Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук

Лаборатория низкотемпературной плазмы
620016, Екатеринбург, ул. Амундсена д. 106
Кузнецов Дмитрий Леонидович
тел.: (343)2678767
факс: (343)2678794
e-mail: kdl@iep.uran.ru

Основными научными направлениями лаборатории являются исследования процессов в низкотемпературной плазме газовых смесей различного состава, создаваемой импульсными электронными пучками, объемными разрядами высокого давления, инициируемыми либо поддерживаемыми электронными пучками, барьерными разрядами, стримерной короной.

Целью подобных исследований является:

·   поиск оптимальных условий для удаления токсичных примесей из дымовых газов и других промышленных выбросов (оксид серы SO₂, оксиды азота NO_x, сероуглерод CS₂, летучие органические соединения);

·   оптимизация процессов разложения метана CH₄ в попутных газах нефтяных месторождений;

·   обработка поверхностей с целью изменения их свойств;

·   получение прочных и устойчивых алмазоподобных и полимерных органических пленок на различных материалах;

·   поиск оптимальных способов накачки газовых смесей для получения лазерной генерации в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне спектра;

·   разработка новых способов получения мелкодисперсных порошков из газовой фазы.

Для анализа состава газовых смесей и компонентов низкотемпературной плазмы, регистрации лазерного излучения, исследования состава и структуры пленок используется широкий спектр методик и приборов (газовая и жидкостная хроматография, масс-спектрометрия, кондуктометрия, спектрометрия, спектрофотометрия и т.д.).

Для формирования импульсных электронных пучков используются ускорители электронов с плазменными и взрывоэмиссионными катодами. Параметры электронных пучков определяются условиями экспериментов и лежат в следующих пределах:

·   энергия электронов – от 100 до 400 кэВ;

·   ток пучка – от 100 А до 1 кА;

·   длительность импульса – от 3 нс до 100 мкс;

·   поперечное сечение пучка – от 1 см² до 1 м² и выше;

·   энергия пучка за импульс – до 10 Дж;

·   импульсная мощность пучка – до 200 МВт;

·   частота следования импульсов – до 1 кГц;

·   средняя мощность пучка – до 5 кВт;

·   газовый объем, облучаемый пучком – до 200 л.

Столь широкий диапазон параметров пучков позволяет не только проводить лабораторные эксперименты, но и осуществлять масштабирование условий экспериментов. На основе этого возможно создание среднемасштабных (пилотных) и даже крупномасштабных установок, способных работать в реальных условиях промышленных производств.

На основе импульсных ускорителей электронов с плазменным катодом были созданы две установки для изучения процессов удаления диоксида серы SO₂, оксидов азота NO_x и сероуглерода CS₂ из воздуха. Внешний вид установки, использующей импульсный радиально расходящийся пучок электронов, представлен на рис.1. Эксперименты подтвердили преимущества использования импульсных электронных пучков для очистки дымовых газов. В частности, удалось снизить энергозатраты на удаление SO₂ из дымовых газов более чем на порядок за счет осуществления цепного механизма окисления SO₂ с участием отрицательных ионов.

На основе импульсно-периодического ускорителя электронов, использующего генератор СМ-3Н с полупроводниковым прерывателем тока (рис.2), были созданы следующие установки для:

·   исследования модификации поверхностей (рис.3);

·   изучения процессов конверсии метана (рис.4);

·   исследования процессов инфракрасной лазерной генерации в Ar-Xe-смеси.

На основе малогабаритного наносекундного ускорителя электронов РАДАН была создана установка для исследования процессов удаления летучих органических соединений из воздуха (рис.5). Электронно-пучковой обработке подвергались стирол C₆H₅CH=CH₂, акролеин CH₂=CHCOH, бензол C₆H₆, метил-метакрилат CH₂=C(CH₃)COOCH₃ и другие соединения. В экспериментах было осуществлено удаление токсичных примесей с низкими затратами энергии, что подтвердило высокую эффективность импульсных электронно-пучковых методов по сравнению с другими методами очистки воздуха. Предложено универсальное макрокинетическое описание процессов удаления токсичных примесей из воздуха, не требующее конкретизации природы удаляемого вещества.

Для проведения исследований и для выполнения студентами физических специальностей лабораторных работ был создан стенд, использующий высоковольтный генератор СМ-4Н с полупроводниковым прерывателем тока в качестве базового блока, а также различные блоки-насадки (рис.6). Этот стенд позволяет формировать импульсные электронные пучки ленточного и круглого сечения, импульсы рентгеновского излучения, барьерные разряды, стримерную корону, несамостоятельные разряды, инициируемые электронным пучком, а также получать импульсное лазерное излучение на различных длинах волн. Такие особенности стенда делают его универсальным инструментом исследовательского и учебного процесса, позволяющим охватить самый широкий диапазон направлений в области физики.

Рис.1. Установка, созданная на основе импульсного ускорителя электронов с плазменным катодом, формирующего радиально расходящийся пучок.




Рис.2. Импульсно-периодический ускоритель электронов со взрывоэмиссионным катодом, использующий высоковольтный генератор СМ-3Н с полупроводниковым прерывателем тока.






Рис.3. Установка для исследования модификации поверхностей.




Рис.4. Установка для исследования процессов конверсии метана.




Рис.5. Установка для исследования процессов конверсии летучих органических соединений.





Рис.6. Универсальный учебно-исследовательский стенд на основе высоковольтного генератора СМ-4Н с полупроводниковым прерывателем тока.