ИСТИНА

Проект направлен на исследование кинетики накачки и релаксации колебательного возбуждения в неравновесной плазме кислорода. Особое внимание будет уделено анализу условий, характерных для плазменных реакторов пониженного давления, используемых в технологиях, когда возбуждение высоких колебательных уровней молекул O2 в основном происходит прямым электронным ударом, а определяющим процессом их релаксации являются реакции с участием атомарного кислорода.

The project is aimed at studying the kinetics of excitation and relaxation of vibrational levels in a nonequilibrium oxygen plasma. Particular attention will be paid to the analysis of the conditions typical for low-pressure plasma reactors used in technologies when the excitation of high vibrational levels of O2 molecules mainly occurs by direct electron impact, and reactions involving atomic oxygen are the determining process of their relaxation.

В результате выполнения проекта будут получены следующие результаты: - рассчитанные сечения неупругого и реактивного рассеяния основного состояния системы O2+О для набора начальных колебательных и вращательных состояний O2, необходимых для расчета констант скоростей реакций, возбуждения и де- возбуждения - рассчитанные константы скоростей процессов возбуждения и де- возбуждения для колебательно-возбуждённых уровней молекулы O2 в реакциях с атомами O и проведено сравнение с имеющимися в литературе константами, полученными полу- и квазиклассическими методами. - нормированные сечения колебательного возбуждения О2 электронным ударом - созданные 1D и 2D модели плазмы с учетом детальной колебательной кинетики в кислороде с учетом VV/VT-процессов с участием молекул O2(v), процессов VT-релаксации на атомах O, а также гетерогенной релаксации молекул O2(v) - рассчитанная колебательная функция распределения в условиях разряда постоянного тока в трубке. - рассчитанная колебательная функция распределения в условиях индукционной плазмы низкого давления

Авторами проекта разработана 1D модель ВЧ разряда с подробной кинетикой, проведен анализ экспериментальных данных по тушению электронно-возбужденных синглетных состояний молекулы O2(a) и O2(b) атомами O в плазме O2. Предложен новый механизм реакционного тушения электронных состояний O атомами O и получены зависимости констант скоростей процессов в зависимости от температуры газа. Авторами была разработана 2D модель индукционного разряда в Ar в диффузионно-дрейфовом приближении и успешно протестирована на экспериментальных и литературных теоретических данных, а также адаптирована для двухкамерной геометрии плазменного реактора ОМЭ НИИЯФ МГУ, которая имеет ряд технологических особенностей. С учетом добавленных в модель уравнений для температуры и протока нейтрального газа, было показано существенное влияние нагрева нейтральных частиц на параметры плазмы. Учет нагрева газа особенно важен при исследовании процессов в смесях, содержащих молекулярные газы. Разработанная 2-D(r) модель индукционного разряда будет модернизирована для расчетов в плазме O2 в условиях эксперимента, где измерена колебательная функция распределения и измерены атомы O. У авторов имеется значительный опыт использования современного полуклассического приближения для расчета констант скорости VV/VT процессов при использовании различных поверхностей потенциальной энергии системы сталкивающихся молекул и опыт по разработке кинетических моделей, описывающих колебательную кинетику молекул в разрядах различного типа. Участники проекта имеют опыт расчета квантово-механических сечений неупругого рассеяния для системы SiO+H и соответствующих констант возбуждения/релаксации. Опубликована монография с подробным обзором существующих квантово-механических методов, используемых для описания неупругого и реактивного рассеяния системы АВ+С. Кроме того, в коллективе началась работа по созданию собственных квантово-механических пакетов для описания рассеяния атомных частиц на основе метода фазовых функций.

Выполнены расчеты констант скорости колебательного энергообмена между молекулами О2 с использованием новейших потенциальных поверхностей энергии. С использованием интерполяции расчетных данных сформулирован и представлен набор констант скорости, необходимый для расчетов колебательной кинетики в молекулярном кислороде. Впервые выполнены полуклассические вычисления констант скорости колебательного энергообмена между молекулами О2 - СО и проведена верификация полученных результатов, которые позволяют корректно учитывать наличие примесей СО в расчетах колебательной кинетики в молекулярном кислороде и кислород-содержащих смесях. По результатам исследований, полученных в отчетном периоде, была опубликована статья: А. Kurnosov, M. Cacciatore and F. Pirani, Semiclassical calculation of the rate constants for the processes CO(v)+O2(u=0)→CO(v-1)+O2(u=1), Chemical Physics Letters, 833 2023 140901. Создана программа для расчета матричных элементов потенциала Vvv' (см. формула 1) для произвольного (основного и возбужденных) состояния молекулы О3, необходимая для работы пакета MOLSСAT. В результате квантово-механических расчетов были впервые рассчитаны сечения упругого и неупругого рассеяния (возбуждения и релаксации) атома О на молекуле О2 на поверхности О3 в основном состоянии, рассчитанной методом многоконфигурационного взаимодействия (MRCI), для кинетических энергий 10-12000 см-1, 14 колебательных и более 200 вращательных уровней. По результатам проведенных расчетов была написана статья: А. П. Палов, А. Н. Кропоткин, А. А. Чукаловский, Т. В. Рахимова, Упругое и неупругое рассеяние кислорода на молекуле кислорода в диапазоне кинетических энергий 10-6000см-1, Письма в ЖТФ, 50(1), 2024 43-46. На основе полученных сечений были проведены расчеты констант VT-релаксации и возбуждения для колебательных состояний О2(v) c v=08. Результаты расчетов опубликованы в статье: А. К. Курносов, А. Н. Кропоткин, А. А. Чукаловский, А. Т. Рахимов, Т. В. Рахимова, G.G. Balint-Kurti и А. П. Палов, Константы скорости колебательно-вращательных переходов при столкновениях O(3)+O2(3 рассчитанные на потенциальной поверхности основного состояния О3 для температур 100-1000 K, Вестник МГУ. Сер. 3. Физика. Астрономия, 80(1), 2025. Также впервые выполнены квантово-механические расчеты сечений упругого и неупругого рассеяния (возбуждения и релаксации) системы О+О2 на поверхности О3 в основном состоянии, рассчитанной методом многоконфигурационного Харти-Фока с поправкой 2-го порядка (XMS-CASPT2), для кинетических энергий 10-37000 см-1, 31 колебательных и более 200 вращательных уровней. На основе полученных сечений рассчитаны константы VT-релаксации и возбуждения для колебательных состояний О2(v) с v=022. Замечено, что использование менее точной поверхности приводит к незначительному (до множителя 1.5) завышению констант VT-релаксации. Полученные значения констант для одно- и многоквантовых переходов с v=0-22 приведены в отдельном файле, доступном для использования в задачах моделирования газового разряда в кислороде. Предполагается опубликовать полученные результаты для v=0-22 с ссылкой на данный грант в 2025. Впервые также выполнены квантово-механические расчеты сечений колебательно-вращательных переходов и констант VT-релаксации для перехода v=1->v’=0 на возбужденных электронных поверхностях озона 21A’, 15A’, 25A’, и 15A’’. Показано, что суммарная для совокупности указанных ППЭ константа VT-релаксации близка к экспериментальным значениям, что указывает на сравнительно малый вклад реактивного канала в процессы VT релаксации в исследованном диапазоне температур. Показано, что имеющиеся на сегодняшний момент кинетические модели кислородной плазмы с учетом мультиквантовой VT релаксации O2(v) на атомах O (вплоть до Δv≤30) не способны объяснить поведение КФР в области колебательных уровней выше 12-го в условиях тлеющего разряда постоянного тока. С использованием одномерной 1D(r) самосогласованной модели проведены расчеты КФР в условиях тлеющего разряда постоянного тока с учетом имеющегося в литературе и нового, полученного в ходе выполнения данного проекта, наборов констант скоростей процессов мультиквантовой VT релаксации O2(v) на атомах O (вплоть до Δv≤22). Продемонстрирована чувствительность КФР в районе плато v = 5-20 к параметрам горения разряда с учетом использованных наборов констант процессов O2(v)+OO2(v-Δv)+O. Для обновленного набора констант скоростей реакций O2(v)+OO2(v-Δv)+O получен немонотонный характер поведения КФР в районе плато и особенно в области v=5–20 уровней в рассматриваемых режимах горения разряда (0.3-2 Торр, 10 - 30 mA), что, вероятно, является следствием проявления особенностей поверхности основного синглетного состояния молекулы O3, использованной нами в квантово-механических расчетах сечений рассматриваемых процессов неупругого рассеяния атомов О на молекулах О2. Отметим, что предложенный нами набор констант позволяет лучше используемых ранее наборов описывать КФР в области v>13. Разработана двумерная гидродинамическая модель индукционного разряда в кислороде с учетом подробной схемы кинетики колебательно-возбужденных состояний, дополненная новым набором констант VT релаксации с зависимостью от газовой температуры и проведена серия расчетов. Результаты показали слабую зависимость колебательной функции распределения (КФР) от температуры нейтрального газа в условиях индукционного разряда (300-700К). Более того, расчеты с новым набором констант показали незначительное различие (в пределах 2 раз) по сравнению с расчетами, основанными на литературных константах, за исключением появления немонотонности КФР в районе 10-го колебательного уровня и области с v>13.