npeЯдерная физика и инжинирингNuclear Physics and Engineering2079-56292079-5637МИФИ10.56304/S207956292506003XWHTSQMnpe-645Research ArticleФизика газового разряда и плазмыGas Discharge and Plasma PhysicsДИНАМИКА КОНЦЕНТРАЦИИ МОЛЕКУЛ H2O И О2 В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ HE + O2DYNAMICS OF CONCENTRATIONS OF H2O AND O2 MOLECULES IN A HE + O2 GLOW DISCHARGEБернацкийА. В.BernatskiyA. V.КочетовИ. В.KochetovI. V.ЛагуновВ. В.LagunovV. V.ОчкинВ. Н.OchkinV. N.Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наукРоссияLebedev Physical Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationФизический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук; Государственный научный центр РФ “Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований”РоссияLebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences; SRC RF Troitsk Institute for Innovation and Fusion ResearchRussian Federation202628042026172310315Copyright © Бернацкий А.В., Кочетов И.В., Лагунов В.В., Очкин В.Н., 20262026Бернацкий А.В., Кочетов И.В., Лагунов В.В., Очкин В.Н.Bernatskiy A.V., Kochetov I.V., Lagunov V.V., Ochkin V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://npe.elpub.ru/jour/article/view/645

Исследовано поведение концентраций молекул воды и кислорода под действием тлеющего разряда постоянного тока в смесях He (0.5 мбар) + H2O (0, 0.1, 0.25 мбар) + O2 (0, 1, 2, 3 мбар) в кварцевой разрядной трубке при давлении несколько миллибар и временах порядка сотен секунд. Измерения концентраций проводились методом диодной лазерной спектроскопии поглощения, разработан спектрометр с внешним резонатором и двумя независимыми измерительными каналами, работающими одновременно, в областях спектра около 760 и 1390 нм. В результате эксперимента выявлен рост объемной плотности воды в разряде. Создана кинетическая 0D модель, включающая плазмохимические реакции, протекающие в объеме и на стенке разрядной трубки. На основе сопоставления экспериментальных и расчетных данных сделан вывод, что наиболее вероятным механизмом, приводящим к росту объемной плотности воды в разряде может быть реакция молекул воды, адсорбированных на поверхности, с атомарным кислородом, образующимся в разряде из молекулярного посредством диссоциации.

The behavior of water and oxygen molecule concentrations under the action of a direct current glow discharge in mixtures with helium in a quartz discharge tube at a pressure of several millibars and times of the order of hundreds of seconds was studied. Concentration measurements were performed by the method of diode laser absorption spectroscopy; a spectrometer with an external resonator and two independent measuring channels operating simultaneously in the spectral regions near 760 and 1390 nm was developed. During the experiment, a violation of the hydrogen balance in the gas phase was revealed. A kinetic 0D model was created, which included plasma-chemical reactions occurring in the volume and on the wall of the discharge tube. Based on a comparison of experimental and calculated data, a conclusion was made that the most probable mechanism for the violation of the hydrogen balance in the gas phase can be the reaction of atomic oxygen formed during the discharge with water molecules adsorbed on the surface of the tube.

плазмалазерная спектроскопияплазмохимияplasmalaser spectroscopyplasma chemistryАвторы приносят благодарность разработчиком программы CWB М.A. Деминскому и В.A. Хорькову за консультации по программному продукту и обсуждение результатов работы. Мы признательны Н.А. Дятко за помощь по вопросам кинетики электронов, И.В. Николаеву за консультации по технике диодной спектроскопии и И.П. Южаковой за участие в создании экспериментальной установки.ReferencesФортов В.Е. (гл. ред.), Очкин В.Н. (отв. ред.) Энциклопедия низкотемпературной плазмы Т. 3-2 Термодинамические, оптические и транспортные свойства низкотемпературной плазмы Ч. 1 Оптические свойства низкотемпературной плазмы. 2008. Москва: Янус-К.Фортов В.Е. (гл. ред.), Очкин В.Н. (отв. ред.) Энциклопедия низкотемпературной плазмы Т. 3-2 Термодинамические, оптические и транспортные свойства низкотемпературной плазмы Ч. 1 Оптические свойства низкотемпературной плазмы. 2008. Москва: Янус-К.Ochkin V.N. Spectroscopy of Low Temperature Plasma. 2009. Weinheim: Wiley-VCH.Ochkin V.N. Spectroscopy of Low Temperature Plasma. 2009. Weinheim: Wiley-VCH.Ochkin V.N. Spectroscopy of small gas components of a nonequilibrium low-temperature plasma // Phys.-Usp. 2022. V. 65. P. 1145–1178. https://doi.org/10.3367/UFNe.2021.07.039026Ochkin V.N. Spectroscopy of small gas components of a nonequilibrium low-temperature plasma // Phys.-Usp. 2022. V. 65. P. 1145–1178. https://doi.org/10.3367/UFNe.2021.07.039026Русанов В.Д., Фридман А.А. Физика химически активной плазмы. 1984. Москва: Наука.Русанов В.Д., Фридман А.А. Физика химически активной плазмы. 1984. Москва: Наука.Ochkin V.N., Lagunov V.V., Bernatskiy A.V. Influence of the surface state on the dynamics of the bulk density of O2 molecules in mixtures with inert and molecular particles in gas and glow discharge // Appl. Phys. B. 2022. V. 128 (4). P. 75. https://doi.org/10.1007/s00340-022-07800-3Ochkin V.N., Lagunov V.V., Bernatskiy A.V. Influence of the surface state on the dynamics of the bulk density of O2 molecules in mixtures with inert and molecular particles in gas and glow discharge // Appl. Phys. B. 2022. V. 128 (4). P. 75. https://doi.org/10.1007/s00340-022-07800-3Bernatskiy A.V., Kochetov I.V., Lagunov V.V., Ochkin V.N. Parallel monitoring of the dynamics of oxygen and water molecule concentrations under the action of a glow discharge using diode laser spectroscopy // Phys. Wave Phenom. 2024. V. 32 (6). P. 410−422. https://doi.org/10.3103/S1541308X24700419Bernatskiy A.V., Kochetov I.V., Lagunov V.V., Ochkin V.N. Parallel monitoring of the dynamics of oxygen and water molecule concentrations under the action of a glow discharge using diode laser spectroscopy // Phys. Wave Phenom. 2024. V. 32 (6). P. 410−422. https://doi.org/10.3103/S1541308X24700419www.kintech.ru, CWB 4.4.29305.www.kintech.ru, CWB 4.4.29305.Deminsky M., Chorkov V., Belov G., Cheshigin I., Knizhnik A., Shulakova E., Shulakov M., Iskandarova I., Alexandrov V., Petrusev A., Kirillov I., Strelkova M., Umanski S., Potapkin B. // Comput. Mater. Sci. 2023. V. 28. P. 169.Deminsky M., Chorkov V., Belov G., Cheshigin I., Knizhnik A., Shulakova E., Shulakov M., Iskandarova I., Alexandrov V., Petrusev A., Kirillov I., Strelkova M., Umanski S., Potapkin B. // Comput. Mater. Sci. 2023. V. 28. P. 169.Bernatskiy A.V., Lagunov V.V., Ochkin V.N., Tskhai S.N. Study of water molecule decomposition in plasma by diode laser spectroscopy and optical actinometry methods // Laser Phys. Lett. 2016. V. 13 (7). P. 075702. https://doi.org/10.1088/1612-2011/13/7/075702Bernatskiy A.V., Lagunov V.V., Ochkin V.N., Tskhai S.N. Study of water molecule decomposition in plasma by diode laser spectroscopy and optical actinometry methods // Laser Phys. Lett. 2016. V. 13 (7). P. 075702. https://doi.org/10.1088/1612-2011/13/7/075702Bernatskiy A.V., Lagunov V.V., Ochkin V.N. Measurement of the concentration of isotopes of water molecules in a discharge in an inert gas with the addition of H2O and D2 vapours by external-cavity diode laser spectroscopy // Quantum Electron. 2019. V. 49 (2). P. 157–161. https://doi.org/10.1070/QEL16819Bernatskiy A.V., Lagunov V.V., Ochkin V.N. Measurement of the concentration of isotopes of water molecules in a discharge in an inert gas with the addition of H2O and D2 vapours by external-cavity diode laser spectroscopy // Quantum Electron. 2019. V. 49 (2). P. 157–161. https://doi.org/10.1070/QEL16819Писарев А.А.и др. Проницаемость водорода через металлы. Уч. пособ. 2008. Москва: МИФИ.Писарев А.А.и др. Проницаемость водорода через металлы. Уч. пособ. 2008. Москва: МИФИ.Розанов Л.Н. Время откачки вакуумных систем в квазистационарном режиме с учетом десорбционного газовыделения паров воды // Вакуумная техника и технология. 1991. Т. 1 (3). С. 41–43.Розанов Л.Н. Время откачки вакуумных систем в квазистационарном режиме с учетом десорбционного газовыделения паров воды // Вакуумная техника и технология. 1991. Т. 1 (3). С. 41–43.Rozanov L.N. The water outgassing rate of internal surfaces of vacuum systems // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V. 729. P. 012001. https://doi.org/10.1088/1742-6596/729/1/012001Rozanov L.N. The water outgassing rate of internal surfaces of vacuum systems // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V. 729. P. 012001. https://doi.org/10.1088/1742-6596/729/1/012001Bernatskiy A.V., Ochkin V.N., Bafoev R.N., Antipenkov A.B. Dynamics of the water molecule density in a discharge chamber filled with a low-pressure humid gas // Plasma Phys. Rep. 2016. V. 42 (10). P. 990–995. https://doi.org/10.1134/S1063780X16100019Bernatskiy A.V., Ochkin V.N., Bafoev R.N., Antipenkov A.B. Dynamics of the water molecule density in a discharge chamber filled with a low-pressure humid gas // Plasma Phys. Rep. 2016. V. 42 (10). P. 990–995. https://doi.org/10.1134/S1063780X16100019Bernatskiy A.V., Lagunov V.V., Ochkin V.N. Investigation of the interaction of water molecules with the surface of a quartz tube using laser spectroscopy // Phys. Wave Phenom. 2019. V. 27 (3). P. 165–177. https://doi.org/10.3103/S1541308X19030014Bernatskiy A.V., Lagunov V.V., Ochkin V.N. Investigation of the interaction of water molecules with the surface of a quartz tube using laser spectroscopy // Phys. Wave Phenom. 2019. V. 27 (3). P. 165–177. https://doi.org/10.3103/S1541308X19030014NIST, https://kinetics.nist.gov/kinetics/.NIST, https://kinetics.nist.gov/kinetics/.Karkach S.P., Osherov V.I. Ab initio analysis of the transition states on the lowest triplet H2O2 potential surface // J. Chem. Phys. 1999. V. 110 (24). P. 11918–11927. https://doi.org/10.1063/1.479131Karkach S.P., Osherov V.I. Ab initio analysis of the transition states on the lowest triplet H2O2 potential surface // J. Chem. Phys. 1999. V. 110 (24). P. 11918–11927. https://doi.org/10.1063/1.479131Zellner R., Wagner G., Himme B. H2 Formation in the Reaction of O(1D) with H2O // J. Phys. Chem. 1980. V. 84. P. 3196–3198.Zellner R., Wagner G., Himme B. H2 Formation in the Reaction of O(1D) with H2O // J. Phys. Chem. 1980. V. 84. P. 3196–3198.Dunlea E.J., Ravishankara A.R. Measurement of the rate coefficient for the reaction of O(1D) with H2O and re-evaluation of the atmospheric OH production rate // Phys. Chem. Chem. Phys. 2004. V. 6. P. 3333–3340.Dunlea E.J., Ravishankara A.R. Measurement of the rate coefficient for the reaction of O(1D) with H2O and re-evaluation of the atmospheric OH production rate // Phys. Chem. Chem. Phys. 2004. V. 6. P. 3333–3340.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.