Abstrakt

Chemiekongress 2019: Querschnitte, Transportkoeffizienten und Dissoziationsratenkonstanten von Edelgas-Dimerionen bei Kollisionen mit ihrem Muttergas zur Modellierung von kaltem Plasma - Benhenni Malika

 Malika Benhenni

 Transportkoeffizienten und Dissoziationsratenkonstanten von positiven Edelgasionen sind notwendige Eingangsdaten in chemischen elektrohydrodynamischen Plasmamodellen für ein besseres Verständnis und eine Optimierung von Plasmareaktoren, die in Anwendungen wie der Biomedizin oder Raumfahrzeugen eingesetzt werden. Eine dynamische Hybridmethode wurde verwendet, um den Impulstransfer für die nichtdissoziative Ionenstreuung und die durch Kollisionen induzierte Dissoziation zu berechnen. Die Hybridmethode verwendet einen klassischen Formalismus für Kerne und eine Quantenbehandlung für Elektronen, wobei der elektronische Hamiltonoperator über ein semiempirisches Diatomics-in-Molecules-Modell (DIM) berechnet wird. Effekte von rovibronischen Anregungen von Dimer-Edelgasionen werden ebenfalls in die hybride dynamische Methode einbezogen, um die Übereinstimmung zwischen berechneter und experimenteller Dimerionenmobilität zu verbessern. Darüber hinaus wurden zum Vergleich Impulstransferquerschnitte auch aus einer inversen Methode (basierend auf JWKB-Näherung und einem empirischen Potenzial) abgeleitet, die experimentelle Daten anpasst, die in einem begrenzten reduzierten Feldbereich verfügbar sind, und diesen auf einen größeren Bereich ausdehnt. Diese Kollisionsquerschnitte werden dann in einem optimierten Monte-Carlo-Code verwendet, der die Ionenbahn simuliert, um Transportkoeffizienten (Mobilität und Diffusion) und Dissoziationsratenkonstanten von He2+-, Ne2+-, Ar2+-, Kr2+- und Xe2+-Dimerionen bei Kollisionen mit ihrem Muttergas über einen weiten Bereich reduzierter Felder zu berechnen. Ein Quantenformalismus und eine klassische Behandlung werden in einer Hybridmethode für Elektronen bzw. Kerne verwendet, um die Dynamik des ionischen Xenon-Dimers Xe2+ im elektronischen Grundzustand in seinem Muttergas zu untersuchen. Ein semiempirischer Ansatz für Diatomeen in Molekülen wurde verwendet, um den effektiven elektronischen Hamiltonoperator mit verschiedenen Sätzen von diatomaren Eingangspotentialen (ionisch und neutral) zu modellieren. Nicht-reaktive Streuung und durch Kollision induzierte Dissoziationsquerschnitte wurden zuerst berechnet und dann in einen Monte-Carlo-Code für die Simulationen der Transportkoeffizienten und der Dissoziationsratenkonstanten, berechnet bei Umgebungstemperatur und Luftdruck, eingefügt. Die Kollisionsbedingungen haben einen entscheidenden Einfluss auf die relativen Häufigkeiten. Energie- und druckaufgelöste Kurven zeigen, dass die durch einen kollisionsaktivierten Reaktionsprozess (CAR) gebildeten Ionen, d. h. [M  Cl + O]− und [C6H4†n,O2Cln]−•, durch einen hohen Sauerstoffgehalt (3†6 mTorr) (1 Torr = 133,3 Pa) und eine Kaffeekollisionsenergie (0,1†7 eV) begünstigt werden, während die durch einen kollisionsaktivierten Dissoziationsprozess (CAD) gebildeten Ionen, d. h. [M HCl]−• und Cl−, durch hohe und hohe Energie begünstigt werden. Durch die Wahl einer vergleichsweise niedrigen Kollisionsenergie (5 eV) und einer hohen (4 mTorr) werden die CAR- und CAD-Ionen häufig klar erkannt. Die Anwesenheit dieses intrinsischen Felds führt zu einem stark nichtlinearen Verhalten; und tatsächlich wird das Überwiegen der elektromagnetischen Wechselwirkungen über große Entfernungen gegenüber den interatomaren oder intermolekularen Kräften über kurze Entfernungen üblicherweise als bestimmendes Merkmal des Plasmazustands angeführt.Um ein mathematisch strenges Modell für das Plasma zu konstruieren, das auch für Analysen zugänglich ist, müssen Hypothesen aufgestellt werden, die diese Nichtlinearitäten kontrollieren. Plasmamodellierung bezieht sich auf das Lösen von Bewegungsgleichungen, die den Zustand eines Plasmas beschreiben. Dazu gehören im Allgemeinen Maxwells Gleichungen für elektromagnetische Felder oder Poissons Gleichung für elektrostatische Felder. Es gibt mehrere Haupttypen von Plasmamodellen: Einzelpartikel, kinetisches, flüssiges, hybrides kinetisches/flüssiges, gyrokinetisches und als System mehrerer Partikel. Um die Komplexitäten der kinetischen Beschreibung zu reduzieren, beschreibt das Flüssigkeitsmodell das Plasma anhand makroskopischer Größen (Geschwindigkeitsmomente der Verteilung wie Dichte, mittlere Geschwindigkeit und mittlere Energie). Die Gleichungen für makroskopische Größen, sogenannte Flüssigkeitsgleichungen, werden durch die Verwendung von Geschwindigkeitsmomenten der Boltzmann-Gleichung oder der Vlasov-Gleichung erhalten. Die Flüssigkeitsgleichungen sind ohne die Bestimmung von Transportkoeffizienten wie Mobilität, Diffusionskoeffizient, durchschnittliche Kollisionsfrequenzen usw. nicht abgeschlossen. Um die Transportkoeffizienten zu berechnen, muss die Geschwindigkeitsverteilungsfunktion angenommen/ausgewählt werden. Diese Annahme kann jedoch dazu führen, dass einige physikalische Phänomene nicht erfasst werden. Im gyrokinetischen Modell, das für Systeme mit einem starken magnetischen Hintergrundfluss geeignet ist, werden die kinetischen Gleichungen über die schnelle Kreisbewegung des Gyroradius gemittelt. Dieses Modell wurde umfassend zur Simulation von Instabilitäten des Tokamak-Plasmas (z. B. die GYRO- und Gyrokinetic ElectroMagnetic-Codes) und in jüngster Zeit in astrophysikalischen Anwendungen verwendet. Quantenmethoden sind in der Plasmamodellierung noch nicht sehr verbreitet. Sie werden verwendet, um spezielle Modellierungsprobleme zu lösen, etwa Situationen, in denen andere Methoden nicht anwendbar sind. Sie beinhalten die Anwendung der Quantentheorie auf Plasma. In diesen Fällen werden die von Partikeln erzeugten elektrischen und magnetischen Felder als eine Art Feld modelliert, ein Netz von Kräften. Partikel, die sich bewegen oder weit vom Körper entfernt sind, drücken und ziehen an diesem Kräftenetz, diesem Feld. Die mathematische Behandlung hierfür beinhaltet die Lagrange-Mathematik.werden durch die Geschwindigkeitsmomente der Boltzmann-Gleichung oder der Vlasov-Gleichung erhalten. Die Fluidgleichungen sind ohne die Bestimmung von Transportkoeffizienten wie Mobilität, Diffusionskoeffizient, gemittelte Kollisionsfrequenzen usw. nicht abgeschlossen. Um die Transportkoeffizienten zu berechnen, muss die Geschwindigkeitsverteilungsfunktion angenommen/gewählt werden. Diese Annahme kann jedoch dazu führen, dass einige physikalische Eigenschaften nicht erfasst werden. Im gyrokinetischen Modell, das für Systeme mit einem robusten magnetischen Hintergrundfluss akzeptabel ist, werden die kinetischen Gleichungen über die schnelle Kreisbewegung des Gyroradius gemittelt. Dieses Modell wurde ausführlich zur Simulation von Tokamak-Plasmainstabilitäten (z. B. die GYRO- und Gyrokinetic ElectroMagnetic-Codes) und in jüngster Zeit in astrophysikalischen Anwendungen verwendet. Quantenmethoden sind in der Plasmamodellierung noch nicht sehr verbreitet. Sie werden verwendet, um einzigartige Modellierungsprobleme zu lösen, beispielsweise Situationen, in denen andere Methoden nicht anwendbar sind. Sie beinhalten die Anwendung der Quantentheorie auf Plasma. In diesen Fällen werden die von Partikeln erzeugten elektrischen und magnetischen Felder als eine Art Feld modelliert, ein Netz von Kräften. Teilchen, die sich bewegen oder weit von der Population entfernt sind, drücken und ziehen auf dieses Kräftenetz, dieses Feld. Die mathematische Behandlung hierfür erfolgt über die Lagrange-Mathematik.werden durch die Geschwindigkeitsmomente der Boltzmann-Gleichung oder der Vlasov-Gleichung erhalten. Die Fluidgleichungen sind ohne die Bestimmung von Transportkoeffizienten wie Mobilität, Diffusionskoeffizient, gemittelte Kollisionsfrequenzen usw. nicht abgeschlossen. Um die Transportkoeffizienten zu berechnen, muss die Geschwindigkeitsverteilungsfunktion angenommen/gewählt werden. Diese Annahme kann jedoch dazu führen, dass einige physikalische Eigenschaften nicht erfasst werden. Im gyrokinetischen Modell, das für Systeme mit einem robusten magnetischen Hintergrundfluss akzeptabel ist, werden die kinetischen Gleichungen über die schnelle Kreisbewegung des Gyroradius gemittelt. Dieses Modell wurde ausführlich zur Simulation von Tokamak-Plasmainstabilitäten (z. B. die GYRO- und Gyrokinetic ElectroMagnetic-Codes) und in jüngster Zeit in astrophysikalischen Anwendungen verwendet. Quantenmethoden sind in der Plasmamodellierung noch nicht sehr verbreitet. Sie werden verwendet, um einzigartige Modellierungsprobleme zu lösen; wie Situationen, in denen andere Methoden nicht anwendbar sind. Sie beinhalten die Anwendung der Quantentheorie auf Plasma. In diesen Fällen werden die von Partikeln erzeugten elektrischen und magnetischen Felder als eine Art Feld modelliert; ein Netz von Kräften. Teilchen, die sich bewegen oder weit von der Population entfernt sind, drücken und ziehen auf dieses Kräftenetz, dieses Feld. Die mathematische Behandlung hierfür erfolgt über die Lagrange-Mathematik.