2

РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа содержит 27 страниц, 16 рисун-ков, 16 источников.

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯПЛАЗМА,ПЛАЗМА,СПЕКТРАЛЬНЫЙАНА-ЛИЗ, УГЛЕВОДОРОД, СПЕКТР.

В выпускной квалификационной работе «Анализ спектров, создаваемыхСВЧ генератором, в жидкостных углеводородах» рассматривается метод мо-делирования эксперимента, позволяющего проанализировать состав пробжид-костных углеводородов.

3

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1 Спектральный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2 Плазма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3 Низкотемпературная плазма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.1 Способы получения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.2 Преимущество низкотемпературной плазмыпри исполь-

зовании в спектральном анализе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.4 Молекулярные спектры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5 Сван система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 Постановка физического эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2 Разработка программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4

ВВЕДЕНИЕ

В природе чистые химические вещества встречаются гораздо реже, чемсоединения различных веществ. Свойства чистых веществ, как химические,так и физические лучше, чем у соединений. Например, у чистых металловтеплопроводность и электропроводность лучше, чем у соединения металлас не металлом. В связи с этим стоимость «чистых» веществ такая большая,что на некоторых из них стоит основа мирового рынка(золото, серебро, пла-тина).

Углеводород – базовое соединение углерода и водорода для органиче-ской химии.[10] Встречается газообразный – метан, природный газ, жидкост-ной – нефть, твердый – каменный уголь и другие. В жидкостных углеводо-родах возможны примеси, например, в нефти возможно содержание ссоры,азота, воды с растворенными в ней солями, частиц других пород. Содержа-ние этих примесей зависит от месторождения нефти. Эти примеси напрямуювлияют на качество ископаемого вещества.

В связи с этим многие нефтяные компании заинтересованы в получениеископаемого вещества без примесей, так как процедура очистки нефти стоитдорого. Для выявления примесей берут пробу и делают качественный анализ,который показывает - какое вещество помимо требуемого также есть в пробе,потом количественный, который позволяет получить отношение массы при-меси к полезному веществу. Для получения подобных данных чаще всегоиспользуют спектральный анализ, как наиболее точный метод определениясостава вещества. Возможности спектрального анализа хорошо описывают-ся в [8]

При спектральном анализе вещество нагревают до температуры поряд-ка 10 тысяч градусов цельсия или помещают под действие мощных элек-трических разрядов, благодаря чему атомы возбуждаются и испускают квантсвета с определенной длиной волны. Наиболее точный метод для жидкостейсчитается спектральный анализ с использованием плазмы [1, 2], созданнойгенератором высоких частот или сверхвысоких частот, потому что процессвозбуждения в плазме протекает быстрее и поддержание плазмы с помощьюэлектричества дешевле, чем постоянно подводить тепло. Исследование спек-трального анализа с использованием плазмы нашло отражение в работах Ле-бедева Ю.А. и Шахатова В.А. [15]

5

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

6

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Спектральный анализ

Спектральный анализ – способ определения состава вещества, что осно-ван на исследовании спектров излучения вещества. Изучает спектры акусти-ческих волн, электромагнитного излучения и другие.

Спектры проб сравнивают с известными спектрами различных элемен-тов, что приведены в таблицах спектральных линий, таким образом, уста-навливая элементный состав исследуемого вещества. Также возможно опре-деление концентрации искомого элемента в анализируемом веществе по за-висимости величины аналитического сигнала элемента от его содержания впробе.

Точность спектрального анализа, а также и его чувствительность, зави-сят от набора физических характеристик источника излучения, таких как вре-мя пребывание атомов в зоне возбуждения спектров, концентрация электро-нов, стабильность работы источника, температура электронов и других.

Спектры регистрируют с помощью приборов, которые называются спек-трограф и спектрометр. Эти приборы отличаются светосилой, разрешающейспособностью, дисперсией и рабочей областью спектра. Для регистрациислабых излучений необходима большая светосила, для того что бы разделитьспектральные линии с близкими длинами волн – большая дисперсия. Для рас-сеивания света использую дифракционные решетки с количество штрихов намиллиметр от нескольких сотен до нескольких тысяч. Реже для рассеиванияиспользуются кварцевые или стеклянные призмы.

Спектрографы используют специальные фотопластины или фотопленкудля фиксации спектров. При анализе предпочтительней фотопленка, потомучто позволяют изучать сразу весь спектр образца. Также фотопленка исполь-зуется для анализа концентрации вещества из-за дешевизны и простоты об-служивания. Для автоматизации процесса к спектрографу подключают ЭВМили микропроцессор, которые будут выполнять обработку результатов и вы-давать конечный результат.

7

Рис. 1.1. Оптическая схема спектрографа: 1-входная щель; 2-поворотное зер-кало; 3-сферическое зеркало; 4-дифракционная решетка; 5-лампочка освеще-ния шкалы; 6-шкала; 7-фотопластинка.

При анализе жидких проб самые точные результаты получаются при исполь-зовании высокочастотыных(ВЧ) и сверхвысокочастотных(СВЧ) плазмотро-нов. Для анализа металлов - искровой разряд, тлеющий разряд.

1.2 Плазма

Плазма – газ, в котором есть свободные электроны, положительные иотрицательные ионы, такой что сумма всех зарядов в объеме с размерамименьше чем у всей системы равна нулю. Плазму также называют четвертымагрегатным состоянием вещества.

Благодаря свободным электронам и наличию заряженных ионов плазмаможет проводить электрический ток. Плазма может экранировать внешнееэлектрическое поле, если оно постоянное, а сама плазма является стацио-нарной. Но из-за наличия не нулевой температуры, как у электронов так и уионов, существует минимальный масштаб, на расстояниях меньше которогонарушается условие равенства суммы зарядов нулю. Этот масштаб называютрадиус Дебая.

В зависимости от физических свойств плазмы ее классифицируют как:равновеснуюили неравновесную, полностьюили частично ионизированную,идеальной или не идеальной, квантовой или классической. А так же плазмухарактеризует температура, поэтому ее можно подразделить на высокотем-пературную и низкотремпературную плазму.

Высокотемпературная плазма – почти полностью ионизированная плаз-ма, в которой температура заряженных частиц больше 107◦. В основном, вы-сокотемпературную плазму применяют при управлении термоядерным син-тезом.

8

Низкотемпературная плазма – как равновесная, так и неравновесная плаз-ма, частично ионизированная. У низкотемпературной плазмы средняя энер-гия электрона меньше, чем энергия ионизации атома, то есть меньше 10эВ, атемпература самой плазмы не превышает 105 К. Низкотемпературная плазмаприменяется в качестве теплоносителя при создании плазмотрона, для обра-ботки поверхностей с целью стерилизации, в плазмохимических процессах.Так же низкотемпературная плазма часто встречается в природе (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Низкотемпературная плазма в природе.

Как было отмечено, низкотемпературная плазма применяется при созданииплазматрона, который в своюочередь применяется для анализа спектровжид-костных проб, поэтому дальше рассмотрим то, как создается такая плазма,как она поддерживается, какие протекают в такой плазме и преимуществанизкотемпературной плазмы над другими методами в спектральном анали-зе.

1.3 Низкотемпературная плазма

1.3.1 Способы получения

Самый распространенный способ создания низкотемпературной плаз-мы – газоразрядный, то есть плазма создаётся в результате протекания в газе

9

электрического тока между электродами, к которым, в свою очередь, прило-жена разность потенциалов, поддерживаемая постоянной. В этом случае по-лучают импульсную плазму, которая распадается, как только электроды раз-рядятся. Поэтому основные свойства низкотемпературной плазмы, как нерав-новесной среды, являются результатом способа ее поддержания. Электри-ческое поле, создаваемое путем прикладывания напряжения между электро-дами, ускоряет более подвижные электроны, которые затем передают своюэнергию молекулам газа как при упругих, так и при неупругих соударениях.

При значениях приведенного электрического поля E/N , где E— напря-женность электрического поля, N — концентрация нейтральных частиц, ко-торые характерны для низкотемпературной плазмы тлеющего разряда, боль-шая часть энергии электронов переходит в колебательную энергию молекулгаза. Затем эта энергия может переходить в химическую энергию продуктовплазмохимических реакций, в излучение, а также за счет колебательно - по-ступательной (νT -)релаксации — во вращательную и поступательную энер-гию молекул.

Есть много других способов создания низкотемпературной плазмы. Онаможет быть получена под действием жёсткого излучения, ионизующего газ,в результате прохождения пучка ионов или нейтронов через газ. В качествегенератора низкотемпературной плазмы могут быть использованы радиоак-тивные источники.

1.3.2 Преимущество низкотемпературной плазмы при использовании вспектральном анализе

Использование низкотемпературной плазмы определяется простотой еёсоздания. В плазмотроне низкотемпературная плазма является теплоносите-лем. Вводимая в плазму электрическая энергия передается электронам, а отних атомам, молекулам газа и нагревает его. А удельная энергия, что вводит-ся в такой газ, заметно выше энергии пламени газовой горелки.

10

Рис. 1.3. Процессы проходящие в низкотемпературной плазме.

Во - первых, в плазме могут достигаться температуры гораздо выше,чем в горелках на химическом топливе, из этого следует, что плазма – отлич-ный теплоноситель. Во-вторых, в плазме образуется много ионов, радикалови различных химически активных частиц, поэтому в плазме или с её помо-щью можно провести химические процессы, имеющие практические значе-ние. Поэтому низкотемпературная плазма используется для анализа элемент-ного состава вещества. В дуговой разряд с проточной плазмой вводится ис-следуемое вещество, в микроколичествах либо в виде порошка, либо в видекапель. В плазме вещество расподается на атомы, которые частично возбуж-даются и излучают. По спектральному составу излучения определяется эле-ментный состав вещества. Этот метод называется эмиссионным спектраль-ным анализом и применяется для анализа металлов и сплавов.

11

1.4 Молекулярные спектры

Молекулярные спектры – спектры испускания и поглощения, принадле-жащие слабосвязанным между собой или свободным молекулам.Молекуляр-ные спектры имеют сложную структуру, они полосатые, наблюдаются как виспускании и поглощении, так и в комбинационном рассеянии, в виде сово-купности более или менее узких полос в ультрафиолетовом, видимом и близ-ком к инфракрасному диапазону. Структура молекулярного спектра зависитот самой молекулы, усложняясь при увеличении атомов.

Спектр возникает при переходе с верхнего наиболее возбужденного со-стояния на нижние с меньшей энергией. Энергия излученного кванта равнаразности энергия верхнего и нижнего состояний:

hϑ = E ′ − E ′′ (1.1)

Наряду с движениями электронов относительно ядер, также в молеку-лах происходят колебательное движение ядер около положения равновесия ивращательное движение всей молекулы. В первом приближении полная энер-гия молекулы в отсутствии полей равна:

E = Ee + Evib + Erot (1.2)

где Ee - электрическая энергия, Evib – колебательная, Erot – вращательная.При не слишком интенсивных колебаниях, близких к гармоническим их энер-гия равна:

Evib = hcωe(ϑ =1

2) (1.3)

гдеωe - волновое число колебательного перехода, которое выражается в cm−1,а ϑ- колебательное квантовое число.

Энергия вращательного движения характеризуется вращательным кван-товым числом J и моментом инерции молекулы I:

Erot =h2J(J + 1)

8π2I= hcBeJ(J + 1), (1.4)

12

где Be =h

8π2cI- вращательная постоянная. Тогда энергия молекулы может

быть записана в следующем виде:

E = Ee + hcωe(ϑ+1

2) + hcBeJ(J + 1) (1.5)

Волновое число, соответствующее переходу, будет равно:

1

λ=E ′ − E ′′

hc=

[E ′

e − E ′′e

hc

]+

[ω′e(ϑ+

1

2)− ω′′

e (ϑ′′ +

1

2)

]+

+[B′

eJ′(J ′ + 1)−B

′′

eJ′′(J

′′+ 1)

] (1.6)

В соответствии с правилами отбора по J , J ’ и J ” могут быть связаны толькоследующим образом:

∆J =

−1, P − ветвь

0, Q− ветвь

+1, R− ветвь

(1.7)

Волновые числа ветвей находятся из формул:

P :1

λ=

1

λv′v′′+ (B′

e −B′′e )J

′′2 − (B′e +B′′

e )J′′, J ′′ > 1 (1.8)

Q :1

λ=

1

λv′v′′+ (B′

e −B′′e )J

′′2 − (B′e +B′′

e )J′′, J ′′ > 1 (1.9)

R :1

λ=

1

λv′v′′+ (B′

e −B′′e )J

′′2 − (3B′e +B′′

e )J′′+ 2B′′

e , J′′ > 0 (1.10)

Здесь1

λv′v′′- константа, представляющая собой квантовое число, которое со-

ответствует электронно-колебательному переходу в отсутствии вращатель-ной структуры.

Правила отбора для J зависят от типа электронного перехода в молекуле.Если и верхнее, и нижнее электронные состояния не обладают электронныммоментом количества движения относительно оси, соединяющей их ядра, топравилом отбора является условия ∆J = ±1, тогда как для всех остальныхпереходов правило отбора имеет вид DeltaJ = 0 или ±1. В последнем слу-чае имеется дополнительный запрет: состояние с J = 0 не может переходить вдругое состояние с J = 0. Таким образом, при переходах между состояниями

13

в спектре присутствуют только P- и R-ветви, тогда как для других переходовдополнительно появляются еще и Q-ветви.

Рис. 1.4. Тонкая вращательная структура электронно-колебательного пере-хода в двухатомной молекуле: а, б, в – R-, P-, Q-ветви соответственно; г –суммарный спектр

В ситуации (B′ < B′′) кант полосы появляется в R-ветви со стороны большихволновых чисел. Тогда о полосе можно сказать, что хвост полосы, спадающийпо интенсивности, направлен в красную сторону. Если же (B′ > B′′), то Q-ветвь будет расположена со стороны больших волновых чисел, R-ветвь будетсостоять из серий линий с увеличивающимися расстояниями между ними ,акант полосы проявляется на P-ветви и со стороны меньших волновых чиселотносительно центра полосы, полоса имеет фиолетовое оттенение.

Образование кантов лучше всего иллюстрируется диаграммой Фортра,то tcnm зависимостью J от частоты перехода (рис. 1.5), которая оказываетсяполезной для идентификации отдельных линий.

14

Рис. 1.5. Диаграммы Форта а) для (B′>B′′); б) для (B′<B′′).

1.5 Сван система

Полосы Свана — спектральные полосы молекул углерода(C2), которыехарактерны для спектров углеродных звёзд, комет и пламени углеводо-родныхтоплив. ПолосыСвана состоят из нескольких последовательностей полос, на-ходящихся на всей видимой области спектра.

Рис. 1.6. Спектр пламени горящего бутана с полосами возбуждённых моле-кулярных радикалов и полосами Свана.

Основное выражение для плазменнойфотометрии в случае оптически тонкойоднородной плазмы:

∑u,l

∫V

∫ν

εul(ν − νul)AAF (ν′ − ν)dνdV = C

IP (ν′)

IL(ν ′)c

∫SL

B(ν ′)dspDdis

dSL (1.11)

Здесь c - скорость света. Функция εul(ν − νul) от волнового числа ν есть ко-эффициент спектральной излучательной способности низкотемпературной

15

плазмы. Величина νul определяет волновое число, соответствующее электри-ческому дипольному переходу u→ l. Индексы u и l обозначают наборы кван-товых чисел, характеризующих свойства симметрии и классификацию верх-них и нижних электронных конфигураций и термов электронно – колебатель-но – вращательных состояний молекулы углерода. Величина B(ν ′) являетсяэнергией излучения на единицу площади ленты вольфрамовой лампы. Зави-симость AAF (ν

′ − ν) от ν обозначает аппаратную функцию оптической си-стемы. Постоянный множитель C учитывает потери энергии регистрируемо-го излучения при его прохождении по оптическому тракту. При измеренияхотносительных интенсивностей он исключается из данного выражения по-средством отношения интенсивностей исследуемых переходов, либо их нор-мировки. Величины dsp и Ddis - входная апертура и обратная линейная дис-персия спектрометров, соответственно. Величины IP (ν ′) и IL(ν ′) есть усред-ненные детектором спектрометра по времени экспозиции интенсивности из-лучения, испускаемые частицами элементарного пробного объема dV НТПи элементарной площадью dSL градуированной светоизмерительной лампы,соответственно.

Для определения параметров низкотемпературной плазмы эксперимен-тальный спектр испускания, скорректированный на интенсивность испуска-ния эталонного источника, сравнивается с библиотекой рассчитанных спек-тров. Ключевым моментом при моделировании и обработке спектров испус-кания является определение коэффициента спектральной излучательной спо-собности НТП. Он является сложной функцией квантомеханических пара-метров возбужденных молекул углерода и среды: поступательная темпера-тура Tg, заселенности молекул и их ионов Nu в возбужденных состояниях uв единице объема плазмы и т.д.

Выражение для εinte′ν′J ′e′′ν′′J ′′ , соответствующее электронно – колебатель-но – вращательному переходу e′ν ′J ′ → e′′ν ′′J ′′ молекулы C2 имеет вид:

εinte′ν′J ′e′′ν′′J ′′ =16π3c

3ν4J ′J ′′Se′e′′(rν′ν′′)qν′ν′′

SJ ′J ′′

(2J ′ + 1)K ′NJ ′ν′e′ (1.12)

Здесь J’, J” - квантовые числа полного углового момента вращения, νJ ′J ′′ -вращательное волновое число, соответствующее числам J’ и J” колебатель-ных уровней и ν ′, ν ′′ а также электронных состояний e’ и e”. Величины с

16

верхним индексом «’» соответствуют верхнему излучающему состоянию, а синдексом «’’» - нижнему электронному состоянию. Величина SJ ′J ′′ являетсяфактором Хенля – Лондона, Se′e′′(rν′ν′′)- сила электронного перехода,NJ ′ν′e′ -концентрация верхнего вращательного состояния. K’ - коэффициент норми-ровки факторов Хенля - Лондона. Величина rν′ν′′ является центроидой, а qν′ν′′обозначает фактор Франко – Кондона.

Фактор Хенля-Лондона – фактор определяющий распределение интен-сивности во вращательной структуре полосы. Определяется с помощьюурав-нения:

|T+n ⟨α⟩Tm|2 = ⟨SJ ′J ′′⟩ (1.13)

Где ⟨α⟩ - матрица направляющих косинусов. ⟨SJ ′J ′′⟩ — факторы Хенля —Лондона. Tm, T+

n - операторы кинетической энергии.ПринципФранка-Кондона - перестройка электронной оболочки при элек-

тронном переходе с испусканием или поглощением фотона происходит на-столько быстро, что за это время не успевают измениться ни положение ядер,ни их кинетическая энергия.Фактор Франка—Кондона вычисляется по фор-муле:

qν′ν′′ = |∫ψν′ψν′′dr|2 (1.14)

Значение εinte′ν′J ′e′′ν′′J ′′ рассчитывается для P, Q и R - ветвей и их сателли-тов согласно правилам отбора для спектров излучения возбужденных частиц.Для молекулы углерода рассчитываются спектры испускания, соответствую-щие секвенциям+1, 0 и -1 системыСванаC2(d

3Πg → a3Πu). Определениеположений в спектре вращательных линий выполнено с учетом правил отбо-ра для электрических дипольных переходов и свойств симметрии электронно– колебательно - вращательных состояний, согласно, соотношениям:

νJ ′J ′′ = νν′ν′′ + F (J ′, ν ′)− F (J ′′, ν ′′) (1.15)

Для расчета энергий F (J ′, ν ′) и F (J ′′, ν ′′) вращательных уровней верх-него и нижнего исследуемых состояний используются выражения, которыеучитывают спин - спиновое, спин – вращательное, центробежное и спин - ор-битальное взаимодействия. Начало электронно - колебательной полосы (ну-

17

левая линия) νν′ν′′ определяется на основе соотношения:

νν′ν′′ = νe′e′′ +G(ν ′)−G(ν ′′) (1.16)

Величина νe′e′′ определяется разностью значений энергетических уровней,верхнего и нижнего электронных состояний Te′ и Te′′, соответственно:

νe′e′′ = Te′ − Te′′ (1.17)

Она является постоянной в пределах рассматриваемого электронно – колеба-тельного перехода. Величины энергий G(ν ′) и G(ν ′′) колебательных уровнейверхнего и нижнего данных состояний определяются на основе соотноше-ния:

G(ν) = (ν +0.5)ωe − (ν +0.5)2ωexe + (ν +0.5)3ωeye + (ν +0.5)4ωeze (1.18)

Здесь ν квантовое колебательное число, которое принимает значения ν ′

и ν ′′. Величины ωe, χeωe, γeωe – спектральные константы, которые характе-ризуют верхнее и нижнее электронные состояния. Поскольку совокупностьэлектронно – колебательно – вращательных линий обусловлена переходамимежду различными вращательными уровнями J’ и J” при фиксированных ко-лебательных состояниях ν ′ и ν ′′, то значение νν′ν′′ в выражении для величиныνν′ν′′ является постоянным.

В низко температурной плазме распределения энергии по степеням сво-боды частиц плазмообразующего газа является неравновесным и распреде-ления частиц по уровням могут заметно отличаться от распределения Макс-велла – Больцмана. Это обычно проявляется в распределениях заселенностейпо электронным и колебательным состояниям и менее выражено для рас-пределений заселенностей молекул и их ионов по вращательным уровням.Поэтому при моделировании молекулярных спектров испускания значенияNe′ν′ используются в многопараметрической подгонке, как искомые парамет-ры. При расчете неразрешенной вращательной структуры полос C2(d

3Πg →a3Πu) заселенности NJ ′ν′e′ аппроксимируются больцмановским распределе-

18

нием:

NJ ′ν′e′ = Nν′e′

grot · exp{−hcF (J ′, ν ′)

kbTrot(e′)}

Qν′rot

(1.19)

в котором величина Trot(e′) также играет роль подгоночного параметра. Здесьgrot - кратность вырождения уровня, а h и kb являются постоянными Планкаи Больцмана, соответственно. ВеличинаQν′

rot - статистическая сумма, рассчи-

тываемая по формуле: Qν′rot =

∑grot · exp{−

hcF (J ′, ν ′)

kbTrot(e′)}

19

2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Постановка физического эксперимента

Реальный эксперимент проводился в институте нефтехимического син-теза им. А.В. Топчиева РАН (ИНХС РАН), в лаборатории «Плазмохимии ифизикохимии импульсных процессов».

Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки.

На рис. 2.1 изображена экспериментальная установка, что состоит из метал-ла камеру, соединенную с 3 магнетроны ( 3x500 Вт, 2,45 ГГц ) с помощьюпрямоугольных волноводов.

В действительности, эксперименты проводились с использованием од-ного магнетрона. Были протестированы различные подразделения антеннына зажигания разряда. Длины антенн выбирали с учетом диэлектрическойпроницаемости углеводорода. Антенные блоки разместили на нижней сто-роне термостойкого стеклянного реактора, который частично заполнен угле-водородов. Антенны были полностью погружены в углеводороды. СВЧ раз-ряд существует на кончиках антенн. Поэтому между антеннами создается по-ле высокой температуры и высокочастотного разряда.

Проводились исследования плазмы методами оптической эмиссионнойспектроскопии в диапазоне длин волн от 200 до 800 нм. Излучения были за-регистрированы спектрометром AvaSpec 2048 с оптическим волокном и на-блюдались через стекло и слой углеводородов. Все протестированные угле-

20

водороды являются прозрачными для видимого излучения. Относительныеспектры излучения были откалиброваны с помощью вольфрамовой лампы.

Рис. 2.2. Спектр углеводорода, с учетом нормирования на спектр вольфрамо-вой лампы.

Рис. 2.3. Измеренные и рассчитанные Сван полос в жидкость СВЧ-разряда.Точки – эксперементальные значения интенсивности, линия – вычисленные.

2.2 Разработка программы

Во время выполнения поставленной задачи мною была написана про-грамма позволяющая смоделировать эксперимент оптической эмиссионной

21

спектроскопии. Программа написана на языке С++, что позволяет ее запус-кать на любой операционной системе с небольшими затратами.

При выполнении программы создаются файлы, в которых сохраняют-ся посчитанные даны. Например, результат смоделированного эксперимента.Что позволяет приблизительно сравнивать результат реального экспериментаи смоделированного.

Рис. 2.4. График спектра углеводорода с учетом нормирования.

Рис. 2.5. График спектра углеводорода с учетом нормирования на промежутке470нм-522нм.

Для обработки результатов спектор надо преобразовать к стандартному ви-ду, как на рис. 2.3 pезультатом такого упрощения для данного экспериментабудет график на рис. 2.6.

22

Рис. 2.6. Измеренный и рассчитанный спектр.

Рис. 2.7. Измеренный и рассчитанный спектр на промежутке 450нм – 530нм.

Оценим относительную погрешность смоделированного эксперимента. Таккак все значения нормированы, но максимальное достижимое значение по-грешности при умножении на 100 даст процент ошибки.

23

Рис. 2.8. График погрешности смоделированного эксперимента и реальныхзначений.

Из графика видно, что погрешность составляет не больше 16.5%, что для дан-ного эксперимента нормально, потому что в программе также не учтены по-грешности измерительных приборов.

Рис. 2.9. График погрешности смоделированного эксперимента и реальныхзначений на промежутке от 487нм до 513нм.

Из рис. 2.9 видно к какой длине волны относится максимум погрешно-сти, он относится к диапазону 495.0 нм -495.96нм, а если точнее то 496.66 нм

24

длина волны на которой максимальна погрешность.Так же программа считает температуру газа, с помощью которого созда-

ется плазма, частоту столкновений частиц, среднее время свободного пробе-га, количество столкновений и средняя длин свободного пробега.

Рис. 2.10. Вывод подсчетов температуры

25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были получе-ны следующие основные результаты:

• Проведен эксперимент по определению состава жидкостных углеводо-родов с помощью спектров, создаваемых СВЧ-генератором.

• Разработана кроссплатформенная программа для анализа состава ис-следуемого вещества посредством спектрального анализа.

• Результаты данной ВКР нашли применение в ИНХС РАН для модели-рования эмиссионной спектроскопии, так и для анализа свойств плаз-мы.

26

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Александров Н.Л., Васильев М.Н., Лысенко С.Л., Махир А.X. Низко-температурная плазма экспериментальное и теоретическое исследованиесвойств квазистационарной электронно-пучковой плазмы в нагретом ар-гоне. Физика плазмы. 2005. Т. 31. № 5. С. 466-477.

2. Бонд Дж., Уотсон К., Уэлч Дж., Физическая теория газовой динамики,под редакцией Г.А. Тарского, пер. с англ., М.: «МИР», 1968;

3. БуравлевЮ.М.Влияние структурына результаты спектрального анализасплавов. -М.: Металлургиздат, 1963. -152 с.

4. Геруберг Г., Спектры и строение двухатомных молекул, пер. с англ.,М.1949;

5. Ельяшевич М.А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962;

6. Кондратьев В.Н., Структура атомов и молекулб 2 изд., М., 1959;

7. Кузнецова Л.А., Кузьменко Н.Е., Ю.Я. Кузяков, Ю.А. Пластинин, Веро-ятности оптического перехода двухатомных молекул, под редакцией Р.В.Хохлова, М., «Наука» 1980;

8. Кузнецов А.А., Шишкин Д.С. Возможности комплексного анализа мате-риалов средствами спектрального анализа. Наука и техника транспорта.2006. № 4. С. 27-34.

9. Лабораторная работа №20 по курсу физические методы исследования.Измерение вращательной и колебательной температур в газовом разрядепо спектру молекулы N2, Долгопрудный, МФТИ, 2005;

10. Марион Р., Бойд Р., Органическая химия, пер. с англ. , М.: «МИР»,1974;

11. Райзер Ю.П., Физика газового разряда, третье издание , Долгопрудный,«Интелект», 2007;

12. Ткаченко С.И., Исследование вещества по его излучательной и поглаща-тельной характеристикам. Молекулярные спектры.учебное пособие. М.,МФТИ 2015;

27

13. Христофоров А.В. Методы анализа спектра сигнала. Учебно- методиче-ское пособие к специальному лабораторному практикуму для студентовстарших курсов и магистрантов кафедр радиофизического направления.Казань 2004, 21 с

14. Энгель А., Ионизированные газы, под редакциеМ.С. Иоффе,М., государ-ственное издательство физико-математической литературы, 1959г.;

15. Lebedev Yu.A, Epshtein I.L., Shakhatov V.A., Yusupova E.V., KonstantinovV.S.: Spectroscopy of microwave discharge in liquid C7-C16 hydrocarbons ,TBT,52:3(2014);

16. Tatarinov A.V., Lebedev Yu.A, Epshtein I.L.: Simulation microwaveinduced formation of gas bubbles inmliquif n-heptan, DOI:10.1134/S0018143916020077;