Influence of superelastic collisions on kinetic characteristics of electrons in impulse discharge plasma of nitrogen and air
The method is proposed which allows correctly take into account the influence of super-elastic collisions on energy distribution of electrons under the prevailing of electron-collision vibrational excitation of molecules in the ground electronic state. Method is based on coordinated solution of EDF and VDF for gas components and allows obtain expressions for rate constants of individual processes as a function of two parameters: reduced electric field E/N and energy deposition in the discharge plasma ε: K(E/N, ε) = K0(E/N, ε=0) х η(E/N, ε), where K0 – rate constant in the absence of energy deposition (or super-elastic collisions), η - correction factor on super-elastic collisions (ε > 0). The appropriate dependencies for the electron-neutral rate constants are obtained for discharge in nitrogen and air.
Предложен метод, позволяющий корректно учесть влияние сверхупругих столкновений электронов на характер их энергетического распределения при условии преобладания электронно столкновительного возбуждения колебательных уровней молекул в основном электронном состоянии. Метод, основан на взаимосогласованном решении задачи о ФРЭЭ и КФР компонентов газовой смеси, позволяет получать выражения для констант скорости индивидуальных процессов в виде функции двух параметров: приведенного поля E/N и энерговклада в разрядную плазму ε: K(E/N, ε) = K0(E/N, ε=0) х η(E/N, ε), где K0 – константа скорости при нулевом энерговкладе (отсутствии сверхупругих столкновений), η - поправочный множитель на сверхупругие столкновения (ε > 0). При решении задачи были получены соответствующие зависимости для констант скорости в приближении разряда в азоте и воздухе.
1. Александров Н.Л., Кончаков А.М., Сон Е.Е. Функция распределения электронов и кинетические коэффициенты азотной плазмы // ФП. 1978. Т.4. №5. С.1182.
2. Александров Н.Л., Сон Е.Е. Функция распределения электронов и кинетические коэффициенты в газах в электрическом поле. Химия плазмы / Под ред. Смирнова Б.М. М.: Атомиздат, 1980. вып.7. С.35.
3. Валянский С.И., Верещагин К.А., Вернике , В., Волков А.Ю., Пашинин П.П., Смирнов В.В., Фабелинский В.И., Чаповский П.Л. //. Квантовая электроника. 1984. Т.11. №9. С.1833.
4. Верещагин К.А., Смирнов В.В., Шахатов В.А. Исследование колебательной кинетики молекул азота на стадиях горения и послесвечения импульсного разряда методом спектроскопии когерентного антистоксового рассеяния света // ЖТФ. 1997. Т.67. №5. С.34.
5. Гордеев O.A., Хмара Д.В. Влияние нормировки сечений возбуждения колебаний молекул на макроскопические характеристики разряда в азоте // ТВТ. 1991. Т.32. №1. С.133.
6. Девятов А.А., Доленко С.А., Рахимов А.Т., и др.. // ЖЭТФ. 1986. Т.90. №2. С.429.
7. Исламов Р.Ш., Кочетов И.В., Певгов В.Г. Анализ процессов взаимодействия электронов с молекулой кислорода // Препринт № 169. 1977. М: ФИАН.
8. Кузьменко Н.Е., Кузнецова Л.А., Кузяков Ю.Я. Факторы Фрака Кондона двухатомных молекул. M.: Изд-во Моск. Ун-та, 1984. 344 с.
9. Осипов А.П., Рахимов А.Е. Об одной ионизационной неустойчивости в плазме несамостоятельных разрядов // ФП. 1977. Т.3 .№3. С.644.
10. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. 592 С.
11. Словецкий Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. М.: Наука, 1980. 312 С.
12. Физико химические процессы в газовой динамике. Справочник // Под ред. Черного Г.Г. и Лосева С.А. М.: Научный мир, 2007. Т.1. С.203.
13. Хаксли Л., Кромптон Р. Диффузия и дрейф электронов в газах. М:. Мир, 1977. 872 С.
14. Burrow P.D., Schulz G.J. Vibrational Excitation by Electron Impact near Threshold in H2, D2, N2, and CO2 // Phys. Rev. 1969. V.187. №1. P.97.
15. Cartwright D.C., Trajmar S., Chutjian A., Williams. W. Electron impact excitation of the electronic states of N2. II. Integral cross sections at incident energies from 10 to 50 eV // Phys. Rev. A. 1977. V.16. №3. P.1041.
16. Chanin L.M., Phelps A.V., Biondi M.A. Measurements of the Attachment of Low-Energy Electrons to Oxygen Molecules // Phys. Rev. 1962. V.128. №1. P.219.
17. Cherkani-Hassani H., Belic D.S., Jureta J.J., Defrance P. Absolute cross sections for electron impact ionization and dissociation of O2+ // J. Phys. B. 2006. V.39. №24. P.5105.
18. Christophorou L.G., McCorkle D.L., Carter J.G. Cross Sections for Electron Attachment Resonance Peaking at Subthermal Energies // J. Chem. Phys. 1971. V.54. P.253.
19. Chutjian A., Cartwright D.C., Trajmar S. Electron impact excitation of the electronic states of N2. III. Transitions in the 12.5-14.2 eV energy loss region at incident energies of 40 and 60 eV // Phys. Rev. A. 1977. V.16. №3. P.1052.
20. Cosby P.C. Electron-impact dissociation of nitrogen // J. Chem. Phys. 1993. V.98. №12. P.9544.
21. Dutton J. A Surwey of Electron Swarm Data, // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1975. V.4. №3. P.577.
22. Engelhard A.G., Phelps A.V., Risk S.R. Determination of Momentum Transfer and Inelastic Collision Cross Sections for Electrons in Nitrogen Using Transport Coefficients // Phys. Rev. 1964. V.135. №6A. P.1566.
23. Garrett B.C., Redmon L.T., McCurdy С.W, Redmon M.J. Electronic excitation and dissociation of O2 and S2 by electron impact // 1985. V.32. № 6. P.3366.
24. Gilmore F.R., Laher R.R., Espy P.J. Franck-Condon Factors, r-Centroids, Electronic Transition Moments, and Einstein Coefficients for Many Nitrogen and Oxygen Band Systems // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1992. V.21. №5. P.1005.
25. Hake R.D. Jr., Phelps A.V. Momentum Transfer and Inelastic Collisions Cross Sections for Electrons in О2, СО, and CO2 // Phys. Rev. 1967. V.158. №1. P.70.
26. Hayashi D., Kadota K. Efficient Production of O- by Dissociative Attachment of Slow Electrons to Highly Excited Metastable Oxygen Molecules // Jpn. J. Appl. Phys. 1999, V.38. №1A. P.225
27. Haydon S.С., Williams О.M. Combined spatial and temporal studies of ionization growth in nitrogen // J. Phys. D. 1976. V.9. №3. P.523.
28. Itikawa Y., Ichimura A., Onda K., Sakimoto K., Takayanagi K., Hatano Y., Nishimura H., Tsurubuchi S. Cross Sections for Collisions of Electrons and Photons with Oxygen Molecules // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1989. V.18. №1. P.23.
29. Itikawa Y. Cross Sections for Electron Collisions with Nitrogen Molecules // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2006. V.35. №1. P.31.
30. Jaffke, Meinke, Hashemi, Christophorou, Illenberger Dissociative Electron Attachment to Singlet Oxygen // Chem. Phys. Lett. 1992. V.193. P.62.
31. Jeon B. H. Determination of Electron Collision Cross-Sections for the Oxygen Molecule by Using an Electron Swarm Study // J. Korean Phys. Soc. 2003. V.43. №4. P.513.
32. Johnson P.V., Malone C.P., Kanik I., Tran K., Khakoo M. A. Integral cross sections for the direct excitation of the A3Σu+, B3Πg, W3Δu, B'3Σu-, a'1Σu-, a1Πg, w1Δu and C3Πu electronic states in N2 by electron impact // J. Geophys. Res. 2005. V.110. №A11. P.311.
33. Khmara D., Kolesnichenko Yu. Influence of energy deposition into discharge on electron neutral impact rate constants in nitrogen and air plasma // Proc. of 4th Workshop on Magneto and Plasma Aerodynamics for Aerospace Applications. Ed. By V.A. Bityurin, M.: IVTAN, 2002. P.280.
34. Krupenie P.H. The spectrum of molecular oxygen // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1972. V.1. №2. P.423.
35. Laher R.R., Gilmore F.R. Improved fits for the vibrational and rotational constants of many states of nitrogen and oxygen // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1991. V.20. №4. P.685.
36. Märk T.D. Cross section for single and double ionization of N2 and O2 molecules by electron impact from threshold up to 170 eV // J. Chem. Phys. 1975. V.63. №9. P.3731.
37. Mihajlov A.A., Stojanović V.D., Petrović Z.Lj. Resonant vibrational excitation // de-excitation of N2(v) by electrons // J. Phys. D. 1999. V.32. №20. P.2620.
38. O'Malley T.F. Calculation of Dissociative Attachment in Hot О2 // Phys. Rev. 1967. V.155. №1. P.59.
39. Naidu M. S., Prasad A. N. Mobility, diffusion and attachment of electrons in oxygen // J. Phys. D. 1970. V.3. №6. P.957.
40. Orel A.E. Theoretical study of electron impact excitation of N2 // Phys. Rev. A. 1990. V.42. №9. P.5292.
41. Phelps A.V., Pichford L.C. Anisotropic scattering of electrons by N2 and its effect on electron transport // Phys. Rev. A. 1985. V.31. №5. P.2932.
42. Price D. A., Lucas J., Moruzzi J. L. Ionization in oxygen-hydrogen mixtures // J. Phys. D. 1972. V.5. №7. P.1249.
43. Price D.A., Moruzzi J.L. Ionization in mixtures of oxygen and carbon monoxide // J. Phys. D. 1973. V.6. №2. P.L17.
44. Rapp D., Briglia D.D. Total Cross Sections for Ionization and Attachment in Gases by Electron Impact. II.Negative-Ion Formation // J. Chem. Phys. 1965. V.43. №5. P.1480.
45. Roznerski W., Mechlinska-Drewko J. The ratio of lateral diffusion coefficient to mobility for electrons in oxygen and dry air // J. Phys. D. 1979. V12. №11. L127.
46. Roznerski W., Leja K. The ratio of lateral diffusion coefficient to mobility for electrons in hydrogen and nitrogen at moderate E/N // J. Phys. D. 1980. V.13. №10. P.L181.
47. Roznerski W., Leja K. Electron drift velocity in hydrogen, nitrogen, oxygen, carbon monoxide, carbon dioxide and air at moderate E/N // J. Phys. D. 1984. V.17. №2. P.297.
48. Schulz G.J. Phys. Rev. Vibrational Excitation of N2, CO, and H2 by Electron Impact // 1964. V.135. №3A. P.988.
49. Straub H.C., Renault P., Lindsay, B.G., Smith K.A., Stebbings R.F. Absolute partial cross sections for electron-impact ionization of H2, N2, and O2 from threshold to 1000 eV // Phys. Rev. A. 1996. V.54. №3. P.2146.
50. Tabata T., Shirai T., Sataka M., Kubo H. Analytic cross-sections for electron impact collisions with nitrogen molecules // At. Data and Nucl. Data Tables. 2006. V.92. P.375.
51. Tachibana K., Phelps A.V. Excitation of the C3Πu state of N2 by low energy electrons // J. Chem. Phys. 1979. V.71. №.8. P.3544.
52. Trajmar, S., Register D. F., Chutjian A. Electron-scattering by molecules: 2. Experimental methods and data // Phys. Rep. 1983. V.97. № 5. P.221.
53. Wedding A.B., Blevin H.A., Fletcher J. The transport of electrons through nitrogen gas // J. Phys. D. 1985. V.18. № 12. P.2361.
