Исследование плазмы разряда в смеси паров ртути с аргоном при повышенных давлениях (десятки Торр) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

' \ .

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННА УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ЛЭ ВАН ХЬЕУ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ РАЗРЯДА В СМЕСИ ПАРОВ РТУТИ С АРГОНОМ ПРИ ПОВШЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ (ДЕСЯТКИ TOFP)

Специальности: 01.04,05 - оптика; 01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Рабата выполнена в отделе оптики и спектроскопии Научно-исследовательского института физики Санкт-Петербургского государственного университета.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор МИШИН В.М.; кандидат физико-математических наук, старший научный сотр. ТИМОФЕЕВ H.A.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук ДШЕВ Г.А.; доктор физико-математических наук БОРОДИН B.C.

Ведущая организация: Всероссийский Научный Центр ГОИ им.С.И.Вавилова

Защита диссертации состоится " 28" 1993 г.

в чао. на заседании специализированного совета

Л 063.67,10 по присуждению ученой степени кандидата наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

С диссертадаей можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ,

Автореферат разослан " iS, " ОКТЯВРЯ 1993 г.

Учений секретарь специализированного совета, кандидат фиэ.-мат. наук

ТИМОФЕЕВ H.A.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. К настоящему времени разряд в смеси паров ртути с инертными газами достаточно полно и всесторонне исследован при сравнительно низких давлениях инертного газа ( 3 Topp), что объясняется, во-первых, возможностью применения зондовых методик исследования плазмы, основанных на теории зонда Ленгмюра /I/ и, во-вторых, широким использованием данного разряда в различных практических приложениях, например в источниках света /2/. Разряди при более высоких давлениях до последнего времени недостаточно хорошо исследованы. Интерес к таким условиям разряда чрезвычайно высок. Во-первых, измерения функции распределения электронов по энергиям (5РЭЭ) •f(e) и других характеристик плазмы при более высоких давлениях газа позволили бы сделать дальнейшее продвижение в кинетической теории плазмы и подкрепить многочисленные расчеты ■fee') , выполненные для области средних давлений. Во-вторых, экспериментальные исследования положительного столба, основанные на измерениях {(О , могут дать возможность более глубокого изучения процессов, определяющих свойства плазмы в указанных разрядных условиях, и на основе этого - более глубокого понимания физических свойств плазмы. Большой интерес, например, представляет вопрос о границах применимости законов подобия для смесей газов /3/. В случае выполнимости этих законов при более высоких давлениях ( р > 3 Topp) они могли бы быть дополнительным средством диагностики разрядной плазмы. Наконец, в-третьих, современные тенденции развития многих разрядных устройств (миниатюризация устройств, увеличение удельной мощности, повышение эффективности и т.д.) часто требует их работы при более высоких давлениях газа. Применительно к газоразрядным источникам света низкого давления, наполненных смесью паров ртути с инертными газами, стремление к созданию компактных высокоэффективных источников света приводит к необходимости существенного увеличения давления инертного газа (до нескольких десятков Topp) и использования разрядных трубок малого радиуса ( R 0,5 см). Как оказывается, конструктивные особенности компактных люминесцентных источников света таковы, что часто удобно сделать сечение разряда не цилиндрическим, а трапециедальным /2/. Последнее, в

«

cbod очередь, кроме технологических преимуществ,позволяет соответствующим выбором параметров трапеции влиять на внутренние характеристики плазмы. При этом, однако, возникает проблема описания разряда нецилиндрического сечения.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование электрокинетических характеристик плазмы, в том числе функции распределения электронов по энергиям (ЙРЭЭ) при повышенных давлениях инертного газа (5 Topp4 Раг420 Topp) и паров ртути (7 мТорр£ Ри^ 450 мТорр) в положительном столбе ( Hg + Ar )-разряда, создаваемого в трубках малого радиуса ( R 0,5 см); изучение возможности применения теоретической модели, разработанной ранее для описания плазмы стандартных люминесцентных ламп /4/» к описанию положительного столба ( н^ + инертный газ) разряда при повышенных давлениях, и при необходимости - модификация и уточнение данной модели; выяснение вопроса о выполнимости законов подобия /3/ и возможности их применения для диагностики плазмы разряда при повышенных давлениях в трубках малого радиуса; разработка подхода к описанию положительного столба разряда трапециедального сечения.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Предложена методика нахождения функции распределения электронов по энергиям по измеренной второй производной зондо-вого тока по потенциалу зонда в положительном столбе разряда

в смеси (Н^+Аг) при повышенных давлениях.

2. Проведены исследования функции распределения электронов по энергиям и других электрокинетических характеристик плазмы разряда в смеси паров ртути с аргоном при повышенных давлениях в трубках малого радиуса. Показано, что в исследованных разрядных условиях энергетическое распределение электронов таково, что возбуждением и ионизацией атомов аргона можно пренебречь. На основе полученных электрокинетических характеристик плазмы проведен анализ процессов, определяющих свойства плазмы в указанных разрядных условиях, и уточнена модель /4/, позволяющая

в модифицированном виде рассчитывать характеристики положительного столба интересующего нас разряда. Сравнение результатов расчета функции распределения электронов по энергиям, средней энергии электронов, напряженности продольного электрического поля с данными эксперимента дало хорошее согласие.

3. Показано, что законы подобия, развитые в работе /3/ для случая разряда в смеси буферного газа (газов) с легкоиони-эуемой добавкой (добавками) при сравнительно низких полных давлениях смеси ( р ^ 5 Topp), могут быть обобщены на случай повышенных давлений. Это позволило применить указанные законы подобия для описания и диагностики интересующей нас плазмы. В частности, проведен расчет ряда характеристик положительного столба и определена область условий разряда, в которых следует ожидать максимальной световой отдачи люминесцентных источников света

в трубках малого радиуса.

4. Разработан подход к описанию положительного столба разряда нецилиндрического (тралециедального) сечения. Проведено сопоставление характеристик такого разряда с характеристиками разряда цилиндрического поперечного сечения.

Научное и практическое значение результатов работы.

Впервые в условиях, перспективных с точки зрения создания эффективных компактных люминесцентных источников света (малые радиусы разрядных трубок, повышенные давления газов), с помощью зондовой методики проведено исследование электрокинетических характеристик плазмы (Н9-»Ar )-разряда, в том числе -функции распределения электронов по энергиям. Предложена теоретическая модель для описания положительного столба указанного разряда, включающая в себя законы подобия для смесей газов /3/, что позволило определить область условий разряда, в которых следует ожидать максимальной световой отдачи люминесцентных источников света. Предложен подход к списанию характеристик положительного столба разряда нецилтщрического (тралециедального) сечения, используемого в миниатюрных люминесцентных источниках света. Результаты диссертации нашли практическое применение при разработке миниатюрных люминесцентных источников света в совместной работе СПбГУ и Университета Поля Сабатье г.Тулуза (Франция).

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечена тщательным анализом и учетом возможных погрешностей измерений, проведением контрольных измерений в разрядных условиях с известными характеристиками плазмы, хорошей повторяемостью результатов измерений, сопоставлением и хорошим согласием данных эксперимента с результатами теоретических расчетов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доклады-: вались на XI Европейской конференции по явлениям в ионизованных газах с участием атомов и молекул (Санкт-Петербург, 1992), на , X Международной конференции по газовым разрядам и их применениям { Swansea, 1992), на XXI Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (ВосЬиш , 1993), на 46 ежегодной конференции по газовой электронике (Montreal, Quebec , 1993), на научном семинаре в Университете Поля Сабатье (Тулуза, Франция).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в четырех тезисах докладов указанных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 161 стр. машинописного текста, включая 39 рис. и 7 табл. Список литературы содержит 104 наименований.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи настоящего исследования, научная новизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержится обзор работ, посвященных исследованиям, как теоретическим, тая и экспериментальным, кинетики плазмы разряда в смеси паров ртути с инертными газами в широком диапазоне изменения условий разряда. Особое внимание уделено работам, связанным с исследованием плазмы (Н^* Аг )- разряда при повышенных давлениях в узких трубках. Рассмотрены работы, в которых излагаются правила подобия положительного столба разряда низкого давления и возможности их применений для описания источников света, а также подход к описанию положительного столба разряда нецилиндрического сечения.

На основе анализа проведенных к настоящему времени исследований показано, что разряд в парах ртути с инертными газами при повышенных давлениях,- являющийся наиболее перспективным для создания эффективных газоразрядных источников света нового поколения (например, компактных люминесцентных ламп и т.д.), исследован чрезвычайно слабо. Это связано, главным образом, с

трудностями применения зондовой методики для изучения такой плазмы, когда "не работает" и теория зоцца Ленгмюра /I/, и формула Дрювестейна /5/.

Продвижение в область более высоких давлений стало возможным после того, как в работах /6,7/ была предложена методика нахождения функции распределения электронов по энергиям из измерений плотности зондового тока и/или его производных по потенциалу зонда при условиях, когда л. <a.*d<At (л - длина свободного пробега электронов, а - радиус зонда, Л - толщина . призондового слоя, Ле - длина релаксации электронов по энергиям). Так как обычно Ле/х sIO1-^, предложенная методика позволяет отодвинуть верхнюю границу применимости зондовой теории до давлений в десятки и сотни' Topp. С помощью данной методики проведены первые измерения в плазме инертных газов /7/, подтверждающие возможность ее использования для изучения энергетического распределения электронов. Очевидно, что открывающиеся возможности могут позволить решить целый ряд новых научных задач.

Вторая глава посвящена рассмотрению экспериментальных методов исследования электрокинетических характеристик газоразрядной плазмы. Описана созданная для выполнения данной работы экспериментальная установка и рассмотрены возможные погрешности измерений. Выяснена возможность использования однозондовой методики и созданной экспериментальной установки для измерения функции распределения электронов по энергиям (5РЭЭ) в ртутно-аргоновом разряде при наличии в плазме шумов большой амплитуды. Для измерения ФРЭЭ в данной работе был выбран метод модуляции зондового тока /4/, основанный на измерении второй производной зондового тока по потенциалу зоеда, что, как показано в диссертационной работе, в интересующих нас разрядных условиях дает ряд преимуществ, но также сопровождается некоторыми ограничениями, подробно обсуждаемыми в третьей главе диссертации. Большое внимание уделено выбору условий разряда и схеме его питания, позволяющей устранить ряд мешающих факторов (например, продольный электрофорез), влияющих на результаты измерений.

В третьей главе приводятся методика и результаты исследования электрокинетических характеристик плазмы (Hj+ Ar разряда, в том числе ФРЭЭ f(ei при повышенных давлениях (б +

20 Topp) и в узких трубках (радиусом i 0,5 см).

Как было показано, в этом случав теория зонда Ленгмюра и формула Дрввестейна "не работают". Однако необходимо заметить, что электронная составляющая зондового тока несет информацию о ФРЭЭ до тех пор. пока Л^ 5> a+d. Поэтому реально существует принципиальная возможность определения f(e> из зондовых измерений.

В работе /6/ на основе кинетического подхода была получена формула, связывающая электрический ток на зонд с 5РЭЭ при условии Ле > o*d и включающая в себя как ленгмюровский случай ( У * I), так и результат диффузионной теории (Л « о* d « Л£):

j(ev> = cfii^liHii .

Sfeecb jjteV) - плотность тока на аонд, я аЬ/^ЛСО

параметр диффузии, b *

( t - длина цилиндрического зонда), С = iiT»/im*& ( t, - геометрический фактор, вит - заряд и масса электрона соответственно).

Дважды дифференцируя (I) по V (или »V ), легко найти связь между второй производной плотности зондового тока j"(eV) и функцией распределения -f(ev) :

= fcvb [ к'(eV,6)fC€)de

с ли

f

2ЧЧ<0/е

К («V.£)= - _

[H(tfff

(2)

(3)

Как видно из выражения (2), нахождение ФРЭЭ по измеренной второй производной ^(еУ) приводит к необходимости решать уравнение Вольтера второго рода, что является "корректной" задачей /8/ (в отличие от методик, связанных с измерением ]е(еУ) или /7/) и позволяет применить описанную ниже процеду-

ру нахождения {(еУ) . При этом, однако, возникает сложность с решением в области «V я 0. Как показано в данной работе, в ис-

следованном диапазоне разрядных условий эта область энергий достаточно мала и отмеченной неопределенность*) вполне можно пренебречь•

Для случая разряда в смеси паров ртути о аргоном при 5 Topp и Ftoj 4 50 мТорр длина свободного пробега электронов АСО , как легко показать, определяется упругими столкновениями с атомами аргона. При этом сечение данного процесса в существенной для нас области энергий 0,5 эВ^ £ <10 эВ хорошо аппроксимируется линейно растущей функцией энергии электронов /4/. В этом случае MO~V£, ЧЧ£>- аЬ/Г„Х(е) а <J.£ и ядро интегрального уравнения (2) перейдет в такое:

к>«} = -2*

eV)]5 (4)

При этом, если ядро интегрального уравнения (2) можно представить в виде вырожденного, т.е.

М'

К>*.€) = I (5)

* П«4

то решение интегрального уравнения (2) сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений /8/. В нашем случае это, очевидно, можно сделать, разложив, например, (4) в ряд Тейлора по степеням аргумента ( £ - еУ) (правда, при достаточно малых Ч ; при больших ядро (4) можно представить в ви-ДЭ , г

Кеу(*че) а в %(е-сУ).е ,

где - параметр аппроксимации, и раскладывать в ряд функцию } можно воспользоваться и другими способами разложения). Воспользуемся тем, что решение уравнения Вольтерра второго рода является корректной задачей, и тем, что в нашем случае действительно невелико ( <} 4 I), и попытаемся найти такой вид аппроксимации экспериментально измеренной второй производной зондового тока по потенциалу зонда, которая сразу давала бы решение задачи.

Положим, что подынтегральное выражение уравнения (2) мож-'

но представить в следующей виде:

Р(с)

<v(«v,€).|(e) = ф(вУ).р'(е)с" , (б)

Д , е ^

где P(t) О I-Ani-^r)

- полином, число слагаемых которого N может быть в принципе сколько угодно большим, но конечным. Тогда в интегральном уравнении (2) можно провести интегрирование и получить:

•¿4— = J(eV)+4>(eV)e

(7)

С другой стороны, из (б) при Е. = eV имеем:

_,< -P(eV) -ifljCeV) = ф(е\/) PfeV)e , (в)

'b СV

Подставляя (8) в (7), легко получить для функции распределения -f(eV) следующее выражение:

M.&l.-pL .

с PUv)-2$ w

При уменьшении давления, т.е. при стремлении к чисто ленгыюров-скому случаю ( <J —0), соотношение (9) переходит в формулу Дрювестейна, когда функция распределения электронов по энергиям пропорциональна второй производной зондового тока.

Полином Р(£) определяется с помощью измеренной второй производной зондового тока, для которой выбранный нами способ решения задачи определяет вид аппроксимации. Действительно, из (7) и (8) для je(eV) имеем:

JJ(«V) = СфСеУ)*^^- , (10)

где

PWbl , p'(eV) s ]T JLÄn(iL)

n-l

HlO

rttO

А W

Подобрав для JeC«V) аппроксимацию вида (10) и определив, таким образом, коэффициенты An полинома P(«V), мы сразу получаем решение интегрального уравнения (2) в виде (9).

На рисЛ приведены функции распределения электронов F(£) , одна из которых (кривая I) получена непосредственно из второй производной зондового тока, а вторая (кривая 2) - с помощью решения интегрального уравнения предлагаемым нами способом (условия разряда: R = 0,4 см, F^r = 15 Topp, t ■ 0,25 А, Тнд. = 40°С). Видно, что непосредственное использование втора!* производной je(«V) завышает среднюю энергию электронов и число быстрых электронов в "хвосте" распределения, причем отличия в "неупругой" области энергий могут достигать несколько раз. Это подчеркивает необходимость правильной обработки зондовых характеристик при повышенных давлениях.

На рис.2 приоедены ФРЭЭ в зависимости от давления аргона. Видно, что с ростом давления заметно уменьшаются число быстрых "хвосте" 2'РЭЭ и средняя энергия. Этот результат Fftlf

- полученная из jß-1

электронов

F(el

- нала обработка (аг = 15 Topp R - 0,4 см 40°С

: б TOPP ' 10 Topp : 15 Topp 0,5 см 42°С 240 мА

250 мА

1234567 , ЭВ 01 Рис.1

! 3 4 5 6 7 ,оВ Рис.2

весьма интересен и важен. Как оказывается, существенное увеличение давления инертного газа (аргона) в разряде в смеси с парами ртути в исследованных нами условиях не приводит к возбуждению и ионизации инертного газа, что существенно облегчает теоретическое рассмотрение положительного столба разряда. Более того, этот факт позволяет надеяться на то, что и при повышенных давлениях инертных газов в ( Нд. + инертный газ)-разряде будут выполняться законы подобия /3/.

Зависимость вида ФРЭЭ от давления ртути при повышенных давлениях в сравнительно увкой разрядной трубке качественно совпадает с тем, что наблвдается при ^ 3 Торр в более широких трубках ( й > I см): с ростом Р^, наблюдается уменьшение температуры электронов ( к7« ) и числа быстрых электронов в "хвосте" 5БРЗЭ.

Анализ процессов, определяющих свойства плазмы разряда в смеси паров ртути с инертными газами в интересующих нас условиях, показал, что модель положительного столба, разработанная в /4/ и пригодная для условий, близких к условиям работы стандартных люминесцентных, ламп, может быть использована при некоторых уточнениях (учет парных столкновений атомов ртути, приводящих к рождению заряженных частиц) и для расчета электрокинетических характеристик плазмы ( Н^ + инертный газ)-разряда при повышенных давлениях в узких трубках. Основные предположения, в которых строилась модель положительного столба, следующие:

1) возбуждаются и ионизуются только атомы ртути, атомы инертного газа играют роль "буферного", определяющего лишь процессы диффузии и дрейфа заряженных и нейтральных частиц в плазме;

2) заряженные частицы рождаются в результате ступенчатой ионизации атомов ртути (главным образом, с уровня в силу его большой заселенности по сравнению с другими возбужденными уровнями) и гибнут в результате амбиполярной диффузии на стенке);

3) электроны приобретают энергию в электрическом поле и теряют ее при неупругих столкновениях с атомами ртути и на стенках разрядной трубки; упругие столкновения с атомами инертного газа не оказывают заметного воздействия на баланс энергии электронов;

4) метастабильные атомы ртути в состоянии 6®Р<> гибнут в объеме плазмы при столкновениях с электронами; при этом главным процессом разрушения является "перемешивание" с резонансным уровнем

Повышенные давления паров ртути требуют, как показывают сделанные нами оценки, учета парных столкновений возбужденных атомов ртути друг с другом. Нами учитывались следующие основные реакции:

н^ ♦ в ,

Н^ц. е — 2е

(звездочка в последних двух реакциях означает высоковозбуаден-ное состояние атома ртути).

Проведено сравнение рассчитанных и экспериментально измеренных функций распределения электронов по энергиям и показано, что наблюдается хорошее согласие мевду теоретической фун"-цией и функцией, полученной с помощью предложенной нами обработки измеренной второй производной зондового тока . Функция распределения, полученная без указанной обработки сразу из второй производной зондового тока, заметно отличается от теоретической. Хорошее согласие о данными эксперимента свидетельствует о возможности использования уточненной модели /4/ для описания плазмы ( Н) + инертный газ)-разряда при повышенных давлениях в узких трубках.

В четвертой главе рассматриваются законы подобия разрядов в смесях паров ртути с инертными газами. Анализ процессов, основанный на результатах, полученных нами при экспериментальном исследовании положительного столба ( Н^ + Аг )-разряда при повышенных давлениях инертного газа и паров ртути ( N^>2.10 см-3) в узких разрядных трубках, показал, что предположения, выполнение которых необходимо потребовать для того, чтобы в интересующих' нас условиях были справедливы законы подобия /3,4/, удовлетворяются. Особенностью таких разрядов является то, что

роли компонентов смеси разделены: атомы металла определяют только процессы ионизации и потери энергии электронами, а атомы инертного газа - лишь процессы переноса частиц (атомов, ионов, электронов) в объеме. Следствием указанного разделения ролей является тот факт, что в таких разрядах справедливы новые законы подобия /3,4/, отличающиеся от классических. Суть этих законов заключается в следующем. Рассмотрим положительный столб разряда в смеси буферного газа (инертного газа) при давлении р с легкоионизуемой добавкой (налример, парами ртути) с концентрацией К> . Внешними переменными (параметрами) положительного столба такого разряда, задав которые можно в принципе рассчитать всо внутренние характеристики, являются, кроме Р и , радиус трубки Я , разрядный ток ь , время 1 и текущий радиус г . Оказывается, что для полного решения задачи при указанных выше условиях достаточно задать только четыре комбинации из этих шести внешних переменных:

, •■ (12)

Существование законов подобия позволяет упростить формальное рассмотрение задачи и, кроме того, проводить диагностику плазмы.

Рассмотрим применение законов подобия для этой цели подробнее на конкретном примере. Допустим, что для разряда постоянного тока в смеси ртути с инертным газом определена зависимость некоторой инвариантной характеристики плазмы ^ от концентрации атомов ртути N0 и силы тока I :

? = • (13)

Согласно законам подобия, ^ является функцией только параметров подобия и ¿2 • следовательно, зависимости от Мв и I могут проявляться лишь через зависимости от и . Изменения и ( однозначно связаны с изменениями ¡^ и 2г , поэтому в функциональной зависимости (13) можно заменить К« и 1 на и и таким образом в вяном виде получить зависимость от всех внешних параметров:

В случае, когда из эксперимента известны зависимости от какой-либо другой пары внешних параметров, необходимо провести выбор новых переменных (которые, очевидно, будут комбинациями Hi и Zi ) таким образом, чтобы Их изменения были однозначно связаны с изменениями тех параметров, зависимости от которых получены.

Для проверки работоспособности предложенной методики мы воспользовались как нашими результатами, так и данными работ, опубликованных ранее (см., например, /9/). Выяснилось, что рассчитанные нами с помощью законов подобия зависимости »1« , UTÜ , Е от радиуса трубки в случае узких трубок ( R £0,5 см) при повышенных давлениях аргона ( 1дг = 15 Topp) хорошо согласуются с измеренными в /9/ значениями величин напряженности продольного электрического поля Е . В эксперименте зависимости Ие , U7» от R не измерялись. Однако хорошее согласие зависимости Е отR позволяет говорить о том, что. рассчитанные значения HeW , kTe(R) достоверны.

Сравнение измеренных в /9/ и рассчитанных нами с помощью законов подобия значений напряженности продольного электрического поля Е в положительном столбе разрядов в смесях Н^-К«" и H^.Ne ( Frг,Ые - 15 Topp, N^ = 2.I014 см-3), создаваемых в трубках разного диаметра, также показало хорошее согласие, что позволяет говорить о применимости указанного подхода к определению характеристик положительного столба.

Предлагаемый подход можно применять и для исследования.реальных плазменных устройств, в частности источников света. Строго говоря, световая отдача газоразрядных люминесцентных источников света низкого давления не является "почти инвариантной" характеристикой /4/, т.е. такой характеристикой, для которой законы подобия почти выполняются. Однако нарушения подобия, связанные с тушением резонансного излучения, малы: доля тушения обычно не превышает 20-309S по отношению к вышедшему из объема плазмы резонансному излучению. Это дает возможность определить область условий разряда, в которых следует ожидать максимума световой отдачи. В частности, для трубок с Я « 0,5 см при Тн^. — 50°С (ожидаемая температура стенок люминесцентных ламп с таким радиусом) оптимум светоотдачи лежит вблизи — 22 Topp, i а 20 мА.

Пятая глава посвящена разработке подхода к исследованию разряда в трубках трапециедального сечения. Эта проблема актуальна в связи с созданием миниатюрных люминесцентных источников света, в которых разрядный канал представляет собой канавку с поперечным сечением в виде трапеции. Кроме того, изменение вида поперечного сечения позволяет воздействовать на внутренние характеристики положительного столба и, таким образом, проводить оптимизацию газоразрядных устройств. В этом смысле решение данной задачи представляет интерес и для "широких'' трубок. В данной главе рассчитано время акбиполярной диффузии заряженных частиц к стенкам разрздной трубки и поперечный профиль концентрации электронов, что позволяет достаточно просто сформулировать уравнения для описания положительного столба такого разряда и рассчитать его злектрокинетические и оптические характеристики. Проведено сопоставление полученных наш характеристик плазмы разряда в трубке« трапециедального поперечного сечения с характеристиками плазмы разряда в-цилиндрической трубке.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы.

1. Предложена новая методика получения ФРЭЭ на основе измерения второй производной эондового тока по потенциалу зовда в положительном столбе разряда в смеси паров ртути с аргоном при повышенных давлениях (десятки Topp). Создана экспериментальная установка, позволяющая реализовать предложенную методику в плазме исследуемого разряда в условиях повышенных давлений газов в трубках малого радиуса при наличии колебаний потенциала пространства и, кроме этого, измерять другие основные электрокинетические характеристики положительного столба.

2. Впервые проведены измерения ФРЭЭ и средней энергии электронов, а также проведены измерения напряженности продольного электрического поля в положительном столбе ( Н^ + Аг )-разряда при повышенных давлениях в узких трубках. Показано, что, как и

в случае разрядов при более низких давлениях и в более широких трубках, число быстрых электронов в ФРЭЭ достаточно мало для того, чтобы возбуждать и ионизовать атомы инертного газа. Поэтому для плазмы разряда в исследованных нами условиях применимо предположение о разделении роли инертного газа и паров ртути:

инертный газ играет роль буферного, а ионизация и оптические характеристики положительного столба определяются полностью атомами ртути.

3. На основе анализа процессов, определяющих свойства положительного столба ( Hi} + Ар )-раэряда при повышенных давлениях в трубках малого радиуса, модифицирована теоретическая модель положительного столба, построенная ранее для случая низких давлений и более широких разрядных трубок. Показано, что в рассмотренных разрядных условиях необходимо учитывать парные столкновения возбужденных атомов ртути друг с другой, приводящие

к образованию заряженных частиц. С помощью уточненной нами модели проведены расчеты 5РЭЭ и основных олектрокинетических характеристик положительного столба интересующего нас разряда. Получено хорошее согласие с данными эксперимента.

4. Показано, что законы подобия, полученные в /3,4/ и справедливые для разрядов в смесях газов с легкоионизуемой добавкой в области низких давлений (р ^ 5 Topp), могут быть распространены и на случай более высоких давлений газов вплоть до давлений буферного газа (инертные газы)р ~ 30 Topp и давлений легкоионизуемой добавки (пары ртути)f^ ~ 0,1 Topp. Это дает возможность использовать указанные законы подобия для описания и диагностики рассматриваемой плазмы, что позволило в данной работе провести исследование плазмы газоразрядных люминесцентных источников света в области повышенных давлений инертных газов и паров ртути в трубках малого радиуса.

5. Предложен подход к описанию положительного столба разряда трапециедального поперечного сечения. Рассчитаны время ам-биполярной диффузии и поперечный профиль концентрации заряженных частиц в таком положительном столбе. Проведено сопоставление полученных результатов с данными для разрядов цилиндрической формы.

Цитированная литература

1. Langmulr X., Uott-Smith H.a. The theory of colleotoro In gaaepus discharges // Phyu. Rov. 1926. V.28. P.727.

2. Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света. М.; Энергоатом-издат,•199I. 720 с.

3. Ыиленин В.М., Панасюк Г.Ю., Тимофеев H.A. Физический свой-

ства плазмы слаботочного стационарного и импульсного периодического разрядов в смеси паров металлов.с инертными газами // Физика плазмы. 1986. Т.12, вып.4. С.447.

4. Миленин В.М., Тимофеев H.A. Плазма газоразрядных источников света низкого давления. Л.: Иэд-во ЛГУ, 1991. 240 с.

5. Druyvesteyn U.J. Der Nledervoltbogen // Zeltsoh. fur Physik. 1930. Bd.64. 8,781.

6. Горбунов H.A., Колоколов H.Б., Кудрявцев A.A. Зондовые измерения ФРЭЭ при промежуточных и высоких давлениях // Физика плазмы. 19ЭЭ. Т.15, вып.12. C.I5I3-I520,

7. Арсланбеков P.P., Колоколов Н.В., Кудрявцев A.A. и до. Восстановление функции распределения электронов по энергиям из зовдовых характеристик при промежуточных и высоких давлениях // Физика плазмы. 1991. T.I7, вып.9. C.II6I-II65.

8. Колмогоров А.Н., Фомин C.B. Элементы теории функций и функционального анаг.чза. М. : Наука, 1972. 496 с.

9. Sissls 0., Benetruy Р., Damellnoourt J.Jí et al. II Froo.

5th Int. 8Imp. Sol. Techa. light Souroes. York, 1989. P.71-72.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. L« Van Situ, líilenln V.U., Timoîeev H.A. et al. The Investigation of Hercury-Argon dlsoharge plasma In narrow tabee and under increased pressure II Proo. of the XI ESCAltpIO. St. Petersburg, 1992. 7.291-292.

2. Le Van- Bleu, Hllenln Т.Н., Timofeev H.A. et al. Applloa-tlon of the similarity laws to the Investigation of the narrow tube fluorescent lamps H Proo. of the X Inter. Oonf. on gas dlaoharges and their application. Swansea, 1992.

3. le Tan Bleu, Hllenln V.M., ИшоГевт H.A. st al. Investigation of the electron energy distribution function in the plasma of lunlnesoent lamps in narrow tubes unier Increased pressure // Proo. of the XXI ICPIO, Boobua, 1993«

4. Baehlov K.A., Tlmofeev H.A., le Tan Bleu et al. On a simple method for amblpolar diffusion time oaloulatlón In non-elrculer oroes-sectlon low pressure discharges И Proo. de la 46e Conf. annuelle sur l'eleotronique dans lea gas. Montreal, Quebec. 1993.