ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ЭЛЕКТРОЛИТНЫМ КАТОДОМ И МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ЭЛЕКТРОЛИТНЫМ КАТОДОМ И МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ РАСТВОРА В ПЛАЗМУ

Хлюстова А.В., Максимов А.И.

Ивановский государственный химико-технологический университет

Институт химии растворов РАН, г. Иваново

aim@ihnr.polytech.ivanovo.su

Эффективность активации химических процессов в растворах под действием газового разряда определяется двумя факторами - бомбардировкой раствора ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала, и образованием химически активных частиц в зоне плазмы над раствором. Кинетические характеристики активационных процессов зависят от напряженности электрического поля в этих двух зонах. В данной работе проведены исследования одного из видов разрядов с электролитными электродами: тлеющего разряда атмосферного давления. Разряд зажигался в цилиндрической стеклянной электролитной ячейке с объемом раствора около 100 мл. Анод из заостренной проволоки (медь, нержавеющая сталь, алюминий) располагался в воздухе в нескольких миллиметрах от поверхности раствора и крепился к устройству для перемещения тубуса микроскопа, что позволяло фиксировать перемещения анода с точностью до нескольких сотых долей миллиметра. Катод из нержавеющей стали помещался непосредственно в раствор. Сила тока разряда изменялась в пределах 5 -50 мА. В качестве электролитов использовались кислые и щелочные растворы, а также - растворы солей.

Электрические характеристики разряда определялись на основе метода перемещающегося электрода. С помощью описанного выше устройства менялось расстояния между металлическим анонд и поверхностью раствора и фиксировалось изменение с расстоянием напряжение горения разряда при постоянной величине тока. Если свойства плазмы положительного столба разряда не зависят от его длины, получаемая зависимость линейная и описывает распределение потенциала в столбе. Тогда наклон этой зависимости даст величину напряженности поля в плазме, а ее экстраполяция к нулевому расстоянию между анодом и раствором - катодное падение потенциала. Примеры исходных экспериментальных данных и результатов их обработки приведены на рис.1 -5.

Рис. 1. Распределение потенциала в положительном столбе тлеющего разряда с электролитным катодом. Электролит - NaOH, 7.5? 10^-2 моль/л. Ток разряда 10 мА.

Как видно из данных рис.1, экспериментальное распределение потенциала достаточно близко к линейному, что позволяет использовать такие данные для определения как напряженности поля в плазме, так и катодного падения потенциала. Полученные таким путем результаты проиллюстрированы на рис. 2 - 5. Катодное падение потенциала у поверхности электролитов составляют от 300 до 800 В, что значительно превышает нормальное катодное падение потенциала в условиях тлеющего разряда низкого давления с металлическими катодами. Изменение тока разряда в указанных выше пределах очень мало сказывается на катодном падении потенциала (рис.2).

Рис.2. Зависимость катодного падения потенциала от тока разряда.

1 - HNO₃ , 2 - NaOH.

Заметное влияние на катодный скачок потенциала оказывает концентрация электролита (рис.3).

Рис.3. Зависимость катодного падения потенциала

от концентрации раствора. 1 -HNO₃, 2 - NaOH.

Рис. 4. Зависимость напряженности поля в положительном столбе

тлеющего разряда с электролитным катодом от тока разряда.

1 - HNO₃, 2 - KOH.

Экспериментальные значения напряженности поля в плазме составляют от 1 кВ/см до 2 кВ/см. Рост тока разряда вызывает падение напряженности поля, что полностью согласуется с соответствующими зависимостями для тлеющего разряда низкого давления (рис.4). Свойства раствора электролита, согласно нашим данным, не оказывают существенного влияния на поле в плазме (рис.5).

Рис.5. Зависимость напряженности поля в положительном столбе тлеющего разряда от концентрации электролита.

Высокие значения скачка потенциала у поверхности электролитных катодов позволяют предположить, что механизм эмиссии электронов из растворов электролитов в газовую фазу близок к g - эмиссии из металлических катодов тлеющего разряда, причем основную роль играет бомбардировка поверхности электролита инжектируемыми из зоны плазмы положительными ионами. На наш взгляд, важным экспериментальным фактом является зависимость катодного скачка потенциала, а значит и эффективности эмиссии электронов из раствора, от состава последнего. Возможно, эмиссия электронов из раствора электролита включает генерацию сольватированных электронов в растворе под действием ионной бомбардировки и переход этих электронов в газовую фазу в результате передачи импульса от тех же инжектированных из плазмы ионов.