張連水，程洪濤，王曉君，程學(xué)良，趙魁芳

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

NO脈沖流光放電激發(fā)解離截面的理論計(jì)算

張連水，程洪濤，王曉君，程學(xué)良，趙魁芳

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

將NO脈沖流光放電的2個(gè)主要激發(fā)解離通道作為主要研究對(duì)象，依據(jù)不同電子激發(fā)溫度下電子能量分布函數(shù)和電子激發(fā)態(tài)的碰撞激發(fā)函數(shù)，積分計(jì)算了脈沖流光放電下NO的2個(gè)主要激發(fā)解離通道的激發(fā)碰撞截面, 并依據(jù)激發(fā)碰撞幾率函數(shù)歸一的原理，研究了NO 2個(gè)主要激發(fā)解離通道的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程.N原子和N+特征譜線熒光輻射強(qiáng)度隨電子激發(fā)溫度變化的計(jì)算結(jié)果與本研究小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好，驗(yàn)證了理論處理的合理性，也為NO分解過(guò)程研究提供了理論依據(jù).

碰撞激發(fā)解離截面；脈沖流光放電；電子激發(fā)溫度

隨著科技的進(jìn)步及社會(huì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高.然而，人們賴以生存的環(huán)境卻不容忽視地每況愈下，保護(hù)環(huán)境成為了人們現(xiàn)今以及未來(lái)面對(duì)的一個(gè)主題，也是必須長(zhǎng)期面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn).如今，環(huán)境污染作為世界三大公害之首，其中之一為空氣污染，空氣污染物包括氮氧化物、碳氧化物、硫氧化物和可吸入顆粒等，主要成分為氮氧化物和硫氧化物[1-2].氮氧化物(NOx)包括N2O,NO,NO2,N2O3等，其中幾乎90%是NO，主要來(lái)自于礦物質(zhì)的燃燒[3-5]，所以，只要存在燃燒過(guò)程，就不可避免氮氧化物的污染.數(shù)據(jù)表明[6]，最近幾年，中國(guó)許多大中型城市中空氣NOx濃度已經(jīng)超標(biāo)，NOx的環(huán)境容量已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài).NO的大量排放會(huì)給自然環(huán)境和人類生產(chǎn)生活帶來(lái)不可忽視的危害.

NO為無(wú)色無(wú)味的有毒氣體，人體吸入后，它通過(guò)破壞肺部黏膜及血液中的紅細(xì)胞直接危害身體健康，且在空氣中瞬間被氧化成NO2，NO2的催化作用將極大地破壞大氣臭氧層的循環(huán)(NO+O3=NO2+O2)，引起大氣臭氧層空洞[7-8]；另外，NO2和NO也是造成酸雨(HNO3)和光化學(xué)煙霧的重要原因[9-10].現(xiàn)在人們的環(huán)保意識(shí)已經(jīng)有了很大的提高，NO的經(jīng)濟(jì)有效脫除是NO治理的重要目標(biāo).

本研究小組的實(shí)驗(yàn)研究表明，NO在脈沖流光放電脫除中存在如下2種主要的激發(fā)解離通道[11]：

本文依據(jù)氣體放電中電子與氣體粒子的碰撞理論，對(duì)上述脈沖流光放電NO分子的2種主要激發(fā)解離通道的碰撞激發(fā)截面進(jìn)行了理論計(jì)算，得到了電子激發(fā)溫度在3 600～4 800 K內(nèi)2激發(fā)解離通道的電子碰撞激發(fā)截面隨電子激發(fā)溫度的變化曲線，并由此計(jì)算了NO分子激發(fā)解離產(chǎn)物N*和N+*粒子輻射熒光強(qiáng)度比.結(jié)果與本研究小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得較好[11]，證明了本文理論處理的合理性.

1 理論處理

在脈沖放電NO氣體脫除中，主要是快電子與NO分子或其他氣體粒子發(fā)生非彈性碰撞，這種非彈性碰撞的碰撞截面不僅與氣體粒子參數(shù)有關(guān)，還與放電等離子體中電子的能量分布有關(guān).

不同電子激發(fā)溫度下電子的能量分布函數(shù)(EEDF)為[12]

(1)

其中，me是電子質(zhì)量，Te是放電等離子體的電子激發(fā)溫度.

在脈沖放電等離子體中，應(yīng)首先考率的是電子與氣體的非彈性碰撞激發(fā)，碰撞激發(fā)截面可表示為

qee=fe·qe,

(2)

在大氣壓脈沖流光放電NO脫除中，①、②2個(gè)激發(fā)解離通道同時(shí)存在，只是通道①的原始粒子是NO，粒子密度nNO，而通道②原始粒子是NO+，粒子密度與電離度χ有關(guān)，即nNO+=nNOχ.由此可以得到單位體積內(nèi)所研究激發(fā)態(tài)NO分子總的激發(fā)碰撞截面

(3)

單位體積內(nèi)所研究NO+激發(fā)態(tài)總的激發(fā)碰撞截面為

(4)

ne是單位體積的電子數(shù)約為1015/cm3[15]，χ為NO氣體的電離幾率，脈沖流光放電屬于中等電離，其電離度為10-4～10-3量級(jí)[16]，為此這里電離度χ取中間值為0.000 5.

(5)

(6)

2 計(jì)算結(jié)果與討論

氣體放電的電子激發(fā)溫度不僅與放電形式有關(guān)，還與放電氣體參數(shù)及電極形狀有關(guān).本研究小組所進(jìn)行的針-針脈沖流光放電NO脫除實(shí)驗(yàn)研究，電子激發(fā)溫度在3 600～4 800 K內(nèi)，所以本文亦取此范圍計(jì)算碰撞激發(fā)截面.

確定了電子激發(fā)溫度Te=3 600 K后，需首先對(duì)電子能量分布函數(shù)(1)進(jìn)行歸一化處理

其中A為歸一化系數(shù).得到

(7)

若只考慮激發(fā)解離通道①一種分解通道，不考慮另一分解通道對(duì)它的影響，可將(2),(7)代入(3)式中，得到NO單位體積內(nèi)總的激發(fā)碰撞截面為

同樣，若只考慮激發(fā)解離通道②一種分解通道，將(2),(7)帶入(4)式中，可得當(dāng)電子激發(fā)溫度Te=3 600 K時(shí)，NO+單位體積內(nèi)總的激發(fā)碰撞截面為

參照以上計(jì)算方法，對(duì)不同電子激發(fā)溫度下的電子能量分布函數(shù)歸一化，得到不同電子激發(fā)溫度下NO和NO+單位體積內(nèi)的激發(fā)碰撞截面如表1所示.

表1 不同電子激發(fā)溫度下NO和NO+單位體積內(nèi)的激發(fā)碰撞截面

2激發(fā)解離通道消耗的高能電子所占比例乘以各自產(chǎn)物N*和N+*的特征譜線的自發(fā)輻射系數(shù)，就可以得到N和N+的相對(duì)熒光強(qiáng)度.N*和N+*特征譜線821.6，500.3 nm的自發(fā)輻射系數(shù)分別為2.26×107和8.33×106s-1.計(jì)算結(jié)果如圖1所示，N原子的熒光譜線相對(duì)強(qiáng)度隨著電子激發(fā)溫度的升高而升高，而N+的熒光譜線相對(duì)強(qiáng)度隨著電子激發(fā)溫度的升高而有所減弱.這是由于NO+激發(fā)碰撞截面隨電子激發(fā)溫度升高而緩慢增長(zhǎng)，但該激發(fā)解離通道所消耗高能電子的比例卻隨電子激發(fā)溫度升高而快速降低，從而導(dǎo)致N+的熒光譜線相對(duì)強(qiáng)度降低.

圖1 N原子和N+相對(duì)熒光強(qiáng)度隨電子激發(fā)溫度的變化

本研究小組曾對(duì)NO脈沖流光放電脫除過(guò)程中N*和N+*的熒光特征譜線相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖2,3所示.圖2是NO脈沖流光放電不同初級(jí)注入電壓下電子激發(fā)溫度的變化曲線[11].圖3是在氣壓為20 260 Pa下，N原子和N+相對(duì)熒光強(qiáng)度隨注入電壓的變化曲線[11].從圖3中可以看出，隨著注入電壓的增加(即電子激發(fā)溫度的升高)，N原子的相對(duì)熒光強(qiáng)度增加，而N+的相對(duì)熒光強(qiáng)度逐漸減弱，與本文理論計(jì)算結(jié)果相符，也驗(yàn)證了本文對(duì)NO脫除過(guò)程中2激發(fā)解離通道競(jìng)爭(zhēng)處理的合理性.

圖2 電子激發(fā)溫度隨電壓的變化

圖3 N原子和N+相對(duì)強(qiáng)度隨注入電壓的變化

3 結(jié)論

NO脈沖流光放電脫除過(guò)程中，2主要激發(fā)解離通道分別為NO+e*→NO*+e→N*+O*e和NO+e*→NO++2e,NO++e*→N+*+O*+e*→NO+*+O*+e.依據(jù)電子能量分布函數(shù)和電子激發(fā)態(tài)的碰撞激發(fā)函數(shù)，積分計(jì)算了脈沖流光放電下NO的2個(gè)主要激發(fā)解離通道的激發(fā)碰撞截面，并依據(jù)激發(fā)碰撞幾率函數(shù)歸一的原理，研究了NO 2個(gè)主要激發(fā)解離通道的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程.結(jié)果表明激發(fā)解離通道NO+e*→NO*+e→N*+O++e隨電子激發(fā)溫度升高而增強(qiáng)，激發(fā)解離通道NO++e*→NO+*+e→N+*+O*+e隨電子激發(fā)溫度升高而緩慢減弱.計(jì)算結(jié)果與本研究小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好，驗(yàn)證了理論計(jì)算處理的合理性.

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Theoreticalcalculationofexcitatedanddissociatingsectionofnitricoxideinpulsestreamercorona

ZHANGLianshui,CHENGHongtao,WANGXiaojun,CHENGXueliang,ZHAOKuifang

(College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China)

Taking two main excited and dissociating processes of NO in pulse streamercorona as the primary object of research, based on electron energy distribution function at different electronic excitation temperature and collision excitation function of excited electronic state, the integral of collision excitation sections of two main excited and dissociating processes of NO in pulse streamercorona were calculated; and the competition of two main excited and dissociating processes of NO was studied according to normalization theory of probability function of collision excitation.Calculating result of radiation intensity of marked fluorescence spectrum of N atom and N+at different electronic excitation temperature conformed well to the others’ experimental ones in the research group, which verified the theory was rational and gave the theoretical basis for the dissociating process of NO gas.

collision excitated and dissociating section; pulse streamercorona; electronic excitation temperature

10.3969/j.issn.1000-1565.2013.01.005

2012-07-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10875036)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(A2007000131)；河北大學(xué)校青年基金項(xiàng)目(2008Q16)

張連水(1956-)，男，河北保定人，河北大學(xué)研究員，主要從事激光光譜和低溫等離子體脫除污染氣體方面研究.

E-mail:zhangls@hbu.edu.cn

O561.3

A

1000-1565(2013)01-0019-05

(責(zé)任編輯孟素蘭)