Dokument: Experimentelle Untersuchung der absoluten Stickstoffatomdichte mit TALIF in gepulsten, Mikrowellenangeregten Stickstoff- und Stickstoff-Sauerstoff-Plasmen

Titel:	Experimentelle Untersuchung der absoluten Stickstoffatomdichte mit TALIF in gepulsten, Mikrowellenangeregten Stickstoff- und Stickstoff-Sauerstoff-Plasmen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=2258
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20030130-000258-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Repsilber, Tanja [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 12,21 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Uhlenbusch, Jürgen [Gutachter] Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter] Prof. Dr. Döbele, H. F. [Gutachter]
Stichwörter:	Stickstoffatomdichte, TALIF,Emissionsspektroskopie, Absolutkalibrierung, Strömungsreaktor,Gastitration, Wandwechselwirkung, gepulste Mikrowellenentladung,Diffusion, kinetisches Plasmamodellatomic nitrogen density, TALIF,emission spectroscopy, absolute calibration, flowtube reactor, gas phasetitration, wall interaction, pulsed microwave discharge, diffusion,kinetic plasma model
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	In der vorliegenden Arbeit wurde das zeitliche und räumliche Verhalten von atomarem Stickstoff in mikrowellenangeregten, gepulsten Plasmen in Stickstoff und Stickstoff-Sauerstoff-Gemischen experimentell untersucht und mit Hilfe von Modellen erklärt. Stabile annähernd kugelförmige Plasmen wurden dabei bei einer Mikrowellenfrequenz von 2.46 GHz mit einer Repetitionsrate der Mikrowellenpulse von 20 Hz, Pulsdauern zwischen 50 und 500 µs und Drucken von 2.5 bis 20 mbar erhalten. Als spezifischer Nachweis des atomaren Stickstoffs wurde zweiphotonenerlaubte laserinduzierte Fluoreszenz (TALIF) als nichtlineare Diagnostik gewählt. Zur Absolutkalibrierung diente der Vergleich mit dem TALIF-Signal an einer bekannten Stickstoffatomdichte im Plasmanachleuchten eines kontinuierlichen, mikrowellenangeregten Strömungsreaktors. Da die Bestimmung dieser Stickstoffatomdichte durch Gastitration mit Titer NO in der Literatur noch in Frage gestellt wurde, wurden der Methode in dieser Arbeit gesonderte experimentelle Untersuchungen und Modellierungen gewidmet. Die Beobachtung des Nachleuchtens während der Titration mittels Emissionsspektroskopie und TALIF zeigte eine Stickstoffatomproduktion statt -vernichtung bei geringen Titerzugaben. Da dies durch die Titrationsreaktion allein nicht zu erklären war, wurden zwei numerische Modelle entwickelt: das Modell der durch NO bewirkten katalytischen Dissoziation von angeregtem molekularem Stickstoff und das Modell der durch NO verminderten Wandrekombination von atomarem Stickstoff. Beide Modelle konnten durch Variation von Anfangsdichten und Reaktionskoeffizienten erfolgreich mittels einer Kombination von linearer Regression und nichtlinearer Optimierung an die gemessenen Emissionskurven angepasst werden. Während das Dissoziationsmodell jedoch zur Literatur widersprüchliche Volumenrekombinationskoeffizienten lieferte, konnte das Rekombinationsmodell durch ein experimentell beobachtetes und mit Hilfe des Modells simulierbares Hystereseverhalten bestätigt werden. Weiterhin konnten durch die Modellanpassung Wandverlustfaktoren bestimmt werden, die in der Größenordnung mit Literaturangaben übereinstimmen. Beide Modelle zeigten, dass der Titrationsendpunkt nicht zur Bestimmung der ursprünglich ohne NO im Plasmanachleuchten vorhandenen Stickstoffatomdichte geeignet ist, da der Titer die zu titrierende Stickstoffatomdichte zum Teil erst selbst erzeugt. Da es für die Absolutkalibrierung jedoch bedeutungslos ist, wodurch die bekannte Stickstoffatomdichte produziert wird, muss nur sichergestellt sein, dass im zur Auswertung verwendeten Teil der Titrationskurve die zusätzliche Stickstoffatomproduktion bereits im maximal möglichen Umfang abläuft. Die dann zu beobachtende lineare Abnahme des TALIF-Signals mit weiterer Titerzugabe kann weiterhin als Kalibriergerade dienen. Nach dem Rekombinationsmodell war zusätzlich eine Korrektur des Kalibrierfaktors mit dem Faktor 0.71 wegen der nicht rein katalytischen Wirkung des Titers bei den Wandprozessen erforderlich. Bei den Untersuchungen der räumlich und zeitlich vermessenen Dichteprofile der Stickstoffatome im gepulsten Plasma zeigte sich erstens ein dominierendes Diffusionsverhalten in der Phase der Stickstoffatomabnahme zwischen zwei Mikrowellenpulsen. Anpassung eines Diffusionsmodells lieferte Diffusionskoeffizienten in der Größenordnung von 100 cm^2/s, was Translationstemperaturen um 500 K entspricht. Dabei erwies sich eine zusätzliche Produktion von Stickstoffatomen in der Phase des späten Plasmanachleuchtens zur Abschwächung des Dichteabfalls als erforderlich. Die im Modell zu diesem Zweck berücksichtigte Dissoziation vibratorisch hoch angeregter Stickstoffmoleküle wirkte bis zu sechs Mal so effektiv wie die Stickstoffatomproduktion durch Elektronenstoß während der Entladungsphase. Als zweiter Effekt wurde ein! unerwarteter Anstieg der Stickstoffatomdichte innerhalb von 20 µs nach Abschalten der Mikrowelle beobachtet. Eine Erklärung lieferte ein kinetisches Plasmamodell, das die Boltzmanngleichung zur Bestimmung der Elektronenenergieverteilungsfunktion mit Vibrationskinetik und chemischen Reaktionen der Schwerteilchen verknüpft: während der Entladungsphase werden Stickstoffatome durch Elektronenstoß zum Teil in elektronisch angeregte Zustände versetzt und sind mit dem verwendeten TALIF-Schema nicht mehr nachweisbar. Erst die Abnahme vor allem der energiereichen Elektronen nach Abschalten der Mikrowelle verhindert diesen Verlustmechanismus und relaxierende elektronisch angeregte Zustände lassen den Grundzustand um ein weiteres Drittel ansteigen. Die Erklärungen zu beiden Effekten konnten bei Variation der Plasmaparameter Druck, Pulsdauer und Sauerstoffzugabe bestätigt werden. Bei Sauerstoffzugabe bis zu 2 % reichte sogar die Annahme einer Gastemperaturzunahme und einer damit erfolgten Diffusionskoeffizientenzunahme aus, um die mit zunehmendem Sauerstoffanteil steiler abfallenden Zeitverläufe der Stickstoffatomdichte im Plasmanachleuchten zu erklären, was nochmals den starken Einfluss der Diffusion hervorhebt. In this thesis the temporal and spatial behaviour of atomic nitrogen in microwave excited pulsed plasmas in pure nitrogen and in nitrogen oxygen mixtures has been analysed experimentally and explained by modelling. Stable almost spherical plasmas were obtained with 2.46 GHz microwave frequency with 20 Hz microwave pulse repetition rate, between 50 and 500 µs pulse duration and pressures from 2.5 to 20 mbar. For specific detection of atomic nitrogen Two Photon Allowed Laser Induced Fluorescence (TALIF) has been chosen as nonlinear diagnostic. Absolute calibration has been achieved by comparison of the TALIF signal in the pulsed plasma and a known atomic nitrogen density in the afterglow of a continuous microwave excited flowtube reactor. As the reliability of the gas phase titration with titer NO for determination of the absolute value of the atomic nitrogen density was still an open question in literature, this method has been analysed by extra measurements and modelling. Observation of the afterglow during titration by emission spectroscopy and TALIF showed a production of nitrogen atoms instead of a destruction at low titer concentrations. For this could not be explained only by taking into account the titration reaction two models have been developed: the model of catalytic dissociation of excited molecular nitrogen by NO and the model of reduced wall recombination of atomic nitrogen by NO. Both models could be fitted to the measured emission curves by combination of linear regression and nonlinear optimisation varying initial density conditions and unknown reaction rate coefficients. While the dissociation model led to rate coefficients of volume recombination which where in contrast to literature, the model of wall recombination could be verified by an experimentally observed hysteresis behaviour. Additionally this model led to wall loss factors which where in the same dimension as literature values. According to both models the titration endpoint cannot be used to determine the atomic nitrogen density in the afterglow before any NO admixture as the titer produces part of this density itself. But for absolute calibration purposes it is unimportant by which way the known atomic nitrogen density has been produced. It is only necessary to make sure that additional nitrogen atom production is going on in maximum scale in the part of the titration curve used for absolute calibration. So the linear decrease of the TALIF signal with increasing titer concentration can still be used as calibration straight line. Referring to the wall recombination model a correction of the calibration factor by a factor 0.71 was necessary because the titer showed wall interaction not only in a catalytic way. Analysis of the spatial and temporal density profiles of atomic nitrogen in the pulsed plasma showed a dominant diffusion behaviour in the phase of decreasing atomic nitrogen density between two microwave pulses. Fitting a model of diffusion led to diffusion coefficients in the dimension of 100 cm^2/s which corresponds to translational temperatures about 500 K. In this model an additional production of atomic nitrogen was necessary in the phase of late afterglow to weaken the density decrease. For this purpose dissociation of highly vibrationally excited nitrogen molecules has been taken into account. This atomic nitrogen production turned out to be up to six times more effective than the atomic nitrogen production by electron impact during the phase of microwave power supply. As second effect an unexpected increase of atomic nitrogen density within 20 µs after switching off microwave power supply has been observed. This could be explained by a kinetic plasma model which combined the Boltzmann equation for determination of the electron energy distribution function with vibrational kinetics and chemical reactions: during the phase of microwave power supply part of the nitrogen atoms are transfered in the electronically excited state and therefor no longer detectable by the TALIF scheme used. Only when the density of powerful electrons decreases after switching off power supply this loss is decreasing and relaxing electronically excited states populate the ground state. This explanation could be proofed by varying the plasma parameters pressure and pulse duration and by adding oxygen into the plasma. Addition of oxygen up to 2 % led to an increasing steepness of the decreasing part of temporal profiles of atomic nitrogen density. To explain this effect by the diffusion model assuming rising gas temperatures resulting in increasing diffusion coefficients was sufficient. This emphasises the strong influence of diffusion once more.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	30.01.2003
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	30.01.2003
Datum der Promotion:	30.01.2003