Лаборатория молекулярной кинетики

Базовая лаборатория отдела прикладной физики.  Сотрудниками лаборатории выполняются фундаментальные исследования по динамике разреженных газов, химической кинетике. Научная тематика лаборатории связана с исследованиями  газофазных кинетических процессов, плазмохимических реакций и генерации кластеров в сверхзвуковых струях низкой плотности, в том числе активируемых электронно-пучковой плазмой. В рамках сектора молекулярной газодинамики инициированы работы по созданию экспериментальных установок ЛЭМПУС, ЛЭМПУС-2, Плазмохимического стенда. Исследования, выполненные в секторе, определили формирование новых научных и прикладных направлений отдела, выполняемых в настоящее время в секторе ионно-кластерных технологий и секторе конверсионных технологий.

Можно отметить следующие результаты, полученные в ходе выполнения бюджетных и хоздоговорных тем

Экспериментально исследованы процессы, протекающие при активации газа короткими электронно-пучковыми импульсами. Показано, что увеличение длительности токового импульса, а также увеличение плотности газа ведут к нарастанию облака вторичных электронов; проведение измерений интенсивности на переднем фронте светового импульса позволяет реально отсекать вклад вторичных электронов в излучение.

Экспериментально изучен процесс конденсации в импульсных струях аргона и смеси аргон-моносилан в широком диапазоне давлений торможения и плотности фонового газа. Проведен сравнительный анализ данных, полученных из молекулярно-пучковых  масс-спектрометрических экспериментов с результатами измерений с помощью электронно-пучковой диагностики. Показано, что в струе смеси аргон-моносилан, в отличие от струи чистого аргона, конденсация идет намного более интенсивно. Определена последовательность стадий конденсации в струе смеси: на первом этапе образуются кластеры моносилана, которые впоследствии выступают ядрами конденсации для аргона. Кроме кластеров силанового ряда (гидрогенизированного кремния) и аргона впервые обнаружены смешанные аргон-силановые комплексы и определены условия их формирования в потоке.

Исследован процесс фрагментации кластеров электронным ударом, и изучен состав осколков. Показано, что взаимодействие аргон-силановых комплексов с электронами приводит к появлению фрагментов вида ArnSiHx, где n = 1¸4, x = 2¸4; проведены сравнительные экспериментальные исследования аргон-моносилановых, аргон-метановых и тройных смесей в широком интервале параметров торможения и условий конденсации в потоке; выполнен анализ полученных результатов для различных смесей, ведется работа по построению модели, описывающей процесс конденсации в кремний-органической смеси.

Выполнен цикл работ по прямому сравнению характеристик импульсных и непрерывных потоков. Показано, что возможно прямое моделирование непрерывного истечения импульсным, определены параметры подобия этих потоков. Полученные результаты позволяют принципиально, т.е. на порядки расширить диапазон давлений торможения и мгновенных расходов в формируемых сверхзвуковых струях, при этом в сотни раз уменьшается стоимость газодинамических и плазмохимических экспериментов (за счет экономии дорогих исследуемых газов, снижения эксплуатационных расходов, и пр).

Изучены зависимости от давления торможения интенсивностей и временных параметров массовых пиков мономеров и кластерных ионов. Изучено влияние процесса конденсации на временные характеристики импульсных потоков аргона, азота и гелия; Найдены границы использования импульсного метода для моделирования процессов в непрерывных сверхзвуковых потоках. Обнаружено, что переход течения в режим конденсации приводит к изменениям времени пролета и полуширины сигнала мономеров в молекулярном пучке, сформированном из сверхзвуковой струи. Показано, что регистрация временных параметров импульсного потока позволяет выделять отдельные стадии конденсации.

Экспериментально исследованы процессы формирования электрон-ионного облака при импульсной активации газа электронным пучком. Изучена зависимость его характеристик от длительности токового импульса и плотности газа. Показано, что проведение измерений интенсивности на переднем фронте светового импульса позволяет реально отсекать вклад вторичных электронов в излучение. Построена и экспериментально апробирована на модельном газе (фтористый водород) модель столкновительного энергообмена для молекулярной компоненты электрон- ионного облака в стационарных условиях.

 Построена и экспериментально подтверждена полуэмпирическая модель ионно-кластерного взаимодействия в потоках низкотемпературной аргоновой плазмы в присутствии молекулярных примесей.

Проведено исследование процессов послесвечения в сверхзвуковых потоках смесей в дальнем поле течения. Выполнены прямые измерения времен жизни возбужденных состояний смешанных кластеров.

Проведена адаптация комплекса газодинамических стендов ЛЭМПУС для изучения процессов плазмохимического синтеза углеводородов из метана. Представлены результаты модернизации рабочей зоны установки с масс-спектрометрической системой регистрации комплекса ЛЭМПУС, в ходе которой установка оснащена блоком активирующей электронной пушки. Это позволило инициировать протекание плазмохимических реакций в импульсном газовом потоке с большим мгновенным расходом изучаемых газов или газовых смесей. Для измерения параметров газового потока, состава и распределения плотности использованы электронно-флуоресцентные методы и молекулярно-пучковая масс-спектрометрия, адаптированные к импульсным режимам работы.

Выполнено экспериментальное исследование газофазных кинетических процессов в сверхзвуковых струях, активируемых электронно-пучковой плазмой. Проанализирован синтез радикалов в потоке природного газа при импульсном истечении из источника. Получены данные по влиянию кластерообразования на процесс активации потока и генерацию радикалов в зависимости от газодинамических параметров рабочего газа в зоне активации, состава и концентраций примесей к основному рабочему газу.

Проведены исследования плазмохимической конверсии метана при активации потока высокоэнергетиескими электронами. Изучены зависимости коэффициентов конверсии и использования сырья от расхода рабочего газа, мощности активирующего пучка электронов, газодинамических параметров потока. Проведен патентный поиск. Подготовлены предложения по созданию струйного технологического модуля для переработки природного и нефтяного попутного газа в синтез-газ.

Проведены комплексные исследования конденсации и энергообмена в сверхзвуковых потоках смесей многоатомных молекул (метан, моносилан, двуокись углерода, и др) с одноатомным (гелий, аргон) газом-носителем при активации электронами. С использованием разработанной нами диагностики временных параметров импульсных потоков изучен процесс дефрагментации кластеров электронным ударом. Показано, что в потоке тройной смеси метан-моносилан-аргон образуются кремний-органические  комплексы. Высказано предположение о возможности модификации их структуры при активации электронно-пучковой плазмой.

Проведено исследование ионно-кластерных реакций, инициируемых электронным пучком в смесях аргона с метаном, моносиланом и двуокисью углерода. Показано, что благодаря ионно-кластерному взаимодействию осуществляется процесс возбуждения атомарного аргона, в результате чего образуются долгоживущие возбужденные комплексы, включающие в себя как атомы газа – носителя, так и частицы примеси. Эффект локализован в диапазоне параметров торможения, ограниченном снизу начальной стадией конденсации, а сверху – формированием больших смешанных кластеров. Предложен и обоснован механизм возникновения аномальной флуоресценции, состоящий в том, что энергия возбуждения молекулы моносилана, активированной электронным ударом в кластере, через автоионизационное состояние передается атому аргона, который в свою очередь эжектирует из кластера и затем излучательно дезактивируется. Дезактивация молекул моносилана происходит, в основном, безызлучательно.

Экспериментально исследована возможность модификации структуры углерод-содержащих смешанных кластеров в потоке при активации электронно-пучковой плазмой. Проведено исследование процессов послесвечения в сверхзвуковых потоках смесей в дальнем поле течения, построена полуэмпирическая модель ионно-кластерного взаимодействия в потоках низкотемпературной аргоновой плазмы в присутствии молекулярных примесей.

Изучены механизмы ускорения реакций при инициации электронным пучком. Показано, что при конверсии метана электронно-пучковой плазмой в сверхзвуковой струе наблюдается эффект роста степени конверсии, связанный с появлением кластеров в потоке. В ходе работы получены новые результаты по механизмам взаимодействия частиц в сложном многофазном потоке, содержащем наряду с нейтральными молекулярными компонентами кластеры и заряженные частицы. Ценность таких результатов определяется как новизной, так и перспективами их применения для струйной плазмохимической переработки углеводородов и другого природного сырья.

Методами масс-спектрометрии и хроматомасс-спектрометрии проведено исследование состава продуктов, получаемых в импульсной сверхзвуковой струе смеси метана с кислородом, активируемой электронами, при вариации давления торможения и соотношения компонентов. Изучено влияние режимов истечения и активации на селективность выхода отдельных продуктов плазмохимической реакции. Определены режимы с повышенной селективностью по выходу формальдегида, метанола и воды, и с подавлением выхода углеводородов. Показано, что вариация доли кислорода в смеси позволяет управлять соотношением спиртов и альдегидов в составе продуктов. Высказаны предположения о механизме формирования оксигенатов в зоне реакции, и о роли кластерообразования в управлении скоростью и составом продуктов при струйной плазмохимической конверсии кислородно-углеводородных смесей.

Выполнены работы по созданию, оснащению и запуску новой экспериментальной установки – ЛЭМПУС-2.

Произведена адаптация времяпролетного масс-спектрометра RTOF-300 к режимам импульсного сверхзвукового газового потока. Разработана методика, определены условия для получения достоверной информации о массовом составе газовых смесей в импульсных режимах истечения.

Выполнены работы по разработке метода напыления на подложку сверхтонких слоев углерода в струйном плазмохимическом реакторе. С этой целью проведены модернизация импульсного струйного источника для подачи рабочих компонентов в плазменных реактор в условиях безмасляной откачки, а также модернизация системы управления перемещением и механизма позиционирования мишени Усовершенствован струйный плазменный реактор для нанесения на подложку сверхтонких слоев углерода. С помощью струйного плазменного реактора нанесен углерод и пассивирующие покрытия. Свойства полученных тонких пленок исследованы методами электронной микроскопии.

Экспериментально исследованы закономерности формирования бинарных Ван-дер-Ваальсовых комплексов кислород - изопрен, генерируемых в свободной сверхзвуковой струе. Предложен механизм формирования смешанных кластеров при вариации давления торможения исходной смеси гелий - кислород - изопрен. Показано, что оптимальные условия образования бинарных комплексов кислород - изопрен создаются при объемных концентрациях изопрена 0,02-0,05% и кислорода - 8-10%. При этих условиях на начальном этапе нуклеации происходит формирование смешанных бинарных комплексов. При более высоких концентрациях изопрена нуклеация начинается с образования углеводородных комплексов. Выделяющаяся при этом в поток теплота препятствует конденсации кислорода, в результате малые бинарные комплексы изопрен - кислород не образуются. Подготовлена новая экспериментальная техника для существенного повышения чувствительности измерительной аппаратуры и расширения диапазона изучаемых масс.

В настоящее время сотрудники лаборатории ведут экспериментальные исследования процессов формирования сверхзвуковых кластерных молекулярных пучков и инициации химических реакций в кластерах электронами низких энергий.