Физические основы плазменных технологий разделения веществ и синтеза материалов

Отчет 62 с., 1 кн., 39 рис., 6 табл., 34 источн. ПЛАЗМОХИМИЯ, ПИРОЛИЗ, ПЛАЗМОТРОН ПОСТОЯННОГО ТОКА, ГАЗОФАЗНЫЕ КОМПОНЕНТЫ, ГРАФЕН, ГЕЛИКОННЫЙ РАЗРЯД, ВАКУУМНАЯ ДУГА, ПРОБОЙ ДУГОВОГО РАЗРЯДА Объект исследования или разработки: Синтез графеновых наноструктур в плазме мощного плазмотрона постоянного тока; вакуумный дуговой разряд с катодом из термоэмиссионного гадолиния с внешним электронно-лучевым подогревом; высокочастотный геликонный разряд Цель работы: исследование влияния состава газовой фазы плазменного потока на свойства частиц графена при пиролизе углеводородов в плазме инертных газов; исследование возможности создания источника плазмы модельных веществ с контролируемыми свойствами с помощью вакуумного дугового разряда определение влияния высокочастотного электромагнитного поля на однородность профиля буферной плазмы плазменного сепаратора с целью достижения однородного профиля с экстремальной концентрацией плазмы. Методы или методология проведения работы: Для выполнения работ по теме использовались: плазмохимический реактор на основе электродугового сканирующая электронная микроскопия (электронный микроскоп Hitachi S5500) для визуализации морфологии синтезированных материалов;, спектроскопия комбинационного рассеяния (спектрометр Ntegra Spectra ); синхронный термоанализ (STA 409PC Luxx) с квадрупольной масс-спектрометрией (QMS 403 C Aeolos); оптическая эмиссионная спектроскопия (спектрометр AvaSpec2048) для определения параметров плазмы в активной зоне синтеза; численные расчеты состава компонентов газовой фазы с привлечением данных по термодинамическим свойствам индивидуальных веществ из банка данных ИВТАНТЕРМО; моделирование химической кинетики процессов пиролиза в струях проведено с помощью программы РАДИКАЛ; пирометрия катодного узла в диапазоне до 2000ºС; скоростная видеозапись разрядного промежутка дугового разряда с частотой кадров до 56000 кад/сек. видеоконтроль экспериментального дугового участка; осциллография электрических параметров вакуумного разряда; организация продольного геликонного разряда на частоте 5 МГц в стальной цилиндрической камере длиной 2 м и радиусом 40 см при давлении аргона ~2 мТорр; измерение поглощенной в плазме ВЧ-мощности методом рефлектометрии; осциллографирование ВЧ магнитного поля с применением калиброванных многовитковых магнитных вакуумных датчиков; Результаты работы и их новизна: Экспериментально установлено, что синтез частиц графена с использованием плазмотрона постоянного тока возможен, если в качестве плазмообразующих систем использовать следующие смеси на основе инертных газов: Ar-CH4 и Не-(C3H8+C4H10). Установлена корреляция между составом плазмообразующей смеси и свойствами углеродных материалов. Показано, что при пиролизе метана в плазме аргона формируются графеновые структуры с высокой степенью кристалличности, чем при конверсии углеводородов в плазме гелия. Вместе с тем подвижность электронов в слоях, напечатанных из чернил на основе графена, синтезированного в аргоне, ниже, чем в слоях из графена, синтезированного в гелии. Предложена схема химических реакций на оси струи при пиролизе Ar-CH4 и Не-(C3H8+C4H10). Установлен температурный диапазон образования пересыщенного пара C2 (T = 2500-3500 К) и определена массовая доля основных продуктов пиролиза H2 и C2H2. Показано, что в рассматриваемых условиях термодинамический подход к расчету состава газовой фазы в диапазоне температур ниже 3000 К на оси струи неприменим.; показано существование трех стадий развития диффузного вакуумного дугового разряда: контрагированный разряд, высоковольтный разряд и диффузный дуговой; показано, что капельная фракция присутствует в потоке генерируемой плазмы на первой стадии развития дугового разряда, длящейся менее 0,5 с. измерены скорости капель катодного материала, скорость наиболее быстрых из зарегистрированных капель не превышала 10 м/с; показано, что напряжение вакуумного дугового разряда в продольном магнитном поле при инициации пробивающим электродом устанавливается за время менее 100 мс; измерены радиальные зависимости трех компонент магнитной составляющей ВЧ поля в камере плазменной сепарации при магнитных полях 500, 1000 и 1300 Гс и мощности поглощаемой плазмой 1, 1,5 и 2 кВт; измерены радиальные зависимости разности фаз компонентов ВЧ магнитного поля и тока в антенне для мощности, поглощаемой плазмой 1 и 2 кВт; измерены радиальные зависимости концентрации генерируемой плазмы и показано, что в исследованных режимах увеличение мощности разряда, величины постоянного магнитного поля, а также подача потенциалов на торцевые электроды приводит к увеличению концентрации электронов вблизи границы рабочего объёма и напряженности радиального электрического поля; измерены радиальные профили потенциала плазмы и показано, что в что при увеличении магнитного поля с 1000 до 1300 Гс в приосевой области (<30 см) напряженность радиального электрического поля увеличилась с 0,3 В/см до 0,8 В/см. Область применения результатов: материаловедение: наноэлектроника; альтернативная технология плазменной переработки отработавшего ядерного топлива для решения задач замкнутого топливного цикла и повышения безопасности атомной энергетики.