УНУ Реакционная кинетика и динамика

Общие сведения
УНУ "Реакционная кинетика и динамика в экстремальных условиях" ("РКДЭУ"), относящаяся к комплексу несерийного научного оборудования, включает в себя инструментарий на основе которого реализуются наиболее современные методы изучения реакционной кинетики и динамики сложных многоступенчатых процессов с широким охватом условий от высоких температур и давлений, имитирующих горение до низких температур и сверхнизких давлений имитирующих межзвездную среду.

В установке реализовано несколько принципов, позволяющих получать уникальные научные результаты о кинетике процессов образования сложных органических соединений:

Метод молекулярного пучка;
Высокотемпературный микрореактор (ВТМР) для изучения кинетики реакций при температурах 600–2000 K и давлениях 10–760 мм рт. ст.;
Времяпролетная масс-спектрометрия с рефлектором, разрешение по массе до M/ΔM>2000;
Генератор ВУФ (7-12 эВ) для мягкой однофотонной ионизации.

УНУ имеет в своем составе передовой набор инструментария, имеющий высокое временное разрешение при чувствительности сравнимой с аналитической. РКДЭУ представляет из себя трехступенчатую вакуумную систему. Пробы из реакционной камеры, содержащих продукты реакций и интермедиаты, подаются в первую вакуумную камеру с рабочим давлением, не превышающим 10-4 мм рт. ст., претерпевая газодинамическое расширение. Этим достигается фиксирование состава пробы и формирование сверхзвуковой струи. Центральная часть струи проходит через скиммер и попадает во вторую вакуумную камеру с давлением ~10-9 - 10-6 мм рт. ст. Сформированный таким образом молекулярный пучок пролетает между первыми двумя электродами рефлекторного времяпролетного масс-спектрометра (ReTOF-MS). В этом месте компоненты молекулярного пучка ионизируются под воздействием вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ). Ионы подхватываются электрическим полем масс-спектрометра и подаются в третью ступень с давлением <10-8 мм рт. ст., представляющую из себя экранированную от внешних электрических полей трубу, в которой происходит разделение ионов по времени пролета, в конце которой установлен детектор ионов типа "многоканальная пластина" (MCP-детектор). Фотоионизационный времяпролетный масс-спектрометр (PI-ReTOF-MS) имеет разрешение по массе M/ΔM>2000 (т.е. разрешение порядка 1 а.е.м. при массе молекулы в 1500-2000 а.е.м.).

Использование ВУФ излучения обеспечивает мягкую однофотонную ионизацию молекул, без фрагментирования, что существенно упрощает определение состава продуктов и интермедиатов в смеси. Фотоионизация обладает уникальным преимуществом по сравнению с ионизацией электронным ударом, поскольку фрагментация при этом обычно не происходит, если энергия фотона близка к пределу ионизации.

УНУ предназначается для исследования слабоизученных процессов, протекающих в условиях высоких температур.

Формирование базы данных, содержащей верифицированные константы скоростей химических реакций, является ключевой задачей для точного моделирования и правильного понимания процессов в различных объектах. Однако, во-первых, в существующих кинетических моделях горения превалирующее большинство кинетических констант не измерены и не рассчитаны из первых физических принципов, а оценены на основании химических аналогий или просто подогнаны под имеющиеся, но очень бедные и недостаточные экспериментальные данные.

Во-вторых, большинство существующих измерений производится в обычных условиях: комнатная температура, давление 1 атм. Тогда как, процессы горения и в астрохимических окружениях происходят в экстремальных условиях (высокие температура и давление или очень низкие температура и давление). Известно, что только 5-6% от всех экспериментально измеренных кинетических констант, внесенных в базы данных, соответствуют реальным условиям.

В-третьих, во многих случаях химическое превращение от реагентов к продуктам проходит зачастую по нескольким реакционным каналам одновременно с вовлечением большого числа промежуточных короткоживущих комплексов. В связи с этим результирующие константы скорости химической реакции и коэффициенты ветвления для каналов продуктов сильно зависят не только от температуры, но и от давления.

РКДЭУ позволяет не только обнаруживать продукты высокотемпературных реакций без их фрагментации, но и измерять значения кинетических констант. В дополнении к экспериментальной установке создан ее "цифровой двойник", с помощью которого найдены функциональные зависимости, связывающие константу скорости реакции с экспериментально-измеряемыми параметрами. Кинетические измерения в реакторе проводятся путем варьирования концентраций исходных реагентов, а точные высокотемпературные константы скорости будут определяться путем анализа относительных выходов различных компонент.

Руководитель работ:
PhD Александр Моисеевич Мебель

Направления научных исследований, проводимых на УНУ:

Исследование динамики и кинетики слабоизученных процессов, протекающих в условиях высоких температур. Объектами изучения являются крупные молекулярные системы, процессы с которыми протекают по многим каналам с прохождением через промежуточные короткоживущие радикальные комплексы (интермедиаты);
Определение механизмов реакций ведущих к образованию сложных молекул в экстремальных условиях космической среды;
Определение кинетических констант (константы скорости процессов, коэффициенты ветвления продуктов реакций) и их зависимостей от температуры и давления для процессов, протекающих в экстремальных условиях;
Изучение спектральных и кинетических характеристик активных сред газовых лазеров.

Перечень оборудования с указанием производителя, содержащий наименование и основные характеристики приборов

Вакуумная камера из нержавеющей стали марки 304L. Размеры камеры: 120 см × 120 см × 70 см, объем камеры составляет 778 л. Камера оснащена CF-фланцами. Предельное давление составляет 10-9 мм рт. ст.
Вакуумный пост, включающий в себя:
• турбомолекулярные насосы Osaka, моделей TG2400M CAC (производительность 2400 л/с) в количестве 2 шт. и TG420M CAC (производительность 420 л/с) в количестве 3 шт.;
• cпиральные насосы Edwards XDS35iC (производительность 35 м3/ч) в количестве 5 шт. ;
• насос Рутса Leybold WS505 (производительность 140 л/с).
Источник вакуумного ультрафиолетового излучения. Представляет собой газовую ячейку, содержащую смесь Xe и Ar (в пропорциях 1:11). Генерация ВУФ происходит засчет утроения третьей гармоники (355 нм) Nd:YAG лазера.
Импульсная лазерная система, состоит из двух лазеров:
• Nd:YAG лазер Quanta-Ray PR0-290-10E, длины волн 266, 355, 532 и 1064 нм, длительность импульса 10 нм, частота повторения импульсов до 10 Гц, максимальная выходная энергия 2 Дж/импульс;
• Лазер на красителях Sirah Precision Scan, максимальная выходная энергия 0,15 Дж/импульс, диапазон перестройки по длинам волн 266-1064 нм.
Времяпролетный масс-спектрометр с ионным зеркалом и разрешением по массе M/ΔM>2000. Система детектирования состоит из MCP-детектора и счетчика фотонов FastComtec MCS8A с временным разрешением 800 пс.
Имульсное сопло. Представляет собой пьезоэлектрический клапан для генерации коротких газовых импульсов (80 мкс) с высокой частотой повторения и большим потоком газа. Устанавливается в вакуумную камеру, перед скиммером (диаметр 1 мм) на трехосевой подвижке.
Высокотемпературный микрореактор. Основной частью микрореактора является трубка из Al2O3 или SiC, нагреваемая до 1500 K.

Форма заявки
Форма подачи заявки на использование УНУ РКДЭУ

Документы

Контактная информация:
телефон 8 (846) 267-49-13
Адрес: Cамара, Московское шоссе, д. 34, корпус 18, каб. 409

УНУ Реакционная кинетика и динамика

Контакты