NO脈沖流光放電激發(fā)解離截面的理論計算

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)

NO脈沖流光放電激發(fā)解離截面的理論計算

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個主要激發(fā)解離通道作為主要研究對象，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)，積分計算了脈沖流光放電下NO的2個主要激發(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個主要激發(fā)解離通道的競爭過程.N原子和N+特征譜線熒光輻射強(qiáng)度隨電子激發(fā)溫度變化的計算結(jié)果與本研究小組的實驗結(jié)果符合得很好，驗證了理論處理的合理性，也為NO分解過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)今以及未來面對的一個主題，也是必須長期面對的一個挑戰(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，主要來自于礦物質(zhì)的燃燒[3-5]，所以，只要存在燃燒過程，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的大量排放會給自然環(huán)境和人類生產(chǎn)生活帶來不可忽視的危害.

NO為無色無味的有毒氣體，人體吸入后，它通過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).

本研究小組的實驗研究表明，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驗結(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個激發(fā)解離通道同時存在，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[16]，為此這里電離度χ取中間值為0.000 5.

(5)

(6)

2 計算結(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脫除實驗研究，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，NO+單位體積內(nèi)總的激發(fā)碰撞截面為

參照以上計算方法，對不同電子激發(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.計算結(jié)果如圖1所示，N原子的熒光譜線相對強(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，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+的熒光譜線相對強(qiáng)度降低.

圖1 N原子和N+相對熒光強(qiáng)度隨電子激發(fā)溫度的變化

本研究小組曾對NO脈沖流光放電脫除過程中N*和N+*的熒光特征譜線相對強(qiáng)度進(jìn)行了實驗測量，測量結(jié)果如圖2,3所示.圖2是NO脈沖流光放電不同初級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原子的相對熒光強(qiáng)度增加，而N+的相對熒光強(qiáng)度逐漸減弱，與本文理論計算結(jié)果相符，也驗證了本文對NO脫除過程中2激發(fā)解離通道競爭處理的合理性.

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)，積分計算了脈沖流光放電下NO的2個主要激發(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個主要激發(fā)解離通道的競爭過程.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.計算結(jié)果與本研究小組的實驗結(jié)果符合得很好，驗證了理論計算處理的合理性.

[1]王明星.大氣化學(xué)[M].北京:氣象出版社,1999: 23.

[2]AMIROV R H, CHAE J O,DESSIATERIK Y N, et al.Removal of NOxand SO2from air excited by steamer corona: Experimental results and modeling[J].Appl Phys, 1998, 37: 3521-3529.

[3]NAKAGAWA Y N, KAWAUCHI H K.Pulse intense electron beam irridiation on the atmospheric pressure containing 200 ppm of NO.Jpn[J].Appl Phys, 1998, 37: 5082-5087.

[4]WODTKE A M, HIWEL L, SCHLUTER H S, et al.High sensitivity detection of NO in a flame using a tunable ArF laser[J].Opt Lett, 1988, 13: 910-912.

[5]NELSON D D, ZAHNISER M S, MCMANUS J B, et al.A tunable dionde laser system for the remote sensing of on-road vehicle emissions[J].Appl Phys, 1998, B67: 433-441.

[6]高婕,王禹,張蓓.我國大氣氮氧化物污染控制對策[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2004,30(5):1-3.

GAO Jie, WANG Yu, ZHANG Bei.Countermeasure of atmospheric nitrogen oxide pollution in China[J].Environmental Protection Science, 2004,30(5):1-3.

[7]PENG W X, LEDINGHAM K W.Urban airpollution monitoring: laser-based procedure for the detection of NOxgases[J].Analyst, 1995, 120: 2537-2542.

[8]ROTHE R W, ANDRESEN P.Application of tunable excimer lasers to combustion diagnostics: a review[J].Appl Opt, 1997, 36:3971-4033.

[9]HIRST BILL, GILLESPIE STEVE.Optical sensors:a path to better gas detection[J].Phys World, 1998(8): 37-40.

[10]BRADSHAW J D, RODGERS M O, DAVIS D D.Single photon laser induced fluorescence detection of NO and SO2for atmospheric conditions of composition and pressure[J].Appl Opt, 1982, 21: 2403-2500.

[11]程學(xué)良.貧氧狀態(tài)下NO脈沖放電解離過程[D].保定:河北大學(xué),2012.

CHENG Xueliang.NO dissociation process of pulse dischargein N2environment[D].Baoding: Hebei University, 2012.

[12]汪志誠.熱力學(xué)統(tǒng)計物理[M].2版.北京:高等教育出版社,1993:242.

[13]胡治強(qiáng),甄漢生,施迎難.氣體電子學(xué)[M].北京:電子工業(yè)出版社,1985.

[14]ITIKAWA YUKIKAZU.Cross sections for electron collisions with carbon dioxide[J].Phys Chem Ref Data, 2002, 31(3): 749-767.

[15]姜明,程新路,楊向東.高密度氬等離子體電子密度的計算[J].原子與分子物理學(xué)報,2004,21(3) :421-424.

JIANG Ming, CHENG Xinlu, YANG Xiangdong.The calculation of electron density of thenon-ideal argon plasma[J].Journal of Atomic and Molecular Physics, 2004,21(3) :421-424.

[16]丘軍林.氣體電子學(xué)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1999:61.

[17]張貴銀.氮氧化物電子態(tài)光譜研究及光學(xué)檢測[D].保定:河北大學(xué),2005.

ZHANG Guiyin.Spectral analysis of electronic states and the optical detection of nitrogen oxide compounds[D].Baoding: Hebei University, 2005.

[18]美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所.原子線形光譜數(shù)據(jù)庫[EB/OL].[2012-06-15].http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html.

[19]GERHARD HERZBERG F R S.Molecular spectra and molecular structure Ⅰ.spectra of diatomic molecules[M].Canada: D Van Nostrand Company,INC,1950:558.

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

國家自然科學(xué)基金資助項目(10875036)；河北省自然科學(xué)基金資助項目(A2007000131)；河北大學(xué)校青年基金項目(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)