергоносителей и другие. В настоящее время стоит проблема разработки высокомощных источников плазмы атмосферного давления, имеющих неравновесное распределение температурных характеристик. Именно в неравновесных разрядах, где температура электронов в несколько раз превышает температуру газа, возможен селективный вклад энергии в процессы разложения высокостабильных молекулярных соединений и, как следствие, увеличение производительности плазмохимического синтеза [1]. Учитывая требования на производительность в промышленных масштабах, такие процессы должны проводится при атмосферном давлении и при использовании мощных источников электромагнитного нагрева. Однако при атмосферном давлении в таких разрядах имеет место выравнивание температурных характеристик, при этом температура электронов не сильно превышает температуру газа, которая составляет 5000 - 10000 К. Производительность и конверсия целевого продукта фиксированы и определяются термодинамическим балансом плазменных компонент.
Сегодня одним из наиболее перспективных путей решения проблемы эффективного разложения высокостабильных молекулярных соединений является использование неравновесной плазмы СВЧ разряда, где доминирующим каналом возбуждения и разрушения молекул является электронный удар. Однако на практике при использовании популярных источников СВЧ излучения сантиметрового диапазона длин волн - магнетронов, поддерживать неравновесный разряд удается только при низких давлениях, что ограничивает их промышленное применение. Исследования показали, что существенной неравновесности в СВЧ разряде при повышенном давлении возможно добиться при увеличении частоты греющего поля, то есть при переходе к источникам микроволнового излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн [2-5]. Возможность проводить исследования субтерагерцовых разрядов появилась сравнительно недавно, что связано с разработкой мощных и надежных источников субмиллиметрового излучения - гиротронов.
Проект посвящен разработке "зеленого" способа фиксации атмосферного азота в неравновесном плазменном факеле, поддерживаемом непрерывным излучением источников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн при атмосферном давлении. Идея заключается в реализации процесса Биркеланда-Эйде с целью получения оксидов азота (NOx) из атмосферного воздуха, которые в свою очередь могут быть использованы для производства азотной кислоты - основного компонента синтетических удобрений. На примере модельной задачи фиксации атмосферного азота планируется продемонстрировать эффективность исследуемых типов микроволновых разрядов, что позволит расширить в будущем круг решаемых в них задач. В рамках данного проекта будет проведено исследование механизмов синтеза оксидов азота в неравновесном атмосферном разряде в потоке газа, поддерживаемом непрерывным излучением источников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Будет проведено исследование механизмов формирования неравновесного разряда в потоке газа, поддерживаемого непрерывным мощным излучением гиротронов с частотами излучения 24 ГГц и 263 ГГц при атмосферном давлении. В прошлых работах было показано, что данный тип разряда при атмосферном давлении имеет существенно неравновесное распределение температурных характеристик, при этом температура электронов более чем на порядок превышает температуру газа [2-6]. Благодаря этому, исследуемый тип газового разряда может быть применен для решения широкого спектра промышленных задач неравновесной плазмохимии.
Использование источников мощного миллиметрового и субмиллиметрового излучения для нагрева разряда в потоке газа при атмосферном давлении - является новым и перспективным направлением, получившим свое развитие сравнительно недавно [2-6]. Применение традиционных источников нагрева плазмы, например, сантиметровым излучением магнетрона (частота 2.4 ГГц) или индукционный нагрев в радиочастотном диапазоне не позволяют создать существенно неравновесного распределения температурных характеристик при атмосферном и субатмосферном давлениях из-за высокой частоты столкновений компонент. Использование миллиметрового и субмиллиметрового излучения для нагрева плазмы в потоке газа при атмосферном давлении обуславливает ряд важных физических эффектов, позволяющих выйти за рамки термодинамического баланса между компонентами плазмы. В первую очередь речь идет о инициировании локализованных областей разряда с развитой ионизационно-перегревной неустойчивостью [6]. Динамический турбулентный вынос возбужденного газа из таких областей в окружающий их плазменный ореол с последующим СВЧ нагревом обуславливают эффективное неравновесное распределение температурных характеристик плазмы. В рамках данного проекта будут изучены механизмы возбуждения плазмы в ореоле, диагностическими методами будут проведены модифицированные оценки параметров плазмы. Будут проведены оценки ролей механизмов, обеспечивающих существенно неравновесное распределение температурных характеристик разряда.
[1] Sean Kelly, Annemie Bogaerts, (2021), "Nitrogen fixation in an electrode-free microwave plasma", Joule, 10.1016/j.joule.2021.09.009.
[2] Sergey Sintsov, Kuniyoshi Tabata, Dmitry Mansfeld, Alexander Vodopyanov, Kimiya Komurasaki (2020) Optical emission spectroscopy of non-equilibrium microwave plasma torch sustained by focused radiation of gyrotron at 24 GHz, Journal of Physics D Applied Physics, DOI: 10.1088/1361-6463/ab8999
[3] Sintsov, S., Vodopyanov, A., & Mansfeld, D. (2019). Measurement of electron temperature in a non-equilibrium discharge of atmospheric pressure supported by focused microwave radiation from a 24 GHz gyrotron. AIP Advances, 9(10), 1–8. https://doi.org/10.1063/1.5115326
[4] S.V. Sintsov, A.V. Vodopyanov, M.E. Viktorov, M. V. Morozkin, M. Yu. Glyavin (2020) Non-equilibrium Atmospheric-Pressure Plasma Torch Sustained in a Quasi-optical Beam of Subterahertz Radiation, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves https://doi.org/10.1007/s10762-020-00694-2
[5] D. Mansfeld, S. Sintsov, N. Chekmarev and A. Vodopyanov (2020) Conversion of carbon dioxide in microwave plasma torch sustained by gyrotron radiation at frequency of 24 GHz at atmospheric pressure, Journal of CO2 Utilization, 40, DOI: 10.1016/j.jcou.2020.101197.
[6] Синцов С.В. Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук. 2020. https://ipfran.ru/files/293/2020-sintsov-diss.pdf
Ожидаемые результаты
1. Экспериментально будет определена роль ультрафиолетового излучения в создании неравновесного распределения температурных характеристик в плазменном ореоле разряда, поддерживаемого в потоке газа непрерывным миллиметровым (24 ГГц) и субмиллиметровым (263 ГГц) излучением. Будут изучены спектры ультрафиолетового излучения (100-300 нм) плазменного факела в зависимости от режимов поддержания разряда.
2. Экспериментально будут измерены конверсия и энергоэффективность процессов синтеза оксидов азота в разрядах атмосферного давления, поддерживаемых непрерывным излучением миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, проведено сравнение с соответствующими значениями в других типах неравновесных разрядов.
3. Будут изучены механизмы поддержания неравновесного плазменного факела непрерывных миллиметровым излучением в широком диапазоне давлений. Для этого будут измерены зависимости плазменных параметров (температура электронов, температура возбуждения верхних электронных уровней, колебательная температура, вращательная температура, концентрация электронов) в различных режимах поддержания разряда при пониженных (диапазон 300-760 торр) и повышенных (760-1400 торр) давлениях в газоразрядной камере.
Ожидаемые результаты позволят сформировать модель, объясняющую факт существенной неравновесности температурных характеристик в плазменном ореоле разряда, поддерживаемого в потоке газа непрерывным миллиметровым излучением. На примере модельной задачи фиксации азота будет продемонстрирована эффективность данных типов разряда в решении современных плазмохимических задач.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках первого года выполнения проекта был исследован СВЧ разряд, поддерживаемый в потоке газа при атмосферном давлении непрерывным миллиметровым излучением с частотой 24 ГГц. Продемонстрирована существенная неравновесность распределения температурных характеристик плазмы. Экспериментально показано, что степень неравновесности СВЧ разряда напрямую зависит от соотношения частоты электрон-нейтральных столкновений к частоте электромагнитного излучения. Исследованный газовый разряд имеет неоднородную структуру, в которой наблюдаются нитевидные плазменные каналы, ориентированные вдоль направления потока газа. Электронная плотность в нитях на два порядка превышает критическое значения для частоты греющего поля, что обуславливает факт существования граничной области, где электрическое поле электромагнитной волны резонансно усиливается на сингулярности диэлектрической проницаемости. Существенное усиление электрического поля в неоднородном плазменном слое может обуславливать механизм формирования филамент, которые эффективно поглощают энергию волны и, тем самым, могут обеспечивать инверсный способ возбуждения плазменного ореола, например, за счет УФ излучения и газодинамического выноса возбужденных частиц.
Была разработана новая схема организации разряда, поддерживаемого в потоке газа при атмосферном давлении в конической электродинамической структуре сфокусированным непрерывным излучением с частотой 263 ГГц. В новом плазмотроне удалось реализовать режим, где до 80% введенной мощности поглощается плазмой. Были получены многообещающие результаты по конверсии атмосферного воздуха, продемонстрирован неравновесный характер протекающих процессов синтеза оксидов азота.
Публикации
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках второго года выполнения проекта экспериментально были получены радиальные профили распределения температуры газа и электронной плотности в плазменных нитях, формирующихся в разряде атмосферного давления, поддерживаемого в потоке газа непрерывным СВЧ излучением с частотой 24 ГГц. Температура газа в центре нити достигает 5700 – 5800 К, ближе к периферии равномерно снижается до 2500 – 3000 К. Электронная плотность в филаментах практически не изменяется в зависимости от мощности СВЧ нагрева в пределах погрешности и составляет 2·1015 см-3. На периферии филаментов существуют пики электронной плотности, почти в 2 раза превышающие значения в центре нити и достигающие 3.5·1015 см-3. С увеличением мощности нагрева наблюдается слабый эффект, который привод к уменьшению расстояния между пиками электронной плотности. Естественное предположение о механизме поддержания таких нитевидных плазменных каналов с повышенными значениями электронной плотности и поступательной температуры в допробойных полях может быть связано с нелинейными эффектами волновой электродинамики. В частности, на периферии плазменных нитей, где электронная плотность достигает значения, близкого к критическому для частоты греющего поля, могут быть реализованы благоприятные условия для развития плазменного резонанса.
С помощью разработанной численной равновесной модели плазменных нитей была продемонстрирована возможность существования плазменного резонанса при высоком давлении, близком к атмосферному. По результатам расчетов, основанных на параметрах, реализуемых в эксперименте, температурный максимум 6800 К достигается на оси нити. Электронная плотность, связанная с температурой по формуле Саха, в центре плазменного цилиндра достигает 1·1014 см-3 и монотонно уменьшается при приближении к границе. Точка излома кривой соответствует выполнению условия плазменного резонанса: плотность электронов в ней равна критическому значению 7·1012 см-3 для частоты нагревательного поля 24 ГГц. Полученные при моделировании значения концентрации электронов и температуры газа находятся в удовлетворительном согласии с результатами измерений. Рассчитанное критическое значение невозмущенного электрического поля, при котором возможно формирование плазменного цилиндра, находится в удовлетворительном согласии с порогом образования филаментов, наблюдаемым в эксперименте. Показано, что доля энергии, «вычерпываемая» из поля, поддерживающего филамент, остается малой, и при превышении порога следует ожидать появления сразу нескольких филаментов, что и наблюдается в эксперименте. При превышении порогового значения поля показано, что толщина нити и максимальная температура в ее центре слабо меняются при изменении электрического поля, что также согласуется с экспериментальными наблюдениями. Полученные результаты свидетельствуют о том, что использование микроволнового излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн для поддержания разряда в потоке газа может стать основой для создания эффективных газоразрядных источников высокого давления на основе плазменного резонанса.
В плазмотроне волноводного типа, разработанном для имеющегося источника СВЧ излучения с частотой 24 ГГц, были проведены эксперименты по фиксации атмосферного азота. Было показано, что с увеличением мощности, поглощенной разрядом, содержание оксидов азота в отработанной плазмообразующей смеси равномерно увеличивается для всех режимов и достигает 1,35%. По энергоэффективности плазмохимического синтеза NOx из воздуха, наилучшие результаты были получены при минимальных мощностях нагрева и составляют 3 – 3,5 MJ/mol. Полученные результаты плазменного синтеза оксидов азота являются многообещающими на общем мировом уровне. В частности, для разрядов в потоке атмосферного воздуха, полученные величины удельных энергозатрат синтеза NOx близки к рекордным значениям (без учета КПД гиротрона), что позволяет говорить о перспективности использованного типа разряда для плазмохимических приложений. Стоит отметить, что оптимизация условий организации разряда может существенно повысить эффективность рассмотренного процесса. Полученные в данной работе качественные физические закономерности могут быть использованы для разработки новых микроволновых плазмотронов в интересах плазмохимии.
Было проведено экспериментальное исследование газового разряда, поддерживаемого непрерывным сфокусированным СВЧ излучением с частотой 263 ГГц в потоке газа при атмосферном давлении. Работы были выполнены на разработанном в рамках данного проекта «гибридном плазмотроне». Экспериментально было проведено измерение простарнственного распределения электронной плотности в плазменном факеле, вытянутом навстречу СВЧ пучку. Показано, что на оси такого факела существует вытянутая нитеобразная область с повышенной электронной плотностью, величина которой достигает 4.7·1015 см-3. С помощью съемки разряда на скоростные фото- и видеокамеры было показано, что такая нитеобразная область не является стационарной, а состоит из непрерывно распространяющихся навстречу СВЧ пучку шарообразных плазмоидов. Показано, что с точки зрения плазмохимических приложений субтерагерцовых разрядов, формирование такого факела, вытянутого навстречу СВЧ пучку, является негативным эффектом, поскольку приводит к отражению СВЧ от границы раздела с плазмой.
Публикации
1. Гильденбург В.Б., Голубев С.В., Господчиков Е.Д., Синцов С.В., Водопьянов А.В. Plasma-resonance-assisted filament in a high-pressure microwave discharge Physics of Plasmas, 31, 023507 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1063/5.0173489
2. Е.И. Преображенский, С.В. Синцов, А.В. Водопьянов Зондовая диагностика параметров индукционно-связанной плазмы, поддерживаемой в газовой смеси летучих галогенидов Письма в ЖТФ, том 49, вып. 24 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.61011/PJTF.2023.24.56866.33A
3. Синцов С.В., Водопьянов А.В., Мансфельд Д.А., Фокин А.П., Ананичев А.А., Горюнов А.А., Преображенский Е.И., Чекмарев Н.В., Глявин М.Ю. Hybrid Subterahertz Atmospheric Pressure Plasmatronfor Plasma Chemical Applications Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Опубликовано онлайн (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1007/s10762-024-00987-w
4. Синцов С.В., Водопьянов А.В., Преображенский Е.И., Мансфельд Д.А., Веселов А.П., Горюнов А.А., Фокин А.П., Ананичев А.А., Глявин М.Ю. Фиксация азота в разряде атмосферного давления, поддерживаемом в потоке газа непрерывным излучением с частотой 263 GHz Письма в ЖТФ, - (год публикации - 2024)
5. Синцов С.В., Чекмарев Н.В., Мансфельд Д.А., Преображенский Е.И., Водопьянов А.В. Фиксация азота в микроволновом разряде, поддерживаемом в потоке воздуха непрерывным миллиметровым излучением Письма в ЖТФ, - (год публикации - 2024)
6. В.Б. Гильденбург, С.В. Голубев, Е.Д. Господчиков, С.В. Синцов САМОСОГЛАСОВАННАЯ МОДЕЛЬ ФИЛАМЕНТА В НЕРАВНОВЕСНОМ СВЧ-РАЗРЯДЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Труды XXVII научной конференции по радиофизике, Т. 1, Вып. 1 (год публикации - 2023)
7. СИНЦОВ С., ВОДОПЬЯНОВ А., МАНСФЕЛЬД Д., ГЛЯВИН М. NON-EQUILIBRIUM PLASMA TORCH MAINTAINEDBY CONTINUOUS RADIATION FROM A GYROTRON WITH A FREQUENCY OF 263 GHZ AT ATMOSPHERIC PRESSURE THE 5-TH LNTERNATIONAL CONFERENCE "TERAHERTZ AND MICROWAVE RADIATION: GENERATION, DETECTION AND APPLICATIONS" (ТЕRА-2023), Т. 1, Вып. 1 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.59043/9785604953914_62
8. Синцов С.В., Водопьянов А.В., Масфельд Д.А., Преображенский Е.И., Чекмарев Н.В. РАЗРЯДЫ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯБ ПОДДЕРЖИВАЕМЫЕ НЕПРЕРЫВНЫМ МИЛЛИМЕТРОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ФИЗИКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ (ФНТП-2023), Т. 1, Вып. 1 (год публикации - 2023)
9. - Плазменная нить повысит скорость и эффективность химического синтеза Пресс-служба РНФ, - (год публикации - )
10. - ПЛАЗМЕННАЯ НИТЬ ПОВЫСИТ СКОРОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА «Научная Россия», - (год публикации - )
11. - Плазменная нить повысит скорость и эффективность химического синтеза Пресс служба РАН, - (год публикации - )
12. - Плазменные нити повысят скорость и эффективность «зеленого» производства Поиск, - (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
не указано