固体二氧化碳在一个泰坦的电感耦合等离子体火炬像大气

文摘

碳沉积在固体表面的电感耦合等离子体火炬泰坦像大气等离子气体。最初的框架研究等离子体的辐射特性的研究遇到宇宙飞船在行星大气层的高超音速进入上层。沉积的碳不仅是观察外的石英管陶瓷上的电感也保护火炬喷射器。碳或多或少表现出两种类型的形态学密度,分析了各种分析设备MEB、SEM、TEM、EDS和拉曼光谱。碳粉收集显示纳米粒子的存在。

1。介绍

大气进入宇宙飞船是一个关键阶段行星探索,成功的和有效的热防护系统(TPS)需要保护探针与表面的能量通量。高速入口(11)在地球的上层大气中,能源发出的辐射通量中创建的等离子体激波层主要与对流通量(10倍)。新材料是目前研究增加保护没有负面影响探针酚醛材料的质量(1,2]。因此,这种等离子体的辐射特性的研究(形成与地球、火星或土卫六大气层)需要优化的尺寸(厚度、质量)TPS(盾牌,盾牌)前面。

为了模拟的辐射性质遇到等离子体在一个大气条目,激波管用于各种实验设备,电弧喷射,微波等离子体、电感或电容耦合等离子体炬3]。从这些设备、各种条目配置方面的压力和速度冲击管,非平衡电离,其他设施和辐射过程,可以研究。

土星最大的卫星泰坦的研究,具有重要的科学价值与地球由于一些相似之处发现的美国宇航局卡西尼号飞船(2004)季节性和日常变化,云,风,和表面方面4),但表面温度较低(100 K)。厚厚大气层主要由氮和甲烷和氨的痕迹,氩气和二氧化碳,丙烷,乙烷和主机初步微生物生活的元素。因此,准备新的泰坦勘探任务,Titan-like大气等离子体(98%的辐射特性-2%)进行了调查,深化知识的能量通量对航天器的表面。有了这个目标,LAEPT使用电感耦合等离子体(ICP)火炬在大气压力和最大工作应用4千瓦的力量。大气压力确保等离子体在热化学平衡和光谱测量实现然后非常有用的辐射模型的验证。

分子光谱与碳CN (),CN (),斯万系统()是由一个光学发射光谱仪观察和记录的光谱允许温度的测定和数值模拟比较。原子的注册在247海里。在平衡条件下,CN和密度展览的最大价值约4000 K的温度,但CN总是10的浓度²大于的浓度。碳原子浓度是主要的物种在4500 K。也被用于一个马赫-泽德干涉测定温度。相关文件已经可以在这些主题(5,6]。在以前的经验(5),结果表明:Titan-like等离子体在我们ICP等离子体炬包含固体碳,作为提供的热力学平衡条件计算。必须指出的很多文章都是关于可用形成tholins(混合化合物H, C, N) (7- - - - - -12这种等离子体),一般维持在较低的压力和较低的焓观察纯碳但它是罕见的。其他等离子体过程显示黑碳的分解甲烷的形成(13- - - - - -15]。

这本文给出的属性聚集固体碳表面的注射器和在石英管。论文的大纲如下。设施在演讲后的部分2碳质产品,这是顶部的辅助沉积氧化铝喷射器ICP石英管的不同区域,具有使用拉曼光谱扩散,能量色散x射线能谱(EDS)、扫描和透射电子显微镜(SEM, TEM resp)节3。

2。实验装置和分析设备

2.1。ICP-T64火炬

电感耦合等离子体火炬ICP-T64可以与不同的等离子体气体(空气、氩气,和气体混合物)。seven-turn感应线圈,在铬镍铁合金,冷却的内部气流用于维持Titan-like大气等离子体。图1显示了两个照片和实验装置的方案。

在大气压力,内部的等离子体形成的ICP火炬被点燃的金属线(不锈钢钢)跳进了石英管。一旦第一个电子喷射到等离子体气体,他们加速了电磁场和它可以与其他粒子冲击。等离子体点燃,它是由权力提供持续的电感器。给出了实验装置的操作条件表1。

生成等离子体通过感应线圈64 MHz的射频(RF)电子应用4千瓦的电力。等离子体是局限在一个28毫米宽圆柱形,垂直安装石英管。等离子体气体,漩涡注入,有0.2的固定总质量流量。

2.2。描述的固体碳

分析了不同样品的收集碳通过扫描和透射电子显微镜(SEM、TEM)和拉曼扩散。

2.2.1。SEM、EDS和TEM

SEM分析是由蔡司上操作3 kV和加上一个硅Xmax EDS(能量色散显微镜)系统和印加能源350软件。TEM是通过使用JEOL JEM 3010显微镜,加速电压从100年到300千伏。

2.2.2。拉曼

一个Jobin Yvon T64000显微分光计和一个电荷耦合装置多通道检测器在室温下使用记录的拉曼光谱(斯托克斯线)。它在可见辐射范围内的激励源排放(基于“增大化现实”技术的激光线)和一个入射功率大约10 mW表面薄一些。

拉曼分析被认为是最有效的技术之一,调查关于债券性质的碳16]。事实上,碳可以表现出各种各样的债券,对应于三种杂化状态:,,(碳只有如果只有债券金刚石、石墨债券)。碳特性主要取决于其债券的性质。非常详细的解释关于拉曼分析碳可以在罗伯逊论文([16例如])。拉曼理论表明,碳的债券性质可以推导出两个乐队的碳拉曼光谱乐队(无序,掉看不到纯石墨碳(17])和乐队(石墨)。事实上,带中心位置和乐队的比表面,配备相关的模型,使确定的百分比和债券到碳示例如图2。

拉曼光谱治疗使用特定的Matlab LAEPT实验室开发的代码。这个代码允许减号连续信号和健康和分别乐队的无定形碳,洛伦兹和Breit-Wigner-Fano (BWF) lineshape [16]。这样的一个例子一个恰当的背景去除后呈现在图3。

的比例和乐队的表面然后计算。平面相关长度也计算使用关系(1)[18]: 与(在海里),海里,。

平面相关长度可以被定义为规模即使非结晶体材料表现出周期性结构。这就是为什么,在材料科学,甚至全球非晶态材料可以被称为纳米材料(或低水晶订单材料),取决于这个平面相关平面。

3所示。分析固体碳

图4介绍了陶瓷上的碳粉的本地化喷射器和石英管。涡流喷射的等离子气体的影响可以通过沉积形状观察到石英管的内表面。它可以指出,不会发生沉积的管位于七把感应线圈的等离子体温度是最高的。由于石英的熔点是1920 K左右,碳粉的存在必须讨论的等离子体温度分布沿石英管。另一方面,周边辅助沉积陶瓷保护火炬喷射器是观察和人物4表明,宏观形状似乎完全不同。必须指出的是,这个辅助喷射器不用于等离子体注气,但它可以用于注入喷雾在等离子体气体解决方案。陶瓷保护扮演着两种角色:第一个问题的保护辅助喷射器和第二个允许有二次引导的等离子气体保证石英管的冷却。

3.1。在陶瓷粉末

无论样本收集,拉曼光谱记录的激发波长514纳米(图3作为一个代表性的例子)显示在1300 - 1600年两大行的范围内。第一行,集中在1354年,叫乐队是一个禁止模式由于对称完美石墨但被激活只在结构性障碍的存在。它的强度是直接依赖于六倍的芳香环的存在,是一个很好的参数失调程度的碳(19]。的宽度带的分布密切相关债券具有不同的集群环尺寸。

的乐队在1585年由于平面债券拉伸出现碳对。的频带宽度可以用作测量石墨烯平面内的订单(17)和扩大这个乐队可以解释为增加债券角度失调。罗伯逊和法拉利16,17,19,20.)讨论了上面提到的上述带参数可以用来描述结构的碳材料;三个阶段已确定根据障碍在碳结构(图2)碳杂化的特征。报告的结果我们的研究样本,也就是说,等于1.94和,在这个分类(图2),这使得碳质材料被归类为主要较低的碳原子相干。

TEM观测证实了低结晶产品的订单。粒子的近球形颗粒平均直径150纳米。两种群共存与不同障碍度。小石墨分散部分不同。一些粒子表现出更高的组织接近粒子表面(数字5 (d)和5 (e))。

电子衍射模式(图5 (g))强调了定义良好的环按照低结晶顺序。估计是层间距离nm。在这一步中,非晶碳的碳质材料表现出相似的黑人(21]。这样的说法证实了扫描电镜观察(图5)。它显示了细长的结构与几百微米的长度。这些细长的形态可以解决在两个不同的结构,粗糙和光滑。几倍的放大强调的对象是由聚结小球形粒子,50到150纳米大小的。

有关这些粒子的大小差异出现在两个人群。在一个案例中,大小约50纳米及其集聚形成一个高表面面积(图6)。在第二种情况下,粒子形成sintering-like结构与颗粒直径约500海里(图7)。

能量色散x射线分析、校准定义了SiCN薄膜的两个样品的氮(10和20从卢瑟福背散射测量原子%)表明,tholins相反,样品不含氮无论他们的形态(图8)。只有碳检测(铝峰是由于SEM支持),没有氮。

3.2。石英管粉

实验后,碳粉覆盖ICP石英管的两个不同的区域,如图4。很可以理解碳凝结取决于石英温度,按照热力学平衡条件计算。的粉末聚集在顶部和底部的石英管和TEM分析了。TEM观测的石英管粉和石英管底部粉呈现在图9。结构的粉末与高表面积上发现的结构辅助喷射器,会确保这些结构是由于蒸汽冷凝过程。单个粒子的大小大约是50 nm。粒子之间的空间导致高孔隙度。虽然没有任何区别单个粒子的大小,似乎含碳物质形成底部的石英管密度较低,更多的多孔。在这里,无论样品、EDS分析强调缺乏氮探测器的探测范围内。

拉曼光谱分析的碳粉实现了三次不同高度的石英管(所有上游地区的石英粉)。率和相应的展示在表2。这些结果表明,变异的和不是有意义的甚至在不同的高度。因此,一个全球平均的结果可以先进: 使用学生的不确定性计算99%置信区间的方法。这些值和平均值带位置是典型的nanocrystallites石墨没有债券(16]。

4所示。结论

ICP等离子体炬的模拟是一个非常方便的工具,用于等离子体流周围的宇宙飞船在穿越行星大气上层的。Titan-like大气,ICP-T64电感耦合等离子体火炬被用来分析等离子体的辐射特性周围的宇宙飞船穿越泰坦(土星的卫星)的气氛。ICP-T64设施,口供的固体碳表面的存在已被观察到。的内表面上的聚碳石英管和陶瓷保护辅助喷射器研究通过不同的微观分析程序(拉曼扩散、SEM、TEM和EDS)。障碍程度高的碳质材料形成的石英管和顶部的氧化铝注射器被拉曼强调扩散和TEM。不同人群和不同的集聚方式共存。interparticular孔隙度高、低密度时获得单个粒子很小,约50纳米大小。顶部的氧化铝喷射器,一些谷物展览sintering-like结构可能由粒子大于100纳米。不同大小的粒子形成了谷物、50和100海里,有关形成的不同时间或不同的温度。无论他们的形态,样品不含氮tholins相反。

作为这项研究的角度来看,我们建议在以下几方面进行深化分析等离子体周围形成一个泰坦飞船为了碳形成精确的信息。本文和前一个(5)表明,固体碳可以在大气探测进入泰坦的气氛。碳合成根本不是观察到类似火星大气等离子体。这些结果吻合总共用激波管和全球与热力学计算5]。

自然也知道光离解成固体碳发生在土卫六大气中的甲烷因为太阳能辐射(22- - - - - -24]。尘埃的存在领域的调查与土卫六大气层影响会影响等离子体特征尤其是辐射。现在看来有必要研究这种碳的影响入境条件,确实;(我)可以形成碳包覆层和可能favorize辐射吸收,导致过热的TPS的;(2)高温固体碳可能与TPS反应和破坏其保护性能;(3)固体碳可以盲目的传感器。

有必要了解的dust-radiation耦合热保护系统的优化。灰尘卷的研究应该进行但应该通过最初的第一次探测和识别使用灰尘激光等离子体组成。

然而,这个固体碳生产实现了地球大气压力。更具体的实验必须在泰坦入口压力评估固体碳的产量在现实条件。

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