氮气放电等离子体中振动能级的动理学分析

Electrical discharge of nitrogen-containing low temperature plasma has received great attentions in both academic research and industry. A basic description of the important phenomena in non-equilibrium plasma depends on a deep understanding of the different kinetics coupled, while one of the key processes is dominated by ground-state vibrational excited molecules. In high-voltage nanosecond pulsed discharge or microwave repetitive frequency discharge, the vibrational degree of diatomic molecule is highly excited to strong non-equilibrium. The energy "reservoir" effect of vibrational levels and the meta-stable character of the first vibrational excitation level at room temperature would let deposited energy transfer and redistribute among internal free degrees, thus affecting the phenomena such as ionization, dissociation and gas heating at a macroscopic scale. The purpose of this project is to systematically study the kinetics of vibrational levels in nitrogen discharge plasma. The study includes firstly accurate calculation of cross sections and rate coefficients of overall kinetic processes, then to build a global zero-dimensional kinetic model of vibrational levels, and finally numerical solution of vibrational master equation and electron Boltzmann equation. This project will deeply investigate the relaxation mechanism of vibrational levels in non-equilibrium plasma, and demonstrate the coupling between vibrational kinetics and other kinetics. Through the research, the influences of discharge conditions and plasma parameters on vibrational kinetics are obtained, and the effects of vibrational kinetics on plasma phenomena are revealed.

含氮气体放电低温等离子体在工业生产和学术研究的众多领域得到广泛关注。非平衡等离子体中重要现象的基本理解取决于其中动理学过程的认识，而核心过程之一就是分子振动自由度的动理学。在高电压瞬时脉冲或高功率微波重频放电条件下，振动自由度会被高度激发至远离平衡态。振动能级的能量“蓄水池”作用和振动第一激发态常温亚稳的特征能够调控放电能量在内部自由度之间随时间转移和分配，从而影响电离、离解、平动温度快速上升等宏观效应。本项目旨在系统研究振动能级动理学在氮气放电等离子体中的作用，基于对完整动理学过程精确参数的计算，建立振动能级全局零维动理学模型，数值求解耦合的振动能级主方程和电子动理学玻尔兹曼方程。深入探索振动能级在非平衡等离子体中的弛豫机制，阐明振动能级动理学与其它动理学相互耦合作用的关系，掌握放电条件以及等离子体参数对于振动能级动理学的影响，从而揭示振动能级动理学对于等离子体宏观效应影响的物理机制。

本项目针对含氮气体放电低温非平衡等离子体中涉及氮气振动自由度的能量转移机制，开展了相关反应截面参数和放电动理学过程研究。首先，对于电子与氮气的非弹性碰撞振动激发过程，基于第一性原理的计算化学所得参数构建振动能级分布函数随时间变化的主方程，数值结果发现振动激发中的“双温”结构。然后，在纳秒直流脉冲大气弥散放电过程中全面考虑了涉及振动能级的激发过程、振动-平动弛豫过程、电子激发态与振动能级激发的耦合过程、化学反应对振动能级的激发过程等，数值模拟获得了在放电过程中和脉冲间隙振动温度及平动温度随时间的变化，并与相干反斯托克斯拉曼光谱实验和发光光谱实验所测的数据吻合一致。基于上述分析，发展了一种微秒脉冲微波束聚焦气体放电等离子体的流体动理学模型。聚焦微波束气体放电时空特性理论模型的控制方程包括电磁场的波动方程，带电粒子的连续性方程组，亚稳态粒子的连续性方程组，电子温度以及氮气分子振动温度和平动温度的能量平衡方程组。上述场量依赖于亥姆霍兹波动方程中聚焦微波束的透射和反射效应。分别对X波段微波在气压100-500 Pa氮气中的击穿过程和W波段微波在压强1-100 Torr大气的击穿过程进行了数值模拟。在氮气击穿放电模拟过程中发现亚稳态N2(C3Πu)的数密度峰值对应的空间位置向微波源的方向移动，且其空间积分表现出与实验第二正带隙光强一致的时间分辨特性。在大气击穿模拟中得到的阈值与通过透射波形的实验测量一致。在击穿阈值附近，振动温度的大小在3000-4000 K，随气压的变化显示出类帕型曲线的趋势；而气体温度的大小在300-700 K,随着气压增加而单调减小。在本项目支持下，公开发表学术期刊论文8篇，其中SCI收录6篇，中文核心2篇；项目成员参加国内外会议4次，并与同行进行了充分交流。