NO脉冲流光放电激发解离截面的理论计算

张连水，程洪涛，王晓君，程学良，赵魁芳

(河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002)

NO脉冲流光放电激发解离截面的理论计算

张连水，程洪涛，王晓君，程学良，赵魁芳

(河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002)

将NO脉冲流光放电的2个主要激发解离通道作为主要研究对象，依据不同电子激发温度下电子能量分布函数和电子激发态的碰撞激发函数，积分计算了脉冲流光放电下NO的2个主要激发解离通道的激发碰撞截面, 并依据激发碰撞几率函数归一的原理，研究了NO 2个主要激发解离通道的竞争过程.N原子和N+特征谱线荧光辐射强度随电子激发温度变化的计算结果与本研究小组的实验结果符合得很好，验证了理论处理的合理性，也为NO分解过程研究提供了理论依据.

碰撞激发解离截面；脉冲流光放电；电子激发温度

随着科技的进步及社会的发展，人们的生活水平不断提高.然而，人们赖以生存的环境却不容忽视地每况愈下，保护环境成为了人们现今以及未来面对的一个主题，也是必须长期面对的一个挑战.如今，环境污染作为世界三大公害之首，其中之一为空气污染，空气污染物包括氮氧化物、碳氧化物、硫氧化物和可吸入颗粒等，主要成分为氮氧化物和硫氧化物[1-2].氮氧化物(NOx)包括N2O,NO,NO2,N2O3等，其中几乎90%是NO，主要来自于矿物质的燃烧[3-5]，所以，只要存在燃烧过程，就不可避免氮氧化物的污染.数据表明[6]，最近几年，中国许多大中型城市中空气NOx浓度已经超标，NOx的环境容量已经达到饱和状态.NO的大量排放会给自然环境和人类生产生活带来不可忽视的危害.

NO为无色无味的有毒气体，人体吸入后，它通过破坏肺部黏膜及血液中的红细胞直接危害身体健康，且在空气中瞬间被氧化成NO2，NO2的催化作用将极大地破坏大气臭氧层的循环(NO+O3=NO2+O2)，引起大气臭氧层空洞[7-8]；另外，NO2和NO也是造成酸雨(HNO3)和光化学烟雾的重要原因[9-10].现在人们的环保意识已经有了很大的提高，NO的经济有效脱除是NO治理的重要目标.

本研究小组的实验研究表明，NO在脉冲流光放电脱除中存在如下2种主要的激发解离通道[11]：

本文依据气体放电中电子与气体粒子的碰撞理论，对上述脉冲流光放电NO分子的2种主要激发解离通道的碰撞激发截面进行了理论计算，得到了电子激发温度在3 600～4 800 K内2激发解离通道的电子碰撞激发截面随电子激发温度的变化曲线，并由此计算了NO分子激发解离产物N*和N+*粒子辐射荧光强度比.结果与本研究小组的实验结果符合得较好[11]，证明了本文理论处理的合理性.

1 理论处理

在脉冲放电NO气体脱除中，主要是快电子与NO分子或其他气体粒子发生非弹性碰撞，这种非弹性碰撞的碰撞截面不仅与气体粒子参数有关，还与放电等离子体中电子的能量分布有关.

不同电子激发温度下电子的能量分布函数(EEDF)为[12]

(1)

其中，me是电子质量，Te是放电等离子体的电子激发温度.

在脉冲放电等离子体中，应首先考率的是电子与气体的非弹性碰撞激发，碰撞激发截面可表示为

qee=fe·qe,

(2)

在大气压脉冲流光放电NO脱除中，①、②2个激发解离通道同时存在，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+，粒子密度与电离度χ有关，即nNO+=nNOχ.由此可以得到单位体积内所研究激发态NO分子总的激发碰撞截面

(3)

单位体积内所研究NO+激发态总的激发碰撞截面为

(4)

ne是单位体积的电子数约为1015/cm3[15]，χ为NO气体的电离几率，脉冲流光放电属于中等电离，其电离度为10-4～10-3量级[16]，为此这里电离度χ取中间值为0.000 5.

(5)

(6)

2 计算结果与讨论

气体放电的电子激发温度不仅与放电形式有关，还与放电气体参数及电极形状有关.本研究小组所进行的针-针脉冲流光放电NO脱除实验研究，电子激发温度在3 600～4 800 K内，所以本文亦取此范围计算碰撞激发截面.

确定了电子激发温度Te=3 600 K后，需首先对电子能量分布函数(1)进行归一化处理

其中A为归一化系数.得到

(7)

若只考虑激发解离通道①一种分解通道，不考虑另一分解通道对它的影响，可将(2),(7)代入(3)式中，得到NO单位体积内总的激发碰撞截面为

同样，若只考虑激发解离通道②一种分解通道，将(2),(7)带入(4)式中，可得当电子激发温度Te=3 600 K时，NO+单位体积内总的激发碰撞截面为

参照以上计算方法，对不同电子激发温度下的电子能量分布函数归一化，得到不同电子激发温度下NO和NO+单位体积内的激发碰撞截面如表1所示.

表1 不同电子激发温度下NO和NO+单位体积内的激发碰撞截面

2激发解离通道消耗的高能电子所占比例乘以各自产物N*和N+*的特征谱线的自发辐射系数，就可以得到N和N+的相对荧光强度.N*和N+*特征谱线821.6，500.3 nm的自发辐射系数分别为2.26×107和8.33×106s-1.计算结果如图1所示，N原子的荧光谱线相对强度随着电子激发温度的升高而升高，而N+的荧光谱线相对强度随着电子激发温度的升高而有所减弱.这是由于NO+激发碰撞截面随电子激发温度升高而缓慢增长，但该激发解离通道所消耗高能电子的比例却随电子激发温度升高而快速降低，从而导致N+的荧光谱线相对强度降低.

图1 N原子和N+相对荧光强度随电子激发温度的变化

本研究小组曾对NO脉冲流光放电脱除过程中N*和N+*的荧光特征谱线相对强度进行了实验测量，测量结果如图2,3所示.图2是NO脉冲流光放电不同初级注入电压下电子激发温度的变化曲线[11].图3是在气压为20 260 Pa下，N原子和N+相对荧光强度随注入电压的变化曲线[11].从图3中可以看出，随着注入电压的增加(即电子激发温度的升高)，N原子的相对荧光强度增加，而N+的相对荧光强度逐渐减弱，与本文理论计算结果相符，也验证了本文对NO脱除过程中2激发解离通道竞争处理的合理性.

图2 电子激发温度随电压的变化

图3 N原子和N+相对强度随注入电压的变化

3 结论

NO脉冲流光放电脱除过程中，2主要激发解离通道分别为NO+e*→NO*+e→N*+O*e和NO+e*→NO++2e,NO++e*→N+*+O*+e*→NO+*+O*+e.依据电子能量分布函数和电子激发态的碰撞激发函数，积分计算了脉冲流光放电下NO的2个主要激发解离通道的激发碰撞截面，并依据激发碰撞几率函数归一的原理，研究了NO 2个主要激发解离通道的竞争过程.结果表明激发解离通道NO+e*→NO*+e→N*+O++e随电子激发温度升高而增强，激发解离通道NO++e*→NO+*+e→N+*+O*+e随电子激发温度升高而缓慢减弱.计算结果与本研究小组的实验结果符合得很好，验证了理论计算处理的合理性.

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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

国家自然科学基金资助项目(10875036)；河北省自然科学基金资助项目(A2007000131)；河北大学校青年基金项目(2008Q16)

张连水(1956-)，男，河北保定人，河北大学研究员，主要从事激光光谱和低温等离子体脱除污染气体方面研究.

E-mail:zhangls@hbu.edu.cn

O561.3

A

1000-1565(2013)01-0019-05

(责任编辑孟素兰)