Динамические свойства и ускорение электронов нестационарной и неоднородной плазмы разряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ



■-) У

ХАРЬКОВСКИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЯДНИВЕРСИТСТ

-"\ На правах рукописи,

Сг..!

МУРАДОВ АХЛ ИМАН ХАНАЛИ ог^ы

ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И УСКОРЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ НЕСТАЦИОНАРНОЙ И НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ РАЗРЯДА

Специальность 01. 04. 08 — физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ХАРЬКОВ - 19 9 3

Работа выполнена на кафедре физической электронам Бакинского государственного университета им. М. Э. Расул заде

Официальные оппоненты: Кузнецов Юрий'Кснстанишоз'лч — доктор физико-математи

ческих наук (ХФТИ г. Харьков)

Рожков Алии Л1нха:";лов1.!ч — доктор физико-математи'

ческих паук, профессор (ХГУ, г. Харьков) Солошеико Игорь Александрович — доктор физико-математи

ческих наук (ИФ АН Ук раины, г. Киев)

Ведущая организация — Институт ядерных исследованш'

АН Украины

Защита диссертации состоится «-ÉL-»_^Uità/k-S_

1993 г. в «—_» чассп на заседании специализированной:

совета Д 053. 06. 01 при Харьковском государственном уни верситете (310103, г. Харьков—103, пр. Курчатова, 31 ауд. 301).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной на учной библиотеке ХГУ.

Автореферат разослан «-J:__»

^tjrmïl, 1SS3 г /

Ученый секретарь Специализированного созета, доктор физпко-глатсыатпчсснлх ¡:ау

ЛАПШИ Я В. И.

оЕЩ£ ЛАРЛЖРЛСТЛЛЛ РАБОЙ

В низкото:тзрчтур«о.'; клпзг.'э гг.зозого р.ззрлда харахтор шогкх процессов с учзстязп злзлтролол зьягсят от фор:.:.-1 .}унизи распределения электронов по оиорппг (¿РОЭ). опалис условия изменения урЭЭ, их испэльзотепсе с цзльп лолучпхля ялззки с опро-дслэшпл.:и сзоРстзами л у>.:сщ;о управлять рпрзмйтрпгги дгззмн я.те-ат ва;шоо зналенчс. 3 г.эякрегшк условиях опрэдедя-

ется гс-'.;, глг.г.е л:' г г дг'ле;; лргд'осе л.грг.пг преобладаю-

щую роль, и стсдлолпрпэ:.: :: однорог ход гогт^датн-го:! столОе разряда ¡рэрдлрустсл под делствнсм электрического поля, упругих и ноупруглх сголгчловешш. Однако з ряде случаев нестационарной шш неоднороддед пдаз,'.:ы роль о^дедънлх чплов в гскзтк-ческок уравнения зтозгг.сотс? я в опрсделшшс дс.дснти врененл пли области пространства ОРЗЭ отлагается от своел оорш в стационарных елл однородна условиях.

Призером гфсяплс.'ыя лзнзнешгл злег.трокднетхчзепк характеристик плаэш «спет случить пологкгсльнаЛ столб разряда в рекп-ш кодуяяция разрядного тока при з-чгаляекгл определениях условии. Действительно, есл!1 в цепь р.азрлдл, по которо.; тенет псс-толнннд ток., поемч.очз;ть источник пз;. е.-оннел ЭДС, то разряднк: ток будет 1.:сдулирэш?ься. 1!рд зтен а злдиеишетп от элементарных процессов, проссяссшплх в разрлда, от величина, Лорда 'я частота эозг.уцзнпя, налетанного на разрядили ток, появляется ряд интересны:; г -'йглтов.

5сзи в разряпо Г.0ЯЕ35ШШ происходит только 1гряш.1 путем, а зарядекнне ндстицн гсчезеют из газоразрядного обьегп в результата амблпопярно;! дгСфзии, то при частотах иодуляцпи у« — , где - г.рс.гя удода улектпенов в результате

акблтллрной длт.рузни, ¡'.ондонтрллля олеыролов тнястся в <уазе с разрядным токсы, а скорость лсякзяцдя, слсдогателыга, электронная тенлериура л злзу: рячнокоз г.оле яе глеяяптся.

3?.метяуя глубин? »-»пуляцяк электрического поля ¡.'о;счо получить только при частотах иоряякя у.^- — ■

у^ , то 07.31.-r.л лг. вас то л негяя ерзднля концентрация

электронов,- и т.к. плотность тска j , концентрация электронов И л iitdipaiXi-iiocTb п.^-.о-длого сл(:::тг"г.есп)Го поля £ свя-зыш соотношением , где - подакгкность элек-

тронов, ü j периодически меняется, то £ дожхно кодуларошть-ся приблизительно так >.;с, как л j . ¿сл:: ¡p¡: о тон наполняется

услоше V« ■■ , гдо 2"е - вр>е:.:я релаксации ФРЗЭ, то в Ич н

казд»2 шаюг зрешш ®/:шс:я распределения успевает установитъ-сл, и ео по.'.ио рассмотреть как каазас'лвдонаркув, т.е. .образуется плазма с вочгк постояшюЛ концентрацией и гзрподдчеокв меняющееся электрошюД тепзературол.

При более ruoomix давлениях геза и болк'лх значениях разрядного тока общественную роль и образовали зфг-.енних ;частиц играет ступенчатая ио;шзащш. В условиях стунекчатсД ионизация яз-за сравнительно мало.! чг.стстн разрулендя юзбузденных атог.ов, с которых вдет ступенчатая аендзацая, «одуяацяа могут

появляться прл гораздо более низких частотах. При этом характерные частоты, при которых качпиавт прокататься заметные аффекты в модуляции электрического пеля, концентрация уетаста-бильних атомов и электронов, порядка + Cí^ri) • где

Тм - время длффузяя метастабидьных атомов к стенкам сосуда, dnjh - скорость их разрушения за счет электронного удара.

Вели частота модуляции удовлетворяет условиям V« .

( ¿V Гн

\)« j^-jT , то столб квазистацлоаарен, т.е. концентрация электронов, заселенности метастасшлькых атомов и напряженность- продольного электрического поля имеют те же значения, что и в случае стационарного.разряда при соответствующем разрядном токе.

Прл частотах —i—<V<*-—— в ходе концентрации мета-ZTTh Zv ta стабильных атомов появляются сдвига относительно изменений разрядного тока, и в некоторых фазах появляется остаточная завышенная или затканная ионизация. В результате этого в этих фазах скорость ионизации'изменяется, следовательно, напряженность электрического поля модулируется. Изменения электрического поля приводят к тому, что форма изменяется в различных $азах колебаний.

Из-за того, что число возбуждений и йонизаций очень сальдо зависят от формы ФРЭЭ, заметная модуляция шля приводит к росту

среднего числа яснлзанл;; л концеитрацг.л одектронов, что при данном среднем разрядном токе длсчет за собой поденке сродного значения поля.

Дальнейшее ногизеняе давления газа приводит к тому, что в гиболк зарят.сннтх частиц цозрсстает роль ооьошюд реют/бпнацип. В рет:е рекокйишида! я оршг.тудко-'пстоти.ж я ¿азопо-чостотшк характеристиках размяла возилкеог лозие особенности, и частности при довольно Hi'.ur.ix -¡асютах гедуыдяк разрл,:л:ого тока 1юпг<я-зсшюехь продольного оликтрического пои подвергается коля банкам с гяуйиио;! г,одуллцпл, прешвдацой гяубшу ;:одуя.чщш разрядного тока. Следовательно изменения ftopr:ir 1РЗЭ по фазам тогло наблюдать щл гораздо Солее нпзгах частотах.

Изменение форгяг 4PJ3 а друглх э.тс!:троп:н зтлчоеккх характеристик тгазг.'н возмогло гаю:е з областях рэзлэтш;х пеодпороднос-тей разряда. Гак, л области изменения ссчонля ПС разряда образуется, дюлко;: зяектрлпеепш слои лростгшстшшшх зарядов (ДС) п сшзашагл с н:з.: сдачок потенциала. В этой облаем, согласно урашенкю Пуассст, изменяется ход псгогас:а.го, резко возрастает элепгрлче.ское поле, олектролн пряобргшэт догхл.члтельпул знеркш, з р.:-зу чьтатс чаго яогдоецпя в лз гралшчиол области уз-mi части трубкл сччько возрастает. Па «КЭ полагается дспалил-толънмл ^алслиуГ', соотЕатстгзугет.; группе электронов, ускоренш.л: D ДС. По псрз::сдеш:л по глуто из:.:еняаце;1ся зетгя потенциала, вторична) г.;аксл:.г;.м пере:.;сцается б сторону болыта энергий. В результате этого для тех лили, у пэгорцх в лулкг.ии везбуаде-нг.л шоптся острее манеюлумн, дел совпадении этого макси&.ущ со втс;л:чким cai-yw. на «¿ЮЭ, гозцэотоя наиболее благолрллглглс услозля г.озбу::;цангл. Такта образом появляется возможность пре-юя'псстаеш'ого essoicnfoíoro гззфгчзеикя групгы уровне:! в разряде с дэо:;я,лл елоеи.

Друглк примеров: яроя&севяг. ФРгЭ с двумя кокоявумэкя штт слуглть ДС, образу к :;лся в результате кзодиородлости );ляз:/бнного столба при возкш-товенкя 'деусиычлвостэК. 3 тпкпх спстгшг ДС пгедстлвлг.ат соло» область :)ространп'Г;».з.п:сго заряда, сосредоточен:.ую в размерах порядка ¡пекоттла-х доел ткав pv-5-уса Дгоая. В районе ДС pei3BPCi'i- оот^лл'плоп ит? as »п!гг.зп>ко лревлшть OXO.ti'pOKíiyv (г.ырп-гв':1.7г. а ¡пгеладлла::" со стсрти

низкого потенциала (т.11. катодпоЛ илазг.ш). Зарягсешше частицы, попав а область ДС, ускоряется, и в областях, црилегаодах к ДС, образуется система, сосаолцая из пучка и плазмы, со своеобразным ьидои 'распределения с двуг.'д шпсккуиаш. После про-хоадоши! свободных электронов через ДС по анодную сторону про-иоходог взал-лойв^егшге пучок-псаоыа ¡1 возникал» шшпешше высокочастотное колебания.

Актуальность те;..:; диссертации.

Исследование дпнш~:чесю12 сшлсгв ПС разряда и их описаиде исходя из эле;.;ектарних процессов, происходят: б сг.мои разряде, дают гогкозаюоть судить о докшазда процессов возбуждения и ионизации. Заицй и понкиапие отвх процессов со свое л стороны ио&огаэт прл р«зеикй вопроса устойчивости тока разряда- при заданных условиях и характер;! усыновления стационарных состоянии. Эти попроси пргдетавяяэт зиачительаил интерес ка пути повышения Э|';С(-:тлЕ11Эстк излучения газоразрядных источников света низкого давления,' при шборе оптшилышх рабочих условия лшип высокого давления и газеразредшх лазерных трубок.

После перка работ Грановского /2/ длительное врет установилось :.;не1ь:е о то и., что' яра модуляции тока разряда находящегося в ио1л;зищюякс-ди.у,г/зяонном режиме, заметную глубину модуляции электрического поля лскно получить только при частотах,

порядка —А— , Не ¿даваясь а детали шеандзыа шняза-А Та

ции считалось, что вплоть до этих частот колебания концентрации

электронов следят за колзбанкяи'д тока, электрическое поле не

модулируется. Однако первке не наш измерения ОРЭЗ в различных

фазах колебания гика за ля, что прв условия У< —продоль-

¿и Га

ное электрическое поле и ФРЭЭ значительно пенятся по периоду колебаний, и этот факт никак невозможно было объяснить в рамдах установившегося мнения." Мазду тем исследование этих явлений в области ступенчатой ионизации и-далее в реаиме рекомбинация представляло огромный интерес, т.к. в нескольких ведущих фирмах мира велись поиски путей повышения эффективности излучения газо-разрядразрядшк источников света с использованием модуляции разрядного тока /10, 12/.

Наличие скачка потенциала и связанного с ним вторичного максимума на ФРЗЭ в области изменения сечения разряда приводит

к изменению рс:;л!.:ов Бозбу-деннл л ::окиз«цил а этой области. Изучение этих процессов ирсдстантясг бэдъ;::ол шгзрзс с точки зрешш создшшя но^нта лстэчккнов ;..огп- л дуаатгзгогрошшх геометрий, различи« ксгэчяпгсов сксга к газ о;; 1~< дязеров /3/. Однако экспершелгаяыое ясолсдоачаго структур;,- счосп щострлнстгея-ШХ зарядов, езязк расирсдолешм поге;-д;:ала :: с этол структурой, ускорения элсктроиоз к кзкелевгл ;.огл.'а 1<Р?3, процессов возбуждения л ионизации в обметя ДО не прогодилось. ;;сслсдопа-ние динамики тагс-'.х слоник систси да?» в очень ограниченном рассмотрении! предетавлякипе онач;:гс/:ьн;:с трудности поэ^олнпт изучить ряд злег.:ентарн:к процессов, с участием тюзбупдокних атомов.

Изучение ДС в бессголкнотзигелъпом плазко, попытка объяснять присутствие быстрых заря-епшк частиц а пссг.ическои плазме наличием двойных электрических слоев в г.апштосфзре Земли и их моделирование п лабораторном и числеинои зпепприкенте свидетельствуют о попниеияо:,: интересе к этой проблеме /В/. Однако известнпе из лабораторных экспериментов разности потенциалов ДО обычно имели порлдок - ^ - , что препятствовало привлечения механизма ДС дад объяснения сезершх сияния л др. явлений в шпш-тос<?ере. Во днюглх лабораториях пара для получения ДС со скачкой потенциала 1а» использовались разрядные камеры с

больпкм объемом иет^у которнки прикладывалась болшая разность потенциалов /13/. Значение это:-' разности потенциалов и определяло значение скачка потенциалов э гроке^уточяоЛ каморе. Однако йизлчеси! более корректным было бы получение

е токовой системе (т.е. при задании источника тока). Поэтому получение д исследование ДС с 'Ь» при заданном ис-

точнике тока представлял значительной'интерес.

Цель работа.

I. Исследование дппэ;.пгчесшх сеойств разряда в условиях ступенчатой тонизации л'долее в раките рекомбинация. Внлплеяие в конкретных условлях тарзктерЕН* чеотот изгенеизя электрического поля к Язжртж }РЭЭ з различных 'Тазах колебании и изучение влчлнкз лз1гек';н;:;; йрЗЭ но процессы яошгцки я возбуждения з рехпме г.;о,дуля-.1лл: разрядного тока.

2. Исследование стационарных двойных электрических слоев в облаем изменения сочзякя разряда в гелии и ртути. Изучение процесса ускорения электронов в ДС. Рассмотрение некоторых временных характеристик области скачка потенциала.

3. Получение и исследование двойных электрических слоев в бесстолкковительной глазые со значение!.; скачка потенциала, превосходящим оквиьалелтнуэ олоктрокную температуру.

Задачи работа:

1. Разработка теории ПС разряда в условиях модуляции с учетом ступенчатой ионизации.

2. Расширение облаем рассмотрения творил на случай рекомбинации.

3. Разработка методики измерения йРЗЭ и других электрических и оптических характеристик колеблющейся плазмы, с периодически из!.::ллэаук-нея параметра.!!!.

, 4. Исследование колебака; малой амплитуды электрических а оптических характеристик разряда.

5. Измерение электро кинетических и оптических параметров сильно модулированного разряда.

6. Изучений процесса ускорения электронов и изменения режима возбундения различиях групп уровней в области ДС разряда в геляи.

?. Определение скоростей реакций ступенчатого возбуждения в нестационарном ДС разряда в гелии.

8. Исследование структура пространственных зарядов и установление сшзи распределения потенциала и £РЭЭ разряда в ртути.

3. Изучение скоростей реакций с участием возбувденних атомов ртути в нестационарном 'ДС разряда.

■10. Измерение ОРЭЭ в конической трубке при различных направлениях протекания тока.

II. Получение и исследование двойных электрических слоев

1С Ъ

е

со скачком потенциала Ц » ЛЛк- в плазие лри очень низких

давлениях.

12. Развитие методов диагностики флуктуирующей плазмы. Исследование релаксации электронов и баланса числа электронов в анодной плазме.

Объект исследования. Основными объектами'исследования

луягиш разряды в ртутя, гелии л неоне. Выбор этих объектов ил связан с тем, что в гелии и пеоне хороао известны граяшзг уществованпя стратов^х колебаний, а в ртути страты вообке от-утствуют. Поотому мопно било получлть разряди без страт, т.к. ри исследовании колебательных процессов их наличие привело би взаимодействии этих колебаний, что .препятствовало бн набли-ениы за динамикоп процессов. С другой стороны разряди в инерт-ых газах накголее породят к рассмотренной трехуровневой ыоде-н. В этих разрядах ФРЗЗ бистро спадают за первым потенциалом озбудцения, и скорости прямых ионизации ц возбуждении, связан-ые с "хвостом" распределения, сильно зависят от напряженности родольного электрического поля. А процессы, определяемые боль-пнством электронов "телом" ФР слабо зависят от поля.

При рассмотрении разрядов с двойными слоями такзе очень ажио било отсутствие колебаний в области неоднородности. Крсте ого, а,токи гелия и ртути имеют подобны;'! ход э^фгктйвннх сече-пи различных групп уровней. Так, в обоих случаях сечения три-петннх уровней начиная от порога бистро возрастает, имеют зтриП максэдм, а зате.м спадают, в то время гак сечения синг-зтных уровней в илроком ¡итервале гнерпй медленно позраста-г. Это обстоятельство позволило получить в области ДС измэке-зя отношения заселеиноот&Т триплзтлнх и силглетних уровней и ^пользование этого факта при определении скоростей реакций с частием возбуэдшшп: атомов.

Научная новизна определяется тем, что в ней:

- Впервые проледеш измерения й?2Э в различных ¡розах коле-мшй и экспериментально обнаружено яолое явление - эффект мо-^ляции электрического ноля и изменение й>ЗЭ, при частотах, ¡ш-з обратного времени амбллолярноГ: дяфф^'зня.

- Создана теория ПС разряда в условиях модуляглн с учетом гупенчатой ионизации - дана интерпретация обнаруженного явле-!я.

- Разработанная теория распространена на случай рекомбина-ш, прозедено сравнение с экспериментом.

- Изучен ДС в области дзкенеяня сечекия разряда,■ измерены 'ЗЭ в области ДС, пояучеяь; 5РЭЗ со вторпчгшмя (лакскмумаш. 06-¡ружена возможность локального првикукзстрзпяо о.електинлого

1зоа<5уздеш;я раз;ачких груш* ypoEHeii.

- Разрьбэткиил кегсд модулями иркденел д ДС в области ажеис'шш синения разряда л ¡¡случены коноусита некоторых реы<-

lyui с участис].) ььзбуэдишес ат«.»в.

- Получены ДС в плазие в бесстолкноьительной редине со значением скачка потенциала, нреьоеходядн:.". эквивалентную олектроя-нуи тодперигуру-на порядок аелнчдпц. ils;;-.:ронд ^РЗЭ, пзучекп релаксация пучка электронов, ускоренных в ДО, баланс числа электронов в анодной плазме.

Научная ц практическая значимость гдооты. Вцпэдлешюо исследование позьош:со скдсать частогкие зс.кси:-.сгц параметров ат:;3к:и разряда в пиропом диапазоне разрлдгхгл условии. На его осксг.е ой1.яс1.ск о;г{<зкт ходулядип одек.тг клееного поли и изменения ФР2Э при частотах нкд.е обратного ьрек.ени аибиполярной диффузии в условиях ступепчатаи кскхздции. Предсказали колебания олектря-чеСкого поля при очсьь iuhjox частотах в ре;дк.;е ракоиЭикашш. Получешше результат-ц ногу; нехсльзоплтьел для яовшенля э44®к-тиыюсти излучендч rivjopas задних источников света, при ддборе оптп.да.-ялпгх рабских уелогик. ла: п высокого да;;.;юнпл и газоразрядных лазерных трубок.

Результат^ изучения пизическлх процессов я области неоднородное*«! илазш газеюго .¡дзрлда с нореиокнш сечением позполя-ют осуиссталять рацдоналвнпи ь./ôop конструкции и редисов работы плазненвхх источников ненов и лоточников одета, пепатьзувауих асследоБшай тип разрлдл. Изучение вреиешшх характеристик. этих систем иозиехяет ои^едззлть «»роста некоторых реакции с участием нозбузденнпх атомов.

.Заполненные окспердг.-.екти пошзала принципиальную возможность образошпия скачка потенциала, существенно превосходящего эквивалентную электронную температуру ь илазие со сторонц низкого потенциала. Эти результаты 1„огут пспош.зоцаться для объяснения присутствия бистрах заряженных частиц б ыагнктосфзрз Земли и яшешш полярцщс сияний.

Получевдце результата используются d учебном процессе на кафедре физической электроники Б1У, и вощли в ставшие классическими специальные Лизические практикуш /5/.

Основные положения, вшюскмые на защиту:

1. В услоллях ггреоЗдздахзоЯ ступенчато:! ;:сг:::згц."н характер-' яке частоты, при которых проявляется заметные колебания электрического поля л :ж&каая 4РЗЭ существенно клге, чек в с.тучяе прямой ионизация. Причем и случае ступе.ччатоЛ нолпзащш амплитуды колебали]! электрического- поля л концентрации электронов

могут иметь максимум той частотах порядка у„= — Я/1 + .

0 ¿ЩЧГЛ^т "V

2. Прл более вксокдх давлениях л токах, в ре'семя рекомбинации, характерные частоты, при которых начинают проявляться заметные эффекты б кодуля;дш продольного электрического поля смещаются еде нике,

3. Результаты экспериментального исследовашш амплитуд и фаз колебаний малой амплитуды концентрации электронов, напряженности продольного электрического поля, заселекностей мета-стабильннх уровней в ПС разряда в условиях прямой и ступенчатой ионизации - Ел:бяполяр::.ой дяр;-узш1 и ступенчатой ионизация -рекомбинации. Результаты сравнения полученных экспериментальных данных с теоретическими.

- 4. Колебания электрического поля в ПО разряда приводят к изменениям ФРЭЭ в различных фазах колебании В тех фазах, когда электрическое поле имеет большее значение, <*Р имеет больиеэ количество быстрых электронов.

5. ^ормированяе двойного электрического слоя з ПС разряда с переменным сечением. Образованна ФРЭЭ со вторичным максимумом в результате ускорения электронов в ДО и изменение регашов воз-бугдекия различных групп уровней в гелия л ртути,

6. Константы скоростей реакций с участием возбужденных ато;.'ов гелия и ртути, определенных в нестационарном двойном слое разряда с переменным сечением.

7. Принципиальная возможность получения двойных электрических слоев в бесстолкнояптелыгой плазме со значением скачка потенциала, существенно превосходящим эквивалентную электронную температуру. Метод исследования и механизм релаксации ускоренных в ЛС заряяешых частиц, баланс кисла электронов в анодной плазме.

Апнробацкя гпбет» ц публикпгп;!:. йатсряпдн, -зооедше в диссертанта, доложен« I Зсесоиэкой шфзрвтдев по спектроскопия кпзкоте.'.п.ературно/? ял-ззмн, Лекаягрцд, 1£'<3; XI ¡.'.езхупзродноЯ

конференции по явлениям в ионизованных газах, Прага, 1973; 1У Всесоюзной конференция по (Тпзнке низкотемпературно!!: пясзкн, Киев, 1975; 1У Реснуйликанокой' шшузовской конференции но фи-I зпке, Баку, 1978; Республиканской научно-технической конференция "Достижения и перспектив и рззпнтшя радиотехники и электроники", Баку, 1962; УХ Всесоюзной конференции по ¿язяхе низкотемпературной юшвдш, Ленинград, 1£83; Всесоюзном соаецаяия по пройлеыаи возникновения и дашша двойных электрических слосв в токовых и пучково-шгазке.чыа сястеиох, Сочи, 1983; И Международной конференции ио атомной спектроскопии. Болгария, Варна, 1583; Всесоюзной конференция по флш:е газового разряда, Киев, 19В6; 1У Всесоюзной конференции "по физике газового разряда, Махачкала, 1988; Всесоюзной конференции по спектроскопии низкотемпературной пяасш, Петрозаводск, х930; >11 Международной-конференций по явлениям в ионизованных газах, Италия, Шиза,. 1991; У1 римрозиуме по ДС и другим нелинейным структурам в плазме, Австрия, Иннсбрук, 1692, У1 Всесоюзной конференция по физике газового разряда, Казань, 1992 г.

Результат работ по теме диссертация в разные годы докладывались на сежшарах кафедры физической электроники ЕГУ, семинарах кафедры оптики ЛГУ, семинарах кафедра электроники ШУ, семинарах отдела эленгронякя и ¿аздки плазмы Королевской Высшей Технической Шкоды, г.Стокгольм, на семинаре сектора физики плаз-А5Ы ЖЖН. Теш диссертации посвящено 30 работ, основное ее со-держаняе изложено в работах, прнведеняих в конце автореферата.

Структура я объем диссертацииДиссертация состоят из введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертация 259 стр. шшшошкшого текста, включай 67 рксуяков, 9 таблиц. Синеок ли-терату£)Ы содержит 203 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАШШ

А '

- Ед ■введении обосновывался актуальность темы, ее связь с проблемами, представляющими в настоящее время научнш! и практический интерес. Приведены цель и задачи работы, особенности объектов исследования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и изложена структура диссертаций.

В первой главе описаны окспзрилентаяыщэ методы исследования неоднородной л нестационарной плазмы. Хотя и каздом конфетном случае разработаны оригинальные методы измерений, с делью облегчения чтения диссертации наиболее обеде, основополо-гаювде методи поделены в отдельную главу. Здесь большое внима- • те уделяется зондов.ам методам диагностики. Рассмотрены способа шроделения Й?ЭЭ методом второй производной с использование!.: юромелного сигнала малой амплитуды, вводимого в зондовую цопь. Рассмотрена методика измерения ЗРЭЭ в плазме, с периодически юкепявищыисл параметра;/«. Описана методика измерения других электрических параметров плазмы. Проведена оценка времени фор-лирования зовдового слоя, определены предела применимости метода.

Далее рассмотрены оптические метода диагностики колеблэдей-плазмы. Ошсана методика измерения заселенностей 'нижних воз-5уяденншс уровней по поглощению спектральных лишш. Рассмотрена летодика измерения абсолютных интонсивиостей спектральных линий 1 определения .заселенностей внеоковозбудденнше уровней по испусканию спектральнпх линий.

Во второй главе рассматривается КС разряда в режиме моду-шши разрядного тока. Описаны различные подходы в исследовании щнашческях свойств разряда. Приводятся результаты линейной теории ПС разряда в условиях модуляции с учетом ступенчатой ио~ шзацщ. Рассмотрение проводится на основе системы уравнений, »стоящей из уравнений баланса электронов, метастабильных ато-зов и вираяешш тока разряда. *

■ ш

сИ: '-от

иЧ *

. о).

£ £

•де . Предполагается, что г.оклгелтащля

электронов распределена до радиусу согласно функции Бессиля;

j(i) - сила разрядного тока, Ив , Л^ . Пе - коодентрадш нормальных и мегастабдлышх атсшв 'и электронов; а.оы- <6"0)и Ь> и =<%;&> ~ скорости реакции прямого возбулдения и прямой ионизации;' и йтс - скорости разрушения иетастаблльного уровня электронным ударом и ступенчатой ионизации; íe - подвижность электронов, Ц - радиус трубка.

Рассматривается случай калах глубин модуляции разрядного

тока:

т*, (4)

Тогда величины £(í) , (t) , ^(i) также модулируются: Иг £, fi'

"И

.tlJÍ

, , ' HJth Мы*Nj"* ' <5)

Постановка (4) и (5) в систему (1-3) и линеаризация ее дает систему уравнений относительно комплексных амплитуд Eí . /Vt , Н( . .Из решения этой системы получайся амплитудно-частотное и разово-частотные характеристики колебаний параметров гиазыа. Далее рассматриваются два предельных случая, при которых общие решения укрощаются: •

I. Основную роль в образовании заряхешшх частиц "играет прямая ионизация. В этом едучао амплитуды колебаний -оиценгра-цш электронов и напряженность продольного электрического поля меняются о частотой монотонно. Заметные изменения этих величин могут иметь место при частотах У? j-j.-^-

Случай чисто ступенчатой ионизации. В о том случае частотна зависимости шшшгй колебаний параметров разряда могут шет^ максимум. Причем максимумы достигаются ври частотах . V - ¿f-/? (щ ' Таз! КаК 0ЙН'ЧН0 Е разряд« 'Uieei мзото не-

равенство '' jlss J- + c( ft i so характерные частоты, при кото. , , ^ . . ■ .■ : '■ . • V4

ркх тщс) зокеяте эдезкга в годуляцки концентрации

электронов, я напряженности продольного электрического поля, в случо? .ступенчатой ионизации существенно меньше, чек в случае прямой ¡ионизации.

Додучешще в этих часишх случаях зависимости амплитуд и фаз колебании концентрации электронов, засоленностей метаста-бильннх уровней и напряженности продольного электрического поля < приводятся в видо качественных кривых. ,

Далее дао? кстод применялся к разряду, находяцемуся в режиме ступенчавд яшя.з.ацпи-рекомбинащш. Из полученных результатов следуер, щв % рещте рекомбинации при довольно низких частотах модуляция разрядного тока напряженность продольного электрического поля подвергается колебаниям с глубине»! модуляции, превышающей глубину модуляции разрядного тока.

.Приводятся результаты экспериментального исследования колебаний малой амплитуды электрических л оптических параметров разряда в гелии н неоне. Экспериментальные результаты сравниваются с лолученяыщ теоретическими аыллатуто-чаеттыт я флзово-час-тогяьш характеристиками колебаний шщентращш электронов, напряженности продольного электрического поля и заселенноетей мета-стабильных уровне^!.

Третья глава посвящена экспериментальному исследовании сильно модулированного разряда.

В случае малых глубин модуляции, когда применима линейная теория, экспериментальное изучеше свойств положительного столба в условиях модуляция разрядного тока сзодится к тому, что измеряются аыплитудн и сдвиги с[пз колебаний продольного электрического поля, концентрации электронов, заселенностей низших возбужденных уровней и интенсивности свечения /9/. Так как при малых глубинах модуляции экспериментально трудно заметить нзкз-нения функция распределения электронов по энергия!.!, то делается предположение, что она имеет такой же вид, как и в случае ста* ционарной плазмы и зависит только 01 £/р . Чтобы иметь возможность экспериментально научать изменения по фазам ФРЭЭ, необходимо было исследовать разряд при больших глубинах модуляция разрядного тока.

С другой стороны, получении в работе /12/ эффект усажения

сьста объясняется пзиененпе.м вида ipjuiщл распределения электронов по знерглш.;. пз-за отсутствия методики непосредственного измерения «й/шда распределения с плцзш с гориодц-чеог.й t»-н/.а'ци.'.нся парл:.,етр:и:п, эксиорнгиок'.'алшо ото предположение не ировериюсь, и авторы ограничились результатами численного решения кинетического уркгшешш Больцнапа /XX/.

С целью изучения процессов возбуждения и ионизации с учетом изменений ¡¡¿унхцш распределения по фазам. При давлонш Р = 0,6 Тор, средней ¡изрядном токе = 50 гА, частоте коду-ляцин V =• 3 кРц я при глубине модуляции разрядного тока t3 - 60>¿ одновременно подрядись слеедщпе величины:

1. Изшнеше тока ко периоду.

2. функции расирзделешы электронов в раз.шчлих 'фззах.

3. Изменение концентрации электронов по фаза;.!.

4. Изменение напряженности продольного электрического ■поДя по фазам.

При отих условиях преобладает ступенчатая ионизация. Причем частота, при которой /мшо било очищать зянетаые азманеняя продольного алектрлчеекого поля, равнялась V„ к 3,6 кГц. Выбор частоты дадуляция бил обусловлен теп, что частота V =3 ¡cTi близка к V5 , т.е. при этой частоте молено получить интересные результаты.

Функция распределения электронов по энергиям измерялась б восьми фазах. В каздой (]озе измерялся ток при потенциале пространства, и но измеренному тону на "зонд при потенциале пространства находилась коицетрацля электронов. Результата измерений показал;!, чт.ч илзет tifoso значительная ¡.'.одуллция электрического поля и концентрации-электронов. Колебания концентрации электронов отстает по газе от колебании разрядного тока, а колебания электрического ноля оперехешэт колебания разрядного тока. Это кйчествеияо согласуется с выводами линейной теории, рассмотренной в гл. П. ФР в <|&зах, соответствующих большим значениям поля, имеют большую долю быстрых электронов.

Из теория модулированного разряда без учета ступенчатой ионизация следует, что при частотах ок< - , со« концентрация злектронов меняется в с(азе с то кои и имеет приблизительно такую же глубину модулящш, что я разрядный ток. При

íw»i поло ii, слсдои.-тетыю, электронная температура почти не ,;одуллруотся. В птп:д условиях -- ~ (МО5 сек , -|r ~ ~ 3.IGÜ coi:-3-, íüísa.íO4 ортГ1. Таким образом, с точки зро-шя теории, но уч::т;'г>'1:х'ок ступслчатуп попнзатго, тзнпопрпваден-100 услозис гелостп частот достсючно хоросо TZ*п:*ушяотся, и юэгому поле долгло слабо .'.годулпропагьсл.

Учет ступег.ччто:: дояазкки п.шгюдлг к ::¡:o:.;y результату. Из >тон теории следует, что при ипг;л:; услаш.чх уме np:i ro~2.ÍÜ^ceiC* далгла бить заметная олокчш'-сгогэ пелл. $:mnoct:it

>тот результат могло понять следу»дпм оЗрлзсм. В условиях сту-тенчатой пенпзацви щм язионснап разрядного тока с круговой шетотой, заплаченной ме;пу частотой ¿кСкпэляргсЯ дп^Тузчи и iacT0T0:í ухода мстлстмбилмшх атомов, отьстотвел.'пл; за ступен-1атуп ионизаздп, ыстастабклк -ко успсзгэт покинуть газорозрядш.-íi х5т,ем, а как Си получается остаточная заветсякоя илк эаклгеишая югшзавдя. Это приводит к тому, что кокмолтрадня слсктрснсв ¡подает' медленное, чем разрядямл ток, и падает скорость нониэа-ин; п поле.

Измерялись заселенности четырех нимннг. возбудцекнкх уров-ieL п различила (газах модуляции поя условиях F=0,6 Тор, /р =50 гЛ, У = 3 кГц. Измерения пеглегакия ча лилиях

=667,8 иГЛ я ^ Я =587,5 r'.í показали, что сзсолончостн 'ровней 2*Рт и значительно ссньае эзселе-шостеИ урошеП : Sq п 23Sj, и их вкладом в ступенчаты? процессы могло ::ре-¡ебречь.

Для расчета хода концентрации возбуискь-кх атомов го лерц->ду на уровнях 2*Sq и 235j била сосгавлэча система урэтяяииД ¡ля четырех шгшах уровнен гелия. Реэульпти, чвек-ятего реаеция !TO-t скстекн дали удовлетиорптелькое согласие е езмзренгагш за-:еленностяш! с учетом логг ешюоти при гк^ислены f'.o.víряциептсв, ¡ходящих в эти системы.

В четвертой главе чсоледуется разряд с ппрзис.'.ннм сечоли-« в гсмуи. Появление двоПнсго эдоптряч-.'сгогэ с-ел перед оуме-;пем разрядкой трубки и отзааюго с лмч скьчк-з 'гстнзнага поит гртс'.ести к разрзюн:м в ойлйся: ДС. ilj ох-?д.я , 13CTJ4JÍ ускоряется и ¡;рл соудгртг'Лх ьг.гль ir :-н чиэ ш i (кгульсп передаемся а?отп к аддт-гулж ;k..v¡ -льм-п ra?j. fc.-o

подводит к вытеснению газа из области ДС. При достаточно бол1 лщх плотностях разрядного тока уменьшение плотности газа ста новигся настолько существенным, что ухудааются условия образе вания новых ионов. Увеличивается скачок потенциала в ДС, возрастает активное сопротивление плазмы и Для подцерлашш разря да требуется более внеокое иекзлектродное напряжение. Достпхе кие предела ионизации монет вызвать либо полное прекращение тока, либо уменьпекие его. Прекращение и ли снижение тока веде к уменьшению разреаения газа в сужении, что вновь приводит к возрастанию тока. Процесс нарастания и спадания тока повторяе ся периодически, возникают колебания тока /I/.

Исходя из вышеизложенного работы, посвященные исследован ДС в ПС разряда подразделяются на два группы: Первая группа -это работы, в которых исследуются колебания и обрыв тока ври наличия сужения в ПС низкого давления и работы, посвященные и следованию ДС вблизи критического тока. Вторая группа, к кото рой относятся описшаекце в четвертой главе работы'- исследох 'ние ДС при низких плотностях тока, вдали от критических значе ний разрядного тока.

С точки зрения прлчин возникновения и формирования ДС большое значение имеет изучение процессов ускорения электроне и изменение формы ЗРЗЭ, процессы возбуждения и ионизация в об ласти ДС, образующегося з сукенил разряда в трубке, состоящей из двух отрезков разного диаметра. В такой трубке в каждом из ' отрезков имеется определенное распределение потенциала и лишь в области сужения потенциал круто возрастает. В этой области на ФРЭЭ образуется вторичный максимум, который с ростом потек циала сдвигается в сторону большое энергий. Наличие перемещая щегося вторичного максимума па ЗРЭЭ приводит к тому, что в пр дольном направлении изменяется ремы возбуждения различных си тем уровней из-за различных энергетических зависимостей сечен одиночников и триплетов.

!' Исследуемый разряд создавался в стеклянной цилиндрическс камере диаметром 55 и длиной 700 мы. Подвижная система электродов ж зондов позволяла проводить аксиальные и радиальные измерения в области сужения столба. На осноааиди измеренных <1 распределений потенциала и концентраций было'получено:

1. Вдали от сужения в сторону катода потенциал изменяется линейно. ФРЭЭ, измеренная в этой част! трубки, имеет вид /.а-' рактернш для однородного шло"<игельного столба разряда в этих условиях. 3 этой области концентрация электронов не меняется вдоль оси.

2. В области суг.ения образуется переходная область, состоящая из двойного электрического слоя с электронным пространст-ташш зарядом со стороны катода и пространственным зарядом по-ло;:сительных ионов со стороны анода. Согласно уравнению Пуассона, в этой области изменяется ход потенциала,' розко возрастает поле, электроны приобретают дополнительную энергию, в результате чего ионизация в пограничной области в узкой части трубки сильно возрастает. ФРЭЭ, измеренные у сукення вмеат дополнительный максимум соотьетствуюции группа электронов, ускоренных а ДС. По мере перемащения по круто возрастающей ветви потенциала дополнительный максимум перемещается в сторону высоких энергии. При этом величина вторичного максимума уменьшается и он быстро исчезает в результате упругих и неупругих столкновений с атомами.

'3. В области сугения концентрация электронов резко возрастает, затем падает почти до уровня концентрации в широкой части, в некоторых случаях испытывает несколько таких сильных изменений а выходит на постоянное значение. Такое поведение концентрации связано с эффектом фокусировки электронов, так как ДС в устье узкой части имел форму сферического сегмента, поэтому ускоренные электроны (Фокусировались по направлению к узкой'части. Радиальное распределение концентрации в начало узкой части трубки было существенно уже, чем в более удаленных областях от, ДС.

По измеренным распределениям были рассчитаны числа воз-буздений различных групп уровней с главными квантовш.и1 числами 3 и 4. Результаты расчета, проведенного на оси трубки для.уровней 33Fj- и и измеренных распределений относитепышх ин-тенсивностей линий Д ¡=388,3 нЫ и 501,6 нй показав, что изменяется реайм возбувдешш гржшенюго и сяаглетного уровней. Аналогичные изменения отношений заселешюогей наблюдаются и ддо других одиночников а гршшетов. . .

Произведен расчет ФРЭЭ из кишгического уравдешш по ивто-. 'I ' V • '

-го-

ду, разработанному в /7/. 2се столкновения подразделяются на ктзиупругие и существенно неупругие, в которих теряется энергия, намного превосходяиая характерный энергетический масштаб спада ФР, причем для последних предполагается учет возбу;здешш только одного уровня с энергией ¿t , Такая ситуация часто реализуется в ыюришх газах, в топ число справедлива для условий экспериментов, олисашшх вншо. •

lia рассчлтаннил ОР проявляется группа б.чстрас электронов и по норе возрастания потенциала а та группа перемещается в сторону високих энергии. Результаты расчетов 4P удовлетворительно совпадают с измеренными.

Наличие neреиедомцзгося ьторичного на СГЗЭ приво-

дит к изменении ро-симов возбуждения раадитш":: групп уровней. Так, тршшшше уровни гелия, шеюедс o"*"v:í v-"*.»:^ функции возбуждения, при совпадении. вторичного wnci¡;iy¡.:a vPJ3 с максимумом oiCcKTiinnoro сечслля имеют наиболее) оллгопрпдтныо условия возбуядения. Б этой точке возрастает роль пр/шх ьозбуздений • данного уровня. Это позволило определение спорости некоторых реакции, с участием зозбухдешнк атомзв.

Рассмотрение проводилось на основе слетом уравнений баланса для двух уровней, один из которых является мохчютабййышм и заселяется только в результате прямого Еозбугдеш.д, а в эасоло-шс- второго уровня кроме прямого возбуждения 3r;,Vîïi^a роль играет стуведчдгос возбу-адеше рлектрошш ударш*83 пораого. К стой системе приселялся метод модуляции тока, и лл outoac пз.мэ-реши ггубкш кодуляцил интенсивности спектргльпой линии, испускаемо-! со второго розня иолучопа константа жэросж стулеи-чатого г.озйу«лош1Я 3 7>%. Для этого морехода получе-

но Oír(k. = ;3.IÜ~Scu3c"J-.

Нслкчио страт в лаиокктельнок столбе привод;;!? к колабаазян темнеет.,]!■. к концзнтрг.цид олекгронов, a схокосг.^сльно, и К колебли ■■:•:»■ i гисодгх»» шдаос-к: кзкучепкя грубкк. В работе /4/ во-kíwko. чт- псаолх-яошяао конических разрядное трубок с аосьма jр.-.овиорз взамен цлшдрпчеока;: шзВйДЯО® заметно „.с-.х ;:xr¿ сс> ;<:oMi. суг.с-ствовлшш сакосопбу^хдася йогу-M'/j; с--' ;т г.т тггу Л гак как малоЛдм отепления

:ы у ; .ч: v;,>i к н^г.гттлиюсп: презодят к ртагйыу с?-

).:ешю области параметров разряда, соответствующей границе существования страт, переход к коническим трубкам открывает широте воз£.;о;.уюсги по стабилизации работ газовых лазеров. Поэтому важно было изучать функцию раенредолешш олектроиов i;o энергии.! в гаи к трубках, та;: дак скорости возбуждения, ионизации и других элементарно процессов определяется видом функции распределения. Покорения ФРЭЭ показали, что в том случае, когда трубка сулпстся в сторону анода. £Р богата быстрыми электронами по сравнении с тем случаем, когда разрядная трубка расьпряется ь сторону анода.

В пятой главе приводится результаты исследования ДС в области сужения разряда в ртути. Ouncanu результаты ьвшрюшК распределения потенциала, ФРЗЗ, концентрации олектроиов и донов а области ДО. Обнаружено разделение пола-кителыглх п отрицательных пространственных зарядов. Получена <Ж)Э, с дополнительным ¡.'.аксюдуиом соответствующий группе электронов, ускоренных в ДС. Установлено изменение резит возбуждения разливших систем онер-гетичоских уровней.

Измеренные распределения концентрации электронов и ионов показали, что в области сужения концентрации электронов и ионов резко возрастают, затем падают до уровня концентрат»! в уз-коп части. Концентрации электронов и ионов а целом смещены в анодную сторону относительно максимума напряженности электрического поля.

Электроны, ускоренные в ДС приобретают дополнительные знер-гли, увеличивается число ионизации, вследсгикз чего концентра-цпи заряженных частей возрастают в сторону высокого потенциала от ДО. Кривая распределения концентрации электронов.сисщена в сторону катода относительно распределения концентрация ионов. Зависимости измеренных потенциала • пространства V„ и плавающего потенциала Ve от расстояния показали, что изменяется расстояние мезду vn и V; . Это связано , со значительными изменениям» фор;.ш ФРЭЗ. ДС в устье узкой- части имел форму сферического сегмента и поэтому ускоренные электроны фокусировались по направяеаиа. к узкой части. Радиальное распределение кон- - • центрацаи электронов а начале узкой части трубки было существенно уже, чем в более удаленных областях от ДС.

В результате ускорены электронов в ДС на 4РЭЭ образуется Еторичшй максимум- Дополнительный: максимум на ФРЭЭ, измеренных на резличша расстояниях от сужения соответствует группе элек- , тронов, ускоренных в ДО. По мере перемещения в сторону анода дополнительный максимум перемещается в сторону высоких энергий. При это» величина вторичного максимума уменьшается в результате упругих и неупругш: столкновений с атомами.

По измеренным распределениям бита рассчитаны числа 'возбуждении различных групп уровней. Изменение рекимов возбуждений триплетпого и сяяглетного уровней связаны с наличием перемещающегося максимума на ФРЭЭ я различной энергетической зависимостью эффективных сечений этих уровней.

Метод-определения скорости реакция ступенчатого возбуждения в гелии, применялся также для изучения скоростей реакций с , участием возбужденных атомов ртути в нестационарном двойном слое разряда. Атом ртути шзет подобную систему сингле тюк и триплс-тних термов и эффективные сечения позбуздения этих систем термов имеют такие яе энергетические зависимости как в гелии /6/. Поэтому в области сужения разряда в ртутя также наблюдается излечение отноисяий интенсивна. " ^¿л*'ральных линий . испускаемых. с тряпяетннх я сингяетных уровней. Для спектральных линий с различными функцаяш возбуждения в разных точках разряда возникают разлпчнне условия возбуждения. Поэтому при модулями тока разряда, содержащего сужение, вблизи области ДС интенсивности разных линий модулируются по разному. Амплитуда и разовые сдвиги, колебаний идтеясивностей определяются элементарными процессами, происходящими в данной точке. Применяя метод линеаризации для решения нестационарной системы уравнений ба-лалса, и подбирая условия, были определены скорости реакций с участием возбужденных атомов ртути скорости реакций ступенчатого возбуждения 63Рг> -* и передачи возбуждения электронным ударом

Полученные результата приводятся в таблице.

(63Р2 - т^)

1,4-ХО"7 ci.iV1 5,45-1С"5 см3с-1

Шестая глава посвяцена изложению результатов но получению и исследованию флуктуирующего ДС в бесстолкновятелыюй плазме разряда в ртутя с И-хс^ ^ • Источником плазкн являлся дуговой разряд мелду хадки.м ртутили катодом и полым электродом. Проходя через отверстия вдоль однородного шгштного подл, плазма попадала в вакуумную камеру с кварцевш/л стояками, внутренний диаметр которой составлял 12 см. При плавающем потенциале анода в камере образуется бсстоковьй спокойный плазменный столб. С ростом потенциала анода относительно потенциала плазмы анодпш ток экспоненциально возрастает. Увеличение, потенциала анода вниз потенциала пространства приводит к наснщени» электронного тока и образованию прааподаого двойного слоя. Повышение потенциала анода но изменяет распределение потенциала вдоль плазменного столба, так как электрическое поле не проникает в плазму и весь приложенный потенциал сосредотачивается вблизи анода. При определенном потенциале анода пряанодннй слой отрывается от поверхности анода и движется в сторону источника плазмы.' Таким образом, регулируя ток на анод, моисно устанавливать ДС на желаемом расстоянии от анода. Увеличение индукции магнитного поля я снижение давления паров ртути приводят к перемещению ДС в сторону анода. ДС не яшжется стационарным л все время находится в нерегулярном движения в продольной направления о амплитудами порядка ширины ДС. Кроме того, имеются флуктуация профиля л'падения потенциала на ДС»

Нсслздоваяиз свойств ДО в приведенной установке проводилось при давлении пароз ртути 10"^ ш рт.ст, индукция шгяит-ного поля 25 Гс и токе' анода 300 При о тих- условиях деба-евсхий радиус'имел порядок Ю-2 см, а длина .свободного пробега электронов - несколько.метров. Толщина ДС составляла величину порядка нескольких миллиметров я приблизительно на порядок превышала дебаеаскув длину. Падение потенциала в ДС било ~ 203 а примерно _в 2 раза превосходило потенциал ионизация ртути. ; Электронная температура в пучке бнла эВ. Область скачка потенциала отделяет тал называемую катодпуп плазму с низким потенциалом от анодной плазмы с более высоким потенциалом. В, этих областях потенциал изменяется слабо.,! • . "'.• ; /,>>.

Потенциал катодной влазш отрицателен .'относительно заэем- ,

• лешюй входной диафрагмы, а амплитуда флуктуаций потенциала в этой области мала по сравнении с амплитудой колебании погенци-

, ала анодной плазмы, где потенциал флуктуирует почти когерентно с флуктуащтями ДС. Радиальное электрическое поле в катодной плазме направлено внутрь, а в анодной плазме - наружу.

Измерения пространственного распределения электрического поля при частотах несколько десятков кГц, проведенные с поиощыо I двух подви/шых зондов с фиксированным расстоянием 0,5 см ыезду ними, показали, что низкочастотное поле имеет максимум около ДС, где его амплитуда на порядок выше, чем в окрукавдях областях. Однако для более низких частот были получены пространствея-, ные распределения с более пологим максимумом, а в некоторых случаях - даже с двум максимумами. По /14/ это означает, что в этом случае основным источником флуктуаций является аксиальное двяяенио ДС целиком, а более высокочастотнне поля связаны с изменением просиял потенциала в ДО. Зондовые характеристика и их производные измерялись в определенные №....... когда потенциал

плазмы в точке расположения измерительного зонда находился на ' заданном уровне. Измерения проводилась на 5-7 уровнях потенциала в обоих направлениях пересечения данного уровня. Одновременно производился счет запускающих импульсов. Из катодной плазмы ' в область ДС приходят свободные электроны, часть которых отражается от минимума потенциала у ДС, Глубина потенциальной ямы у ДС с катодной стороны определяет концентрацию' пролетных элек-, тронов. • • '■

В области ДВ электрона ускоряются и образуют пучок с раз-'бросом энергии пэряцка нескольких тВ. Ускорешшс в ДС электроды увеличивают вероятность ионизации ла несколько порядков, и отот процесс является «¿¡шястзешшм источником положительных ионов в анодной плазме. Мот, ускоренные в ДС, исчезают в катодной •

• рлазма в результате перезарядки. После прохождения электронов черен ДС, по пкодауо сторону ла расстоянии нескольких сантимет-

■ шя от ,ЦС пучок быстро рассеивается, хотя распределение электронов сохраняет характер аггравденностк на протяжении всей анодной плазмы. 'Это укгзк-зает ка як!еисивии2 эпергообмен- ыозду 02о".т;»-.намв пучка и гкоз.уы.

":;.'.:ерел:1Я, лроьедекк'.'е при частотах 'от £00 МГц до 700 МГц,

показали, что пространственное распределение амплитуды высокочастотного полл имеет максимум в анодной плазме, счецсшшл приблизительно па несколько см от ДС. Амплитуда поля имеет, максимум вблизи плазменной частоты. Пространственно коррелированный измерения показали, что эти высокочастотные колебания распространяются в сторону анода с постоянней (Тазовой скоростью, на 10-20;? ниже скорости пучка электронов. Эти с]акти подтверждают механизм энергообмена электронов пучка и плазмы посредством возбуждения волн пучком, а затем передачи энергии водны нлаз-менним электрик v,

В условиях н/л'шх экспериментов плазменный столб находился в продольном магнитном поле /электроны замапшчоны, а но пи -кет/. В поперечном направлении электроны но могли уходить на стенки из-за замагпиченн'ости, В осевом направлении (о торцов) падение потенциала на ДС не позволяло электронам покинуть анод-нуэ плазму (АЕ) в катодную сторону. Таким образом, уход олектро-нов- из анодной плазмы определялся прианоднш поденном погонцна-ла. Поэтому, с целью изучения роди прианодного падения потенциала в балансе числа электронов в All, нами била измерена с помощью многосеточного анализатора глубина потенциальной ямы у анода. Наиболее вероятные значения глубины потенциальной ямы соответствуют интервалу значений от 3 до 6 В, хотя в некоторых случаях эта величина может достигнуть значения 7-8 В.

В заключении кратко изложены основные результаты работы: I. Разработана теория ПС разряда в условиях модуляции с учетом ступенчатой ионизации. На основе анализа решения системы уравнений, состоящей из уравнений баланса концентрации электронов, заселепностей метастабильнцх уровней и выражения тока разряда получены амплитудно-частотные а фззово-частотпко характеристики колебаний концентраций электронов, заселешюотеД мета-сгабильчых уровней и электрического поля. Утя характеристики в случае ступенчатой ионизации качественно отличаются от чястот-ных характеристик столба в условиях чисто прямой ионизации. В случае ступенчатой ионизации характерные частоты, при которых начинает проявляться заметная модуляция электрического поля по-' -лучаются на порядок величины нижа чем в случае прямой ионизации. Причем в случае ступенчатой ионизации амплитуды колеблющихся ве-.'

личин йогу г иметь максимум при частотах порядка X О-ТЗГ^Г^и),

. в то время как в случае прямой ионизации они меняются с .частота! монотонно. '

2. Теоретическое рассмотрение ПО .разряда в рекиме модуляции разрядного тот распространено на случай ступенчатой ионн-

; зации-объсмной рокоибклаади. Полученные -амкшиудно-чостотнко и разово-частотные характеристики показали, что в решке рекомбинации характерные частоты, при которых начпнапт проявляться заметные аффекты в модуляции продольного электрического поля смещаются еще низке. При очень низких частотах электрическое поле подвергается колебаниям с глубиной модуляции, превышающей, глубину модуляции разрядного тока.

3. Разработана методика измерения т -ру.-их электрических и оптгчоскях характеристик колеблщенея плазмы, с периодически изменяющимися параметрами.

4. Экспериментально исследованы амплитудно-частотные и фа-'зово-частотнне характерце шел колебании малой амплитуды электрических ц оптически параметров разряда е условиях: а) прямой ионизац-ш-амбянолярной диффузии, б) ступенчатой ионизация -амбкполлрпой ди'ЪТтузип, в ) ступенчатой ионизации - объемной рекомбинации. Проведено сравнение с теоретически:,:и результатами.

5. Измерены в различных йазах колебаний тока разряда ([тыкаем распредотения и концентрация электронов, напряженность продольного электрического поля, 'заселенности метастабяльных и из-лучевдк уровней. Обнаружен эффект- модуляции электрического поля и изменения ФРЭЭ по периоду ври частотах ни~е обратного временя амЗалсл^рной диффузии. На основе этих измерений установлен характер процессов возбуздення и ионизация в различных сазах колебаний.

6. Изжарены 1>КЗЭ в области двойного электрического слоя,

. образующегося вблизи изменения сечения плазменного столба раз-тлдс г гежги. Еолучени распределения со вторпчзым максимумом с0ч)г'\:''сг;1.7!:':;ек ускэдосши в ДО электрона*. Экспериментально ;:сс.\едсга:'а структура слоог, пространственных зарядов и установлю >:-.-р:. ум-зтелвавя потенциала и ЖЭ с этой структурой. П.ччк.слек - йз кинетического урегкеягз. Изучены про-

цессц возбуждения и ионизации в области ДС и обнаружено измяне-ние ретлков возбуздекяя различшх групп уровней гелия. Па основе изучения динамики двойных электрических слоев в области сужения разряда определены- констант скоростей реакции ступопча-того возбуждения атома гелия.

7. Исследогана структура прострадстпешшх зарядов и установлена связь распределения"потенциала и [1-РЭЭ разряда с переменней сеченном в ртути. Разработан;1.;.! метод модуляции разрядного тока применен к ДС в области изменения ссчопия разряда и получена константи ступенчатого возбухюнил и передача возбуждения злектрошина ударок д:сг«у и-сокотозбуггдешшгш уровнями ртути.

3. Получины и исследованы дооЛиыо электрические слои в бесстолнновкгельно;: плазме со сиачеиием потенциала, превосходящим эквивалентнуи олег.трелную температуру на порядок. Измерены СРЗЭ, распределение потенциала и концентрации электронов п катодной и аподпол плазме, в области ДС. Устансьлен характер релаксации ускоренных в ДС электронов.

9. Разработан метод диагностики флуктуирующей плазмы. Развиты различимо модизмерений зоидовюс аольтышорвих характеристик и их производных. Исследована роль флуктуирующего анодного падения в балансе числа электронов в анодной плазме.

Все перечисленные результата получини впервые.- Результаты комплекса проведенных исследовании позволяют заключить, что в работе сделан пракццпаальниЛ пиг в развитии предстшшишЗ о динамических свойствах разрядов, школящихся в рекше ступенчатой ионизацки-амбииолярной диффузии и ступенчатой ионизации - рекомбинации, а такме процесса ускорения электронов л формирования £РЭЭ в неоднородной плазме разряда при низких давлениях.

Полученные в диссертации результаты могут применяться при разработке различных газоразрядных источников света, ■ иошшшл их эффективноеш излучения, выборе оптимальных рабочих условии. Результаты-изучения фтчсских процессов в неоднородной плааме могут быть полезными при рациональном выборе конструкции и ро-жимов работы плазменных источников ионов и источников света. Результаты исследования ДС в бесстолкловитегаюй плазме могут использоваться для объяснения присутствия быстрых зарпжяних частиц в магнитосфере Земли и явления полярных сияний.

Разработанные в диссертации методы и техника эксперимента могут использоваться для решения широкого круга задач, возникающих при исследования слабоионязованпой плазмы.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Грановский В.Л., Суегин Т.А. Использование обргаа тока в . дуге низкого давления для генерации незатухающих электрических колебаний // ST<5. - 1947. - т.17. - J» 3. - с.291-298.

2. Грановский З.Л. К теории иестационарюго состояния электрического разряда в газах //ДАН СССР. - 1940. - т.26. - Л 2.-с.073-879.

3. Лавров Б.П., Симонов В.Я. .0 слоях объемного заряда в при' анодной плазме шно- и дуоплазматронов // 21Ф. - 1978. -

т.48. - Jt 8. - с.1744-1746.

4. Маслова 1.И., Савчешсо И.А., Швялкяи •_____ ^тратц в конических разрядных трубках // Физика плазмы. - 1284. - т.10. -

JS 4. - с.808-€14.

5. Специальный практикум по газовой электронике и физике плазмы под ред. // Солнцева Г.С. - М. 1S88. - Изд-во ШУ. - с.84-98.

. 6. Фрпи С.Э. Оптические спектры'атомов. - М.Д. - Изд-во ф. :,1Я. I9S3.

7. Цендап Д.Д. Функкця распределения электронов слабононизован-iiofi плазмы в неоднородных электрических полях. I Малио полл: баланс энергии определяется квазиупругпми соударениями // Физика плазмы.' - IS82. - т.8. - I. - с. 169-177.

8. Alfven Н. Electric currents in cosaic plasnas // Sev.

Geophys. Space Phys. - 1977. - v.15. - P. 271-27?.

g

• Deutsch H. Pfau S. Untersuchungen Zua dynamischen Verhalten der positiven Säule stronschwacher Entladungen bei mittleren Drücken // Beitr. Plasna Physik - 1969. -

B.9. - h. 2. - P. 129-140. Ю. Deutsch H., Rutscher Ziemann H. Nichtlineare Effecte in dyna-Jichen Verhalten der positiven Säule stromschvacher Kiederdruck entladuneen // Beitr. Plasna Physik - 1972. -b. 4 2. - h. b. - 149-156. '

II. Polin.-. J. , Van dar Wort J'.S., Drop P.C. Ifonlinear effecfcc ir. thc positive ooluas. c£ s. ctroncly ¡r.odulated aercury -

rare gase discharge // Journ. Phys. Dj /ppl. Phya. - 1972. -v. 5. - И 2. - P. 266-279.

12. Pollan J., Van dar '.Veri J. E. Enhanced light emission from a positiv ooluiin by aeons of current modulation // Appl. Phys. Lett. - 1970. - v. 17. - H 4-, - P. 153-161.

13. Quon B.H. , V/onr; Л.У. Pornation of potential double layers in plasmas //Phys. Hcrvew. Lett. - 1976. - V. 37. - N. 21.

- P. 1393-159S.

14. Torven S., Lindberg L. Properties of a fluctuating double layer in a niaenctised "plasaa colunn // Journ. Phys. - 1980.

- v. 13- - P. 22S5-2300.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОЯУШЖОВАНО В РАБОТАХ:

1. Абдуллаев P.A., Мурадов А.Х. О колебаниях параметров разряда в неоне в режиме рекомбинации // ДА.Н Азерб.ССР. - 1990.

- т.46. - И 3. - с.31-36.

2. Гарнбов Г.И., Гусейнов Т.Х., Мурадов А.Х. Исследование процесса зажигания разряда а ФРЗЭ в конической трубке // Труды 1У Всесоюзной конференции по физике газового разряда. -Махачкала, 1988. - т.2. - с.23-25.

3. Гарибов Г.И., Гусейнов Т.X., Мурадов А.Х. Исследование функции распределения электронов по энергиям в положительном столбе разряда в неоне в конической трубке // Известия • АН Азерб.ССР, серия фкзико-матем. - 1989. - J'¡ с.67-70.

4. Гусейнов Т.Х., Мурадов А.Х. Двойной электрический слой в разрешенной гелиевой" плазме // Известия Б1У. - I9S2. - Jé I.-с.22-28.

5. Гусечяов Т.Х., Мурадов А.Х. Изучение скоростей реакций о участием возбужденных атомов в нестационарном слое разряда // Всесошная конференция по спектроскопии низкотемпературной плазмы. - Петрозаводск, 1990.

6. Гусейнов Í.2., Мурадов А.Х. О слоях объемного заряда в области сужения разряда в ртутя // Теплофизика Высоких Температур. - 1991. - т.29. - J6 4. - с.821-823.

Гусеыюв Т.Х., МурпдозЛ.Х. К физической природе ускорения электронов в двойном электрическом слое // Сб. Кинетические и оптические явления в сродах. - Баку'. Кзд-во БГУ. 1990. -с.71-72.

8. Гуссинс- Т.Х., Мурадов А.Х. Исследование процесса ускорения электронов в разряде с сужением в геллп // Ж. - 1991. -

т.61. - .'5 5. - с.130-134.

9. Данилов !Д.Ф., Каган Ю.1.1., Шленин В.!,!., Мурадов А.Х. Исследование электрических параметров полотательного столба модулированного разряда в гелии п смеси гелий-неон // ЗФ. -1975. - т.45. - У: II. - с.2425-2427.

10. Каган Ц.У., Лягуцеяко Р.Н., Шшешш В.М., Мурадов А.Х. 0 моду лировагно.м рзяпме поло-отельного столба разряда // 1ТТФ. -1975. - т.45. - ^ 5. - с.1С19-1025.

11. Каган Ю.М., Милелин Б..М., Цурадов Л.Г .^лозаше оптических параметров положительного столба модулированного разряда в гелии // Оптика и спектроскопия. - 1376. - т.40. -

Я; 2. - с.235-239.

12. Каган Ю.М., Ыиленлн В.М., ¡¿урадов А.Х., Быков В.И. Исследование электрическое и оптических параметров положительного

: столба модулированного разряда // Труди 1У Всесоюзно:! конференции по физике низкотемпературной плазш. - Клев, 1975.

13. Мурадов А.Х. Динамические свойства пожога:тельного столба модулированного разряда с учетом рекомбинации // 1У'Республиканская межвузовская конференция по физике. Тез. докл. -Баку, 1978, с.113-115.

14. Ыурадоз А.Х. Разрушение триплетного .метастабильного состояния атома гелия электронным ударом в положительном столбе разряда // Республиканская каучно-техн. конференция "Достижения к перспектива развития радиотехники и электроники: Тез. докл. - Баку. 1982. - с. 94-95.

15. Мурлдов А.Х. Исследование электрических п оптических параметров иэлекктелыюго столба разряда в ре-щмз линейной мо-дуляэдк // Сб. элоктротио я плетя в гзордцх телах и газах. - Б-.гь- Изд-иэ А1У, 1982. - 0.124-126.

15. Мугдгог А.Х. Исследование распределения потенциала и энер-гот::':сс':огг спектра электронов -в области двойного слол в п.- // С;, "ерлзиовпеи:«! процессы з тг.ердотельной л газ о-

бой плазмах. - Баку, Изд-во ЛГУ, 1983. - с.90-94.

17. Мурадов А.Х. Исследование функция распределения электронов по энергиям'в области двойного слоя // Труды У1 Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы. -Ленинград, 1983. - т.1. - с.276-278.

18. Мурадов А.Х. 0 взаимодействии пучок-плазма в области двойных; электрических слоев в плазме // Язв. АН Азерб.ССР, серия физико-ыатем. -" 1985. - й 6. - с.89-93.

19. Мурадов А.Х. Исследование дво'лкнх электрических слоев в ртутной плазме низкого давления // Физика плазмы. - 1985,-т.П. - с.1385-1390.

20. Мурадов А.Х. 0 колебаниях концентрации метастабильних атомов гелия в положительном столбе разряда // Оптика и спектроскопия. - 1985. - т.59. - И 4. - о.901-903.

21. Мурадов АЛ. Измерение зондов;« характеристик и их производных в плазме при наличии колебаний // Теплофизика высо-

• 1шх температур, - 1986. - т.24. - Я- 2. - с.400-402.

22. Мурадов А.Х. К измерению маяах синусоидальных колебаний заселешостей метастабильных уровней по поглощению спектральных линий // Труды XI Международной конференции по атомной спектроскопии. Болгария, Варна. - 1986. - с.235-237.

23. Мурадов А.Х. Измерение пучковой части распределения электронов по энергиям в анизотропной плазме // Прибора и техника эксперимента. - 1988. - & I. - с.150-151. -

24. Мурадов А.Х. О влиянии величины прианодного падения потенциала на баланс числа электронов в анодной плазме с двойным слоем // Сб. Вопросы физической электроники. -'Баку, Изд.

А Г/, 1987. - с.20-23.

25. Муратов А.Х. К динамической теории разряда в ионизационно-рекомбикэционном режиме // Известия БУЗ-ов "Радиофизика". -1988.-- т.31. -И 6. - с.763-766.

26. Мурадов А.Х., Гусейнов Т.Х. Исследование двойного электрического слоя в области сужения положительного столба разряда.// Сб. Физика плазмы я конденсированных сред. - Баку, Изд-во А1У, 1985. - с.31-34,

27. Мурадов А.X., Гусейнов Т.Х. Двойной электрический слой в

области изменения сечения положительного столба разряда // . Труди И Всесоюзной конференции по физике газового разряда. -Киев, 1986. - т.З. - с.452-454, 28. Blosoev А.В., Kacan И., Kolokolov Н.В., Mileain V.M.,

Kuradov Л.Е. The investigation of the modulated disoharco plasma with the help of pulse probe nethode // X1 XCPXG -Prague - 1973 - P. 429. 29. Huseinov Т.Н., Kuradov Л.Н. Electron - impact excitation

у 1

transfer between - 7 Sg states of Hg in nonstationary

discharge double layer // XX ICPIG - Pisa, Italy - 1991. -v, 1. - P. 101-102. 30. Muradov A..H. On the electron energy distribution function in the DL region in the helium discharge constriction // 21 Syraposiun on DL and other nonlinear potential structures in Plascns. - Innsbruck, Austrxe - 1992.