Исследование механизмов формирования пространственных структур в свободно локализованных СВЧ разрядах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

оо

СП О")

! л На правах рукописи

ГОРБАЧЕВ Алексей Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТРУКТУР В СВОБОДНО ЛОКАЛИЗОВАННЫХ СВЧ РАЗРЯДАХ

01.04.08 — физика и химия плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 1998

Работа выполнена в Институте прикладной Физики РАН, г. Нижний Новгород

Научный руководитель: доктор физико-математических

. наук А.Л.Вихарев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Н.Л.Александров

доктор физико-математических наук, профессор Г.А.Марков

Ведущее предприятие: Физический факультет Московского

государственного университета им. М. В .Ломоносова

Защита состоится 27 апреля 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К 003.38.01 в Институте прикладной физики РАН (603600, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан 26 марта 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

А.М.Белянцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы. Практический интерес к неравновесным газовым разрядам, создаваемым пучками сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного излучения, связан с возможностью получения плотной, неравновесной плазмы, удаленной от электродов, стенок разрядной камеры и источников энергии. Эти свойства делают перспективным использование СВЧ разряда для создания искусственного радиозеркала в атмосфере Земли, в качестве активных сред в газовых лазерах и в различных плазмохимических приложениях, среди которых в последнее время активно исследуются возможность очистки атмосферы Земли от фреонов, восполнение убыли озона в области озоновых дыр и напыления алмазных пленок.

Такие разряды в зависимости от длительности и мощности СВЧ излучения, давления и сорта газа, конфигурации начального поля обладают весьма сложными и разнообразными пространственными структурами и существенно различными параметрами разрядной плазмы.

Многообразие типов разрядов (и, соответственно, типов их структур) может быть классифицировано по различным признакам. В данной работе в основу положена длительность СВЧ импульсов. Это сделано по следующим причинам. Формирование структуры разряда происходит в результате воздействия различных процессов, которые характеризуются разными временами. При достаточно больших величинах электрического поля и малой длительности СВЧ импульсов практически единственным механизмом образования свободных электронов является ионизация нейтральных молекул электронами, получающими энергию от электромагнитной волны. В соответствии с этим, форма разряда определяется структурой поля, которая в свою очередь формируется в результате взаимодействия электромагнитного излучения с образующейся разрядной плазмой. Характерный временной масштаб этого процесса при высоких давлениях обычно лежит в пределах от единиц до нескольких сотен наносекунд. При больших (микросекундных) длительностях СВЧ импульсов становится существенным нагрев газа, который в области начальных давлений, когда частота соударений электронов с моле-

кулами превосходит круговую частоту электромагнитной волны (у>со), оказывает существенное влияние на частоту ионизации в результате уменьшения плотности газа. Это приводит к развитию ио-низационно-перегревной неустойчивости и в результате в плазме образуются тонкие яркие плазменные нити, параллельные вектору электрического поля. Другим механизмом формирования нитевидной структуры разряда является вытягивание плазменных нитей в результате последовательного пробоя газа в области локального усиления поля, возникающего на мелкомасштабных плазменных неод-нородностях (конце нити). В непрерывном СВЧ разряде в результате накопления различных активных частиц (радикалов, возбужденных частиц, ионов разного сорта) процессы рождения и гибели электронов весьма разнообразны. Поэтому форма области, занятой плазмой в значительной мере оказывается связанной с этими процессами.

Для практических применений СВЧ разрядов в ряде случаев бывает необходима высокая степень однородности плазмы, в других - формирование структур с высокой температурой и концентрацией электронов приводит к увеличению эффективности плазмохимиче-ских процессов. Поэтому изучение взаимосвязи параметров разрядной плазмы и структуры СВЧ разряда имеет важное значение для практических приложений. В тоже время СВЧ разряд является примером нелинейного взаимодействия мощного СВЧ излучения со средой. В нем возможно развитие целого ряда неустойчивостей, имеющих различную природу. Их действие существенным образом сказывается на структуре разряда. В связи с этим исследование механизмов формирования пространственных структур в СВЧ разряде несомненно представляет самостоятельный интерес и для физики газового разряда.

Цель работы. Предлагаемая работа прежде всего ставит своей целью изучение механизмов формирования пространственных структур СВЧ разряда для выяснения способов воздействия на параметры плазмы в разрядах различных типов. В работе на различных примерах продемонстрировано, как в результате формирования структур газового разряда меняются параметры разрядной плазмы, и

как это влияет на различные процессы, происходящие в газе под воздействием такого разряда.

Научная новизна.

1. Выполнены экспериментальные исследования образования озона в наносекундном СВЧ разряде в воздухе при различной пространственной конфигурации начального электрического поля. Использование наносекундных импульсов позволило впервые получить преимущественную генерацию озона (при небольшом попутном выходе окислов азота) в лабораторном воздухе. Определены затраты энергии (энергоцена), идущей на образование одной молекулы озона в разрядах, создаваемых в различных электродинамических структурах.

2. Подробно исследован процесс образования отдельной нити в результате развития ионизационно-персгревной неустойчивости. Одновременно измерены зависимости от времени концентрации электронов и температуры газа.

3. Экспериментально исследован характер движения микросекундного разряда. Измерены скорости вытягивания однородного плаз-моида и тонкой плазменной нити (высокочастотного стримера). Обнаружено, что вытягивание однородного плазмоида прекращается при достижении им размера около половины длины электромагнитной волны. Описан процесс ветвления стримера.

4. Построена численная модель, которая адекватно описывает динамику отдельной нити, возникающей на фоне квазиоднородной плазмы в результате развития ионизационно-перегревной неустойчивости. Для описания процессов нагрева и вытеснения газа использована полная система уравнений газодинамики для плотности, давления и скорости газа. Использование неизобарического описания газодинамических процессов позволило найти характерный масштаб - диаметр плазменной нити, а через него определить концентрацию электронов.

5. Описана новая для СВЧ разряда термотоковая неустойчивость. В результате ее развития происходит расслоение плазмы непрерывного СВЧ разряда на слои перпендикулярные вектору электрического поля.

Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы для выбора типа и параметров разряда (давление или плотность газа, длительность и мощность СВЧ импульсов, распределение начального электрического поля) при конструировании технологических плазменных установок.

Публикации и апробация результатов. Основные материалы, изложенные в диссертации, докладывались на VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991), на XXI и XXII Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Бохум, 1993 и Хобокен, 1995), на совещании Мощные микроволны в плазме (Нижний Новгород, 1994), на конференции Физика и техника плазмы (Минск, 1994) и опубликованы в 8 статьях и в 7 докладах в сборниках трудов конференций.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Наносекундный СВЧ разряд в воздухе является эффективным источником озона. Наибольшая эффективность диссоциации кислорода и образования озона достигается в области давлений газа, когда выполняется условие (v>o) при использовании импульсов с высоким значением начального электрического поля: ZvW»l()~i4 В-см2. Энергоцена генерации озона в верхней атмосфере Земли с помощью искусственной ионизированной области, создаваемой скрещенными ТЕ-пучками электромагнитных волн 3-см и 8-мм диапазонов, составляет 30-40 эВ на молекулу.

2. Использование наносекундного СВЧ разряда, создаваемого полем цилиндрической ТЕ-воллы, для накачки азотного лазера позволяет получить большую длительность лазерного импульса равную длительности СВЧ импульса в результате последовательной генерации лазерного излучения новыми слоями плазмы при распространении разряда от центра к периферии.

3. Самостоятельный СВЧ разряд, создаваемый импульсами микросекундной длительности при достаточно большом начальном давлении газа, когда частота соударений электронов с нейтралами превосходит круговую частоту электромагнитной волны (v>co), существует в трех характерных формах: однородной плазмоидной, нитевидной и стримерной, последовательно сменяющих друг друга в те-

ченис СВЧ импульса. Вследствие развития ионизационко-перегревной неустойчивости в однородной плазме образуется нитевидная струкгура. После появления нитей проявляется эффект усиления поля на мелкомасштабных плазменных образованьях, который приводит к удлинению плазменной нити (появлению стримера). В результате проявления волнового характера взаимодействия электромагнитного поля с плазмой удлинение стримера носит прерывистый характер. В результате возникновения областей усиленного поля на боковой поверхности стримера происходит образование новых стримеров и разряд приобретает ветвящуюся структуру.

4. Параметры п лазменной иит'.; на нелинейной ста дли ионизацч-онно-перегревней неустойчивости определяются в основном начальным давлением (плотностью) газа и слабо зависят от амплитуды начального электрического поля. В рамках линейного анализа использование иеизобарического описания газодинамических процессов позволило найти характерный масштаб - диаметр плазменной нити, который может быть найден, как расстояние, проходимое звуком за время рождения нити. Максимальная концентрация электронов в нити определяется ее диаметром и может быть оценена из условия, что толщина скин-слоя близка к диаметру нити.

5. При достаточно больших давлениях газа быстрый рост электронной концентрации и значение параметра Е/А' (электронной температуры) делает плазменную нить интенсивным источником УФ излучения. При некоторых условиях возможен даже режим индуцированного излучения из плазменной нити.

6. Мелкомасштабное расслоение плазмы непрерывного СВЧ разряда при концентрации электронов, превышающей критическую, может быть объяснено развитием термотоковой неустойчивости. В результате ее действия формируется дйссипативная структура в виде периодических страт перпендикулярных вектору электрического поля.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 110 страниц, включая 32 рисунка и список литературы, который состоит из 94 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и указаны цели работы. Кратко, по главам, изложено содержание диссертации.

Первая глава посвящена исследованию влияния структуры на-носехундного СВЧ разряда на кинетические процессы в разрядной плазме.

В первом разделе главы приведены результаты экспериментальных измерений и численных расчетов диссоциации кислорода и образования озона в наносекундном СВЧ разряде в воздухе, определена зависимость энергоцены образования одного атома кислорода от электродинамической структуры и различных параметров разряда.

В работе приведено описание экспериментальной установки, использовавшейся для изучения процессов образования озона в наносекундном разряде (мощность СВЧ импульсов 8-мм диапазона 1015 МВт, длительность 5 не). Кратко описана динамика концентрации озона в импульсно периодическом разряде. Отмечено, что в наносекундном разряде, в отличие от разрядов микросекундной длительности, наблюдается режим преимущественной генерации озона. В результате экспериментальных измерений затрат СВЧ энергии, идущей на образование одной молекулы озона, обнаружено, что энергоцена может изменяться в широких пределах в зависимости от различных параметров и электродинамической структуры разряда.

Кратко рассмотрены основные процессы, приводящие к диссоциации молекул кислорода и образованию озона, в том числе с участием электронно возбужденных молекул азота. Сделан вывод, что эффективность образования озона существенным образом зависит от динамики электрического поля и концентрации электронов в плазме. Представлены результаты численного моделирования динамики разряда в поле симметричной цилиндрической ТЕ-волны и в поле плоской стоячей волны, образованной отражением от плоского зеркала. Выбор такой электродинамической структуры связан с одной

стороны с удобством и легкостью расчетов, а с другой стороны с близостью к условиям, реализуемым в эксперименте. Концентрация электронов рассчитывалась на основе уравнения ионизационно-рекомбинационного баланса, а величина электрического поля - из уравнения Гельмгольца.

Знание динамики развития разряда позволило рассчитать число образующихся под воздействием разряда атомов кислорода и определить энергоцену этого процесса при варьировании различных параметров разряда. Проведенное сравнение экспериментально измеренной энергоцены образования озона с рассчитанной для условий близких к реализуемым в эксперименте показало их удовлетворительное совпадение.

Одним из рассматриваемых в настоящее время применений на-носекундного СВЧ разряда является возможность его использования в верхней атмосфере Земли с целью восполнения локальной убыли озона. Поэтому на основе простейшей одномерной модели были проведены численные оценки возможной энергоцены образования озона в разряде, создаваемом в атмосфере Земли в области озонового слоя скрещенными ТЕ-пучками электромагнитных волн. Наименьшая энергоцена, полученная в расчете, составляет около 30-40эВ на молекулу озона.

В следующем разделе первой главы на оснозе численной модели анализируется работа азотного лазера с накачкой наносекундным СВЧ разрядом, зажигаемым в поле цилиндрической ТЕ-волны. Обсуждаются эффекты, к которым приводит распространение разряда при достаточной длительности СВЧ импульсов. Численная модель строится весьма близкой к условиям, реализуемым в эксперименте, что дает возможность сравнения расчетных результатов с экспериментальными и позволяет судить о ее адекватности. Поэтому в начале раздела кратко рассмотрены результаты некоторых экспериментов, в которых изучалось возбуждение азотного лазера наносекундным СВЧ разрядом.

Далее описана использовавшаяся в расчетах модель. Динамика разряда рассчитывалась также как и в предыдущем разделе. Мощность индуцированного излучения из единицы объема определялась для второй положительной системы азота (длина волны УФ излуче-

ния 337.1 нм) в рамках упрощенной кинетической модели. Для этого уравнения для концентрации электронов и амплитуды электрического поля дополнялись уравнениями баланса для населенностей верхнего и нижнего лазерных уровней и плотности фотонов.

В результате численного решения этой системы уравнений была исследована самосогласованная временная и пространственная эволюция электромагнитного поля, электронной концентрации, населенностей лазерных электронных уровней азота, а также мощности спонтанного и индуцированного излучения. Расчеты показали, что концентрация электронов первоначально возникает в центре разряда и плавно спадает к его периферии. С течением времени поле на оси разряда уменьшается вследствие поглощения и отражения СВЧ мощности и возрастает на его границе, что приводит к уширению распределения концентрации электронов. В результате такой динамики индуцированное УФ излучение также первоначально возникает на оси разряда, а затем смещается вдоль радиуса, поэтому формируется лазерный импульс большой длительности. Расчеты продемонстрировали хорошее совпадение с результатами экспериментов.

Во второй главе обсуждаются механизмы формирования структуры СВЧ разряда высокого давления в волновом пучке, создаваемого импульсами микросекундной длительности.

Первый раздел главы посвящен экспериментальному изучению роли основных физических процессов, определяющих формирование нитевидной структуры разряда в газе высокого давления. Разряд создавался СВЧ излучением мощностью 200 кВт, с длиной волны А.-4 см, длительностью импульсов 1-15 мкс. Исследования разряда проводились в различных газах в широком диапазоне давлений: в азоте, воздухе и углекислом газе при р-20-60 Тор, в гелий при />=300-1000 Тор, где наблюдалась нитевидная структура разряда. Концентрация электронов измерялась по сдвигу резонансной частоты открытого СВЧ резонатора при внесении в резонатор плазмы и по шгарковскому уширению спектральной линии водорода Нр, добавлявшегося к исследуемым газам в качестве диагностической добавки. Температура газа измерялась по неразрешенной вращательной структуре полосы 0-2 второй положительной системы азота.

Общая картина развития разряда качественно одинакова в различных газах. В работе описаны стадии разряда, последовательно сменяющие друг друга в течении СВЧ импульса: на первой стадии в результате пробоя газа появляется однородный светящийся квазисферический плазмоид; на второй стадии происходит быстрое вытягивание плазмоида вдоль вектора электрического поля; в течение третьей стадии в однородной плазме возникает одна или несколько ярких тонких нитей, вытянутых вдоль вектора электрического поля; на четвертой стадии происходят вытягивание нитей за пределы I диффузионного облака, их ветвление и искривление. Каждая стадия разряда была подробно исследована.

На первых двух стадиях структура разряда формируется в результате тех же механизмов, которые характерны для наносекундно-го разряда. После пробоя газа происходит вытягивание плазмоида вдоль вектора электрического поля с постоянной скоростью в результате усиления поля на его полюсах. Экспериментально найдена зависимость скорости удлинения плазмоида в гелии и азоте от давления.

После вытягивания и достижения длины порядка л/2 плазмоид существовал стационарно в течение нескольких микросекунд. За это зремя в пространственно однородной плазме формировались одна или чаще всего три яркие тонкие нити. Подробно был исследован процесс "разгорания" нити. Одновременно были измерены концентрация электронов и температура газа в нити, расположенной внутри диффузного плазмоида. Величины инкремента неустойчивости (обратное время образования нити) и оптимальный масштаб (расстояние между нитями) согласуются с теоретическими оценками дня ионизационно-перегревной неустойчивости.

Сформировавшиеся в течение третьей стадии разряда нити вытягивались за пределы диффузного облака, загибаясь преимущественно навстречу падающему излучению. Затем происходило их ветвление, изменение направления движения, возникновение новых нитей на изгибах и неоднородностях старых. Эти процессы проанализированы на основе крупномасштабных фотографий разряда.

Как свидетельствуют экспериментальные результаты, плазменная нить характеризуется высокими значениями концентрации элек-

тронов и температуры газа. Несомненный интерес представляет задача теоретического определения ее параметров. Во втором разделе главы на основании анализа линейной стадии развития ионизаци-онно-перегревной неустойчивости и численного моделирования динамики разряда с учетом процессов нагрева и вытеснения газа в неизобарическом случае определены параметры нити

Использовавшаяся в расчетах модель включала в себя уравнения для электрического поля, концентрации электронов и уравнения газодинамики для скорости, плотности и давления газа с источником тепла, зависящим от плотности газа, амплитуды поля и концентрации электронов. Исследована тонкая плазменная нить, возникающая в разряде в поле симметричной цилиндрической ТЕ-волны. При такой геометрии волнового поля взаимодействие поля и плазмы описывается достаточно просто, что позволяет подробно проанализировать временную эволюцию разряда.

Результаты численных расчетов показали следующее. Качественно пространственно-временная эволюция разряда не зависела от начального давления газа. На начальной стадии наблюдается лавинообразный рост концентрации электронов в области максимального поля вблизи оси разряда. После достижения достаточно большой концентрации электронов в результате экранировки поля плазмой разряд переходил в квазистационарное состояние. В течение этого времени происходит нагрев газа и рост его давления, однако з результате инерции газа скорость разлета в начале нагрева невелика и его плотность в квазистацианарном состоянии разряда практически не меняется. При увеличении скорости разлета газа до значений близких к скорости звука начинается уменьшение плотности газа в центральной области разряда и увеличение частоты ионизации, что приводит к возрастанию электронной концентрации вблизи оси разряда и уменьшению характерного радиуса распределения концентрации электронов, и образуется тонкая плазменная нить. Развитие неустойчивости прекращается из-за уменьшения эффективного поля при падении плотности газа до уровня, при котором частота электронных соударений становится близка частоте поля у«со. После этого происходит расплывание нити, сопровождающееся падением поля и концентрации электронов.

Численное моделирование также показало, что динамика возникновения нити и ее параметры в отсутствии изобаричности слабо зависят от величины начального электрического поля. Зависимость параметров плазмы от начального давления газа, напротив, очень сильная.

Возникновение плазменной нити в СВЧ разряде сопровождается ростом параметра Е/ТУ и концентрации электронов. В этих условиях возрастает эффективность возбуждения электронных уровней молекул и возможно создание инверсной населенности и получения режима усиления излучения вдоль нити. Расчеты показали, что в результате образования нити удельная мощность спонтанного излучения возрастает в несколько раз. При высоких давлениях концентрация электронов велика и значение параметра Е/М достигает высоких значений, при которых возможна инверсная населенность и индуцированное излучение из плазменной нити.

Полученные результаты численных расчетов послужили в качестве контрольных ориентиров для проведения оценок диаметра и электронной концентрации плазменной нити в рамках линейного анализа и простых качественных соображений. Зависимость инкремента неустойчивости от волнового числа для СВЧ разряда качественно совпадает с аналогичной зависимостью для тлеющего разряда. Таким образом, в плотном газе в СВЧ разряде, так же как и в тлеющем, наибольшим инкрементом обладают мелкомасштабные возмущения. Диаметр нити определяется расстоянием, на которое распространяется возмущение плотности газа за время образования нити. Зная диаметр плазменной нити, максимальную концентрацию электронов можно оценить из условия, что толщина нити меньше или г/орядгеа глубины скин-слоя. Результаты оценок параметров нити, полученные из этих соображений и численных расчетов, удовлетворительно совпадает с данными измерений приведенных как в данной диссертации, так и в работах других авторов.

В третьей главе приведены результаты исследований пространственных структур непрерывного разряда, зажигаемого в открытом резонаторе. Такая схема создания непрерывного СВЧ разряда позволяет избежать контакта разрядной плазмы со стенками резонатора,

достаточно проста в реализации и дает возможность в широких пределах управлять параметрами разрядной плазмы.

В начале главы описаны схема экспериментальной установки и используемые методы диагностики. Разряд зажигался в открытом квазиоптическом резонаторе, возбуждаемом ка моде ТЕМ(Юч СВЧ излучением от непрерывного магнетрона с длиной волны Л«3см и мощностью 1'с = 10 - 200 Вт. Резонатор был образован круглыми сферическими зеркалами и имел добротность без плазмы <2^5-Ю3. Концентрация элекгронов определялась посредством методики, основанной на измерении изменения добротности и резонансной частоты резонатора при возникновении в нем плазмы.

В работе описаны типичные формы СВЧ разряда, возникающие в различных газах при изменении давления и вводимой в резонатор СВЧ мощности. Разряд существовал в двух основных формах: диффузной и контрагированной. В диффузной форме разряд горел з одной или нескольких пучностях поля, его размеры были близки к размерам области локализации поля, а граница разряда размытая. При достижении вводимой в резонатор СВЧ мощности некоторого порога разряд .переходил в контрагированное состояние. В этой форме разряд представлял собой слегка вытянутый вдоль вектора электрического поля эллипсоид размером много меньше размеров диффузного разряда и длины электромагнитной волны. Переход разряда в контрагированное состояние значительно легче происходил в сильно электроо!рицательных газах (с высокой частотой прилипания электронов к молекулам), таких как О2, ТЯНз, Н2О, СОд чем в воздухе, N2, Не.

На основании экспериментальных данных подробно обсуждается процесс контракции разряда. Приведена зависимость концентрации электронов от вводимой в резонатор мощности, которая имеет неоднозначный, гистерезисный характер: существует область значений вводимой мощности, когда возможно существование двух форм разряда. Характерные результаты измерений концентрации электронов в различных формах разряда, наряду с другими параметрами, характеризующими разряд (плотность нейтральных молекул, давление газа, объем плазмы, вводимая в резонатор мощность) представлены в виде таблицы. Из анализа этих данных видно, что

концентрация электронов вблизи порога контракции ( (1-5)-10псм"3) и в контрагированной форме ((1-3)-1012см"3) такова, что становится существенным влияние разрядной плазмы на величину и распределение электрического поля.

Помимо контрагированной и диффузной форм в некоторых газах, таких как NH3, Н2О, С-02, в диапазоне давлений /?=3-20 Topp наблюдалась еще одна необычная форма - контрагированный разряд, расслоенный поперек вектора электрического поля. Разряд имел вид слегка вытянутого вдоль вектора электрического поля эллипсоида, состоящего из чередующихся светлых и темных дисков. Расстояние между дисками (масштаб расслоения) было во всех случаях в интервале 1-2 мм. Такое расслоение не наблюдалось в других исследо-занкых газах (в воздухе, N2, Не).

Следующий раздел главы посвящен анализу полученных экспериментальных результатов. Контрагированная форма разряда представляет собой слегка вытянутый вдоль вектора Е эллипсоид с размерами много меньше длины электромагнитной волны. Тогда величина электрического поля в нем может быть приближенно найдена из решения квазистатической задачи о поле диэлектрического эллипсоида во внешнем однородном поле с комплексной диэлектрической проницаемостью плазмы. В области невысоких плотностей газа, когда v < со, зависимость величины поля в таком эллипсоиде от концентрации электронов имеет резонансный характер. Поле внутри плазмоида при концентрации электронов меньше, чем (3-4) Nc ~ (3-4)-10псм 3 (где Nc - критическая концентрация электронов), возрастает с ростом концентрации электронов. Этот эффект наиболее заметен именно в контрагированной форме разряда. Поэтому можно предположить, что контрагированное состояние образуется и поддерживается за счет квазистатического усиления поля.

Более подробный анализ пространственных распределений поля и концентрации электронов в контрагированном разряде был проведен с использованием численных моделей. Распределение электрического поля на масштабах много меньше длины электромагнитной волны вычислялось из уравнения Пуассона с комплексной диэлектрической проницаемостью. Стационарное распределение

концентрации электронов находилось из уравнений баланса частиц. Изменение величины поля в резонаторе (на границе области интегрирования) рассчитывалось через изменение добротности и собственной частоты резонатора. Результаты расчетов показали следующее. В зависимости от величины начального поля в резонаторе возможно существование двух форм разряда с существенно различной характерной шириной пространственного распределения концентрации электронов. В контрагированной форме распределение концентрации электронов формируются в результате квазистатического усиления поля. Для контракции в сильно электроотрицательном газе требуется существенно меньшая величина начального поля по следующей причине. Ширина границы плазмоида, на которой происходит уменьшение концентрации электронов, определяется диффузионной длиной потерь электронов, которая существенно меньше в сильно электроотрицательном газе. А увеличение толщины границы плазмоида приводит к ослаблению резонанса и степени усиления поля в плазмоиде. Сравнение рассматриваемой модели с экспериментальными данными показало их хорошее как качественное, так и количественное совпадение.

В следующем параграфе анализируются причины, приводящие к возникновению расслоения плазмы. В закритической плазме

(Ые > Мс) локальное увеличение в слое перпендикулярном вектору электрического поля приводит к уменьшению величины поля и наоборот. В то же время, при увеличении поля происходит рост температуры электронов Те, и в расслоенном разряде величины Те и должны меняться в противофазе. Поэтому, в этом разделе рассмотрено уравнение диффузии электронов с учетом пространственной

неоднородности распределения Те, в котором амбиполярная скорость электронов записана с учетом как диффузии, так и термодиффузии электронов. Показано, что уравнение диффузии для Ие преобразуется к уравнению с эффективным коэффициентом диффузии, который при достаточно быстрой зависимости температуры электронов от величины электрического поля Те = Те(Е) становится отрицательным. В результате становится возможным развитие тер-

мотоковой неустойчивости, физический механизм которой состоит в

следующем. Уменьшение Ме в слое перпендикулярном вектору Е вызывает возрастание величины поля. При резкой зависимости

Те(Е) происходит существенный нагрев электронов и термодиффузионный поток электронов из этой области, связанный с неоднородностью Те, превышает обратный поток, вызываемый неоднородностью плотности электронов. И, таким образом, происходит даль- ,

нейшее уменьшение величины Ые. Для возникновения неустойчивости необходимо, чтобы температура электронов быстро возрастала с увеличением поля. Из сравнения зависимости температуры электронов от величины приведенного поля Е/р для различных газов видно следующее. Для таких газов, как азот, воздух, кислород, гелий, в которых не наблюдается расслоения контрагированной формы, зависимость Те(Е) плавная во всем диапазоне полей поддержания разряда. Напротив, для аммиака, паров воды, углекислого газа

на зависимости Те(Е) имеется достаточно крутой участок, на котором возможно выполнение условия возникновения неустойчивости.

Следующий пункт этого раздела посвящен определению характерного масштаба неустойчивости в рамках линейного анализа, который проведен в рамках одномерных уравнений теплопроводности

для Те и диффузии для Ые. Как и следовало ожидать, положительным инкрементом обладают возмущения, характерный масштаб которых лежит между длиной установления электронной температуры и характерной длиной диффузии электронов.

Далее расслоенный разряд рассматривается как диссипативная структура, возникающая в так называемых активных системах с диффузией. В таких системах по одному параметру, активатору, осуществляется положительная обратная связь, которая является причиной неустойчивости однородного состояния системы. Другой параметр, ингибитор, подавляет процесс нарастания активатора. Численно было найдено неоднородное стационарное решения для аммиака. Полученный в расчете период расслоения хорошо соответствует наблюдаемому в эксперименте.

Таким образом, мелкомасштабное расслоение контрагированно-го состояния может быть объяснено развитием термотоковой неустойчивости, в результате которой формируется диссипативная структура в виде периодических страт.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вихарее Л.Л., Горбачев A.M., Колыско A.JI. Самостоятельный СВЧ разряд в газе высокого давления // Тез. докл. VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы. Минск. 1991.Т.2. С.45-46.

2. Вихарее А.Л., Горбачев A.M., КимА.В. и др. Формирование мелкомасштабной структуры СВЧ разряда в газе высокого давления //ФизикаПлазмы. 1992. Т. 18. Вып.8. С. 1064-1075.

3. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Kim A.V., et. al. Plasma filament formation of high-pressure microwave discharge in wave beam // ICPIG-XXI. Bochum. 1993, V.l. P. 125-126.

4. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. Creation of the artificial ionized layer by microwave beams for the ozone generation in the upper atmosphere. // ICPIG-XXI. Bochum. 1993. V.l. P.123-124.

5. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al Plasma parameters and induced UV radiation of filament in a high pressure microwave discharge //ICPIG-XXI. Bochum. 1993. V.l. P.127-128.

6. Ахмеджанов P.A., Вихарее А.Л., Горбачев A.M. и др. Генерация озона в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде в воздухе. // Физика и техника плазмы (материалы конференции) Т.2. Минск. 1994. С.421-424.

7. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov О.A., et. al. Modelling of the creation and kinetics of the artificial ionized layer in the upper atmosphere. // J. Geopliys. Res. 1994. V.99. № D10. P.21,097-21,108.

8. Вихарее А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А. и др. Индуцированное УФ излучение наносекундного СВЧ разряда в азоте, возбуждаемого в поле цилиндрической ТЕ-волны // Квантовая электроника. 1994. Т.21. № 7. С.647-650.

9. Вихарев А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А. и др. Параметры плазмы и динамика формирования нитевидных образований в СВЧ-разряде высокого давления //ЖЭТФ. 1994. Т.106. В.1(7). С. 172185.

10.Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov О.A., et. al. Nitrogen laser excited by a nanosecond microwave discharge in the field of a cylindrical ТЕ mode // Proc. of the workshop Strong microwave in plasma. N.Novgorod. 1994. V.l. P.293-298.

11 .Vikharev A.L., Gorbachev A.M.. Ivanov O.A., et. al. A nitrogen laser excited by a nanosecond microwave discharge. // J.Phys.D: Appl.Phvs. 1995. V.28. P.523-529.

12.Ахмед:жанов P.A., Вихарев А.Л., Горбачев A.M. и др. Генерация озона в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде в воздухе. //Письма в ЖТФ. 1995. Т.21. Вып.9. С.26-31.

1 S.Akhmedzhanov R.A., Vikharev A.L., Gorbachev A.M., et. al. Nanosecond mirowave discharge as an ozone source in the upper atmocphere. // Phys. Lett. A. 1995. V.207. P.209-213.

14.Akhmedzhanov R.A., Vikharev A.L., Gorbachev A.M., et. al. Dynamics of ozone formation in nanosecond microwave discharge // ICPIG-XXII. Hoboken (USA). 1995. V.l. P.123-124.

15.Ахмеджанов P.А., Вихарев А.Л., Горбачев A.M. и др. Влияние электродинамической структуры СВЧ разряда на эффективность диссоциации кислорода в воздухе // Физика плазмы. 1997. Т.23. № 1. С.58-67.

16.Вихарев AJI.. Горбачев A.M., Иванов О.А. и др. Термодиффузионное расслоение плазмы непрерывного СВЧ разряда. // Письма в ЖЭТФ. 1998. Т.67. Вып.8.