Исследование прианодной области разряда с анодом в форме острия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Тихомиров Александр Андреевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИАНОДНОЙ ОБЛАСТИ РАЗРЯДА С АНОДОМ В ФОРМЕ ОСТРИЯ

специальность - 01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Петрозаводск 2008

□□3451260

003451260

Работа выполнена в Петрозаводском государственном университете

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор Сысун Валерий Иванович.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Хахаев А. Д. Кандидат физико-математических наук, профессор Вагнер С. Д.

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма' г. Рязань

Защита состоится 14 ноября 2008 года вна заседании диссертационного совета ДМ 212.190.06 в Петрозаводском государственном универиситете по адресу: г. Петрозаводск, пр. Ленина 33, ауд. $£{

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан " "

2008

Ученый секретарь Диссертационного совета Доктор физико-математических наук

Фофанов А. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: В настоящее время низкотемпературная плазма успешно решает практические задачи, связанные с обработкой материалов, в том числе и медицинских объектов. Успехи применения низкотемпературной плазмы связаны с тем, что многие результаты применений не имеют традиционных аналогов. Особенно это проявляется в медицине, где бактерицидные свойства плазмы являются, по-видимому, незаменимыми.

В [1] показана возможность получения микроплазменных источников низкотемпературной плазмы атмосферного давления, в которых за счет конфигурации электродов сохраняется величина межэлектродного промежутка при переходе к высоким давлениям. Особенность конфигурации электродов связана с тем, что анод выполняется в форме острия с малым радиусом закругления, а катод в форме плоскости. В такой геометрии разряд представляет собой сферическое плазменное образование, локализованное на кончике анода в форме острия при темном разрядном промежутке до катодного свечения. Микроплазменные источники с анодом в форме острия имеют при малой потребляемой мощности менее 50 Вт, высокую плотность мощности, вкладываемую в при-анодное плазменное образование ^«ю5 Л» и яркость 2-Ю4 кд [2].

см2 м2

Перспективными направлениями применения таких источников являются: дисплейные панели [3,4], модификация и нанесение полупроводниковых материалов [5], обработка материалов [6,7], использование в качестве аналитического инструмента [8,9], модификация поверхности [10], создание активной среды лазеров [11]. Высокие параметры прианодной плазмы и её сферическая форма указывают на эффективную местную ионизацию вблизи кончика острия при существенном снижении плотности тока на остальную поверхность анода. Анодная область такого источника плазмы является плохо изученной. Малые размеры плазменного образования препятствуют его экспериментальному изучению традиционными способами. Однако, без информации об анодной области разряда с острийным анодом невозможно построить полную картину механизма существования данного типа разряда и как следствие внедрить данный тип разряда в производство. Поэтому работы в указанном направлении актуальны и несут в себе большой прикладной потенциал.

Цель работы заключалась в исследовании прианодной области разряда с анодом в форме острия с получением данных о распределениях

концентрации плазмы, потенциала, температуры электронов, условиях

создания и поддержания разряда, их зависимостях от радиуса кривизны

анода, давления рабочего газа и разрядного тока.

Основные задачи исследования:

♦ Разработка зондового метода диагностики параметров плазмы для исследования малых (менее 1 миллиметра) плазменных образований;

♦ Исследование зависимостей параметров прианодной плазмы от разрядного тока, давления газа, радиуса кривизны анода в форме острия;

♦ Теоретическое описание прианодной области разряда с анодом в форме острия и сравнение результатов моделирования на его основе с экспериментальными данными.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

♦ Проведено экспериментальное исследование и компьютерное моделирование пространственных распределений параметров плазмы в прианодной области.

♦ Исследовано влияние давления рабочего газа, тока, радиуса закругления анода на распределения в анодной области.

♦ Предложен метод зондовых измерений пространственных распределений параметров малых плазменных образований.

Практическая ценность работы

♦ Разработанная зондовая методика диагностики плазмы позволяет проводить пространственные измерения параметров малых плазменных образований.

♦ Полученные экспериментальные данные и компьютерное моделирование дают основу к практическому применению разряда с анодом в форме острия в медицине, технологии нанесения полупроводниковых материалов, модификации поверхности, в качестве точечных источников излучения, индикаторов и активной среды лазеров.

Основные положения выносимые на защиту:

♦ Экспериментальные данные параметров плазмы в микроплазменном образовании, их зависимости от давления, разрядного тока и радиусов закругления анода.

♦ Теоретическая модель и компьютерное моделирование распределения концентрации плазмы микроплазменного образования.

♦ Метод зондового измерения пространственных распределений параметров в малых плазменных образованиях.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

VII Всероссийской конференции с международным участием «Успехи современного естествознания» Сочи 2006 г. (2 доклада), III Всероссийской конференции молодых ученых Физика и химия высокоэнергетических систем. Томск 2007 г, Всероссийская научная конференция по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2007). Петрозаводск. 2007 г. (2 доклада), научных семинарах кафедры "электроники и электроэнергетики" ПетрГУ.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из которых 1 является из списка ВАК. Список основных публикаций приведён в конце автореферата.

Вклад автора: Все экспериментальные исследования проведены за период 2005-2008 г. автором, которым сформулированы и обоснованы все задачи диссертации. В коллективных работах автору принадлежат изложенные в диссертации выводы и защищаемые положения.

Обьем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 85 страницах, включая 46 рисунков и списка литературы из 64 наименований. Приложение содержит 6 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемых проблем, сформулированы цели и задачи работы, её научная новизна, практическая значимость полученных результатов, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе даётся краткий литературный обзор, рассматривается состояние проблемы формирование контрагированного разряда при повышенных и атмосферных давлениях рабочего газа.

В работах по исследованию микроплазменного источника [2, 12-14] измерялись вольтамперные и спектральные характеристики, сделаны выводы о возможности его использования в качестве активной среды лазеров. Параметры плазмы не измерялись, и причина контрагирования разряда не исследовалась. Одной из причин локальной привязки к кончику анода может быть контрагирование разрядного канала. Литературные данные по контракции положительного столба относятся только к однородному положительному столбу (цилиндрические трубки, протяжённые объемные источники). Они показывают, что контракции в инертных газах при давлениях близких к атмосферному начинается при

концентрации электронов пе ^ 10й см'1 и плотностью тока «10 .

см2

Этот порог, по-видимому, заведомо превышается в микроплазменном образовании с сильно неоднородной плотностью тока 105 -102

см2

и даже во всём остальном газоразрядном промежутке с плотностью тока

102 — 10* . Главной причиной контракции, по-видимому, является см2

ступенчатая ионизация.

Малый размер плазменного образования (доли миллиметра) и сильная неоднородность плотность тока ]~г'2 могут привести к новым эффектам. Так из-за малого размера плазмы существенно увеличивается диффузионный уход заряженных частиц, а сильная неоднородность создаёт дополнительное градиентное поле, также способствующее выносу ионов и увеличению напряжённости в нем. Все это требует как экспериментальных, так и теоретических исследований.

Анализ работ по анодному слою в разрядах при высоких давлениях показал, что возможна падающая вольтамперная характеристика анодного слоя и его привязка к аноду. Можно также отметить, что большая плотность тока на аноде приводит к малой толщине анодного слоя и его необходимо рассматривать совместно с квазинейтральной областью плазмы. Это требует совместного решения уравнений непрерывности, движения и уравнения Пуассона с учетом инерциальных членов. В качестве экспериментальной методики исследований кроме фотографирования и измерения вольтамперных характеристик предложено применить зон-довую методику, но необходимо решить вопрос локальности измерения в малом объёме плазмы.

Исходя из литературного обзора были поставлены задачи диссертационной работы направленные на исследование прианодной области разряда с анодом в форме острия.

Во второй главе рассматривается экспериментальное исследование прианодной области разряда с анодом в форме острия. Глава состоит из 7 параграфов.

Первый параграф посвящен описанию экспериментальной установки позволяющей получать остаточное давление газа до 10~5торр. Дано описание камеры для зондового исследования параметров прианодной плазмы, которая представляет собой цилиндрическую кварцевую колбу с вмонтированным в неё микрометрическим винтом для перемещения электрического зонда с возможным наименьшим шагом 13,9 мкм и держателей для катода в форме плоскости и анода в форме острия. В качестве рабочего газа использовался гелий.

Во втором параграфе рассматриваются методики электрохимического травления с целью получения анода в форме острия малого радиуса закругления и цилиндрического зонда малого радиуса. При изготовлении анода, для ограничения области травления на вольфрамовую цилиндрическую проволочную заготовку радиусом 1 мм надевался кем-брик, после чего с она и второй вспомогательный электрод помещалась в сосуд с электролитом водного раствора КОН. Величина прикладываемого напряжения от источника питания варьировалась в пределах 59 вольт, что приводило к изменению радиуса закругления кончика проволочной заготовки от 33 до 13 мкм соответственно, за время травления 15 минут без видимого ухудшения гладкости поверхности анода. Радиус кривизны проволочной заготовки регистрировался с помощью оптического и электронных микроскопов путём фотографирования. Для получения цилиндрического зонда малого радиуса использовалась вольфрамовая проводка радиусом 0,12 мм, закреплённая по оси цилиндрической гильзы радиусом 5 миллиметров, используемой в качестве второго электрода, которая помещалась в водный раствор КОН. Прикладываемое напряжение между проволкой и гильзой составляло 4 вольта, что при времени травления 35 минут позволяло получать радиус стравленной проволки 20 мкм.

В третьем параграфе рассматривается электрическая схема осуществления разряда постоянного тока с анодом в форме острия. Балластное сопротивление в разрядной цепи составляло 105 кОм. Высоковольтный источник питания позволял подавать на разрядный промежуток напряжение от 100-2000 вольт с шагом 10 вольт при токах в разрядной цепи 5-500 мА.

В четвёртом параграфе показаны полученные экспериментальные вольтамперные характеристики разряда с анодом в форме острия при разных межэлектродных промежутках до 3 миллиметров, радиусах за-

кругления анода 13-33 мкм и давлениях рабочего газа от 0,5 до 1 атмосферы. Измеренные вольтамперные характеристики показали уменьшение пробивного напряжения разрядного промежутка с 1400-1200, в зависимости от межэлектродного расстояния, до 900-800 вольт и напряжения горения разряда с 400-300 вольт до 300-200 вольт при изменении давления рабочего газа с 1 до 0,5 атмосферы (рисунок 1,2).

(А)

1000

900

800

700

1л 600

о Ы)()

о

э 400

300

200

100

0

10 20

30

I мА

«0=1 к □ 0=2 м ДОЗ к

6

40

50 60

(Б)

1600

1400

1200

1- 1000

.п

с; о 800

о

=> 600

400

200

0

I 1 !

1 1 1 1 ; !

I ! !

! I I : !

! ! ! ! !

0 6 6 6 6

1 ! ! 1

10 20

30

I мА

40

♦ Э=1 мм □ Э=2мм А 0=3 мм

60

Рисунок 1. Вольтамперные характеристики разряда с анодом в форме острия при разных межэлектродных расстояниях для радиуса закругления анода 33 мкм ((А) - 0,5 атмосферы, (Б) - 1 атмосфера)

По изменению напряжения горения разряда при разных межэлекгрод-ных расстояниях можно определить падение потенциала за микроплаз-

менным образованием, которое на промежутке от 1 до 3 миллиметров от анода при разрядном токе 10 мА и давлении рабочего газа 0,5 атмосферы составляет порядка 80 вольт, а при разрядном токе 50 мА порядка 40 вольт для радиуса закругления анода 33 мкм. Увеличение давления до 1 атмосферы ведёт к увеличению этого падения напряжения до величины порядка 100 вольт.

(А)

1600 1400 1200

Э 600 400 200

30

I мА

1

1 !

1 1

1 ; 1

1 1 ! 1

! 1 1 1

в 6 6 6

\ \ \ 1 1

♦ 0=1 мм □ 0=2 мм А 0=3 мм

(Б)

1

1

1

в а Й «

1 1 1 1 I

♦ 0=1 мм а 0=2 мм А 0=3 мм

I мА

Рисунок 2. Вольтамперные характеристики разряда с анодом в форме острия для рабочего давления 1 атмосферы при разных межэлектродных расстояниях ((А) -радиус закругления анода 13 мкм, (Б) - радиус закругления анода 33 мкм)

В пятом параграфе рассматривается предложенной в работе пошаговый метод исследования пространственных распределений параметров малых плазменных образований (рисунок 3).

Рисунок 3. Схема зондовых измерений (1-катод, 2-анод, 3-зонд, 4-плазменное образование, 5-источник питания, 7-вольтметр, 8-микроамперметр)

Идея зондового метода состоит в использовании тонкого цилиндрического зонда (3) с возможностью малого пошагового перемещения. Тогда при вводе зонда в плазму (4) зная ток до 1{ и после /2 малого перемещения при одном и том же потенциале зонда можно определить ток АI на введенную на шаге в плазму область зонда. Таким образом, пошагово вводя зонд в плазму можно определить распределение плотности тока в пространстве при заданном потенциале зонда. Это дает возможность, изменяя потенциал зонда и выполняя аналогичные операции по перемещению зонда определять локальную зондовую характеристику в заданной пространственной координате (рисунок 4).

-I 0_

А

-20

и вольт

Рисунок 4. Типичная зондовая характеристика, полученная пошаговым методом 10

Определяя электронную температуру как

е ~

аи

где правая часть (1) определяется при потенциале изолированного зонда, по плавающему потенциалу можно рассчитать потенциал плазмы

кТе ( V™,

(2)

а затем ленгмюровскую толщину слоя пространственного заряда и учитывая столкновения концентрацию электронов в приближении малости объемной рекомбинации [15]

I =

0.89г

(3)

где согласно диффузной теории принималось 1А. _ , где гш -радиус

V г ~ я

плазменного микрообразования. Учитывая, что это значение стоит в (3) под логарифмом, это приближение для определения концентрации применимо.

Само условие малой объёмной рекомбинации применимо из-за эффективного диффузионного ухода ионов при малом размере плазменного образования (доли миллиметра) за время меньше, времени рекомбинации иона с электроном . При концентрации плазмы пе я 1015см ''коэффициент рекомбинации в гелии а < 1(Г12 , что даёт для времени

с

рекомбинации г >(а-л )"'«кг3 секунды. Время же диффузионного

ухода примерно равно т

диф

,10-4секунды, то есть г, , « г

При меньшей концентрации электронов это соотношение еще больше усиливается.

В шестом параграфе представлены экспериментальные данные пространственных распределений параметров плазмы при радиусах закругления анода 13-33 мкм разрядных токах от 30-50 мА, давления рабочего газа от 0,5-1 атмосферы.

Исследования показали уменьшение видимого размера микроплазменного образования почти в 2 раза с уменьшением разрядного тока с 50-30 мА (рисунок 5). Видимая граница свечения плазмы соответствует концентрации плазмы п »1013 см~3 ■

г,мм

Рисунок 5. Распределение концентрации плазмы в разрядном промежутке с отсчетом от анода (радиус закругления анода 13 мкм, давление рабочего газа 1 атмосфера)

Увеличение давление с 0,6 до 1 атмосферы ведёт также к уменьшению почти в 2 раза размера микроплазменного образования (рисунок 6). Уменьшение радиуса закругление анода с 33 мкм до 13 мкм приводит к незначительному изменению радиуса плазменного образования и концентрации электронов в нем. Концентрация электронов возрастает к аноду от 1013 до 1015 см"3 примерно обратно пропорционально радиусу, а не его квадрату как плотность тока.

1.00Е+15 9.00Е+14 8.00Е+14 7.00Е+14 6.00Е+14

со

2 5.00Е+14 с

4.00Е+14 З.ООЕ+14 2.00Е+14 1.00Е+14 О.ООЕ+ОО

Ж Д I

-Ж-т

! ж

к !

I I

I |

и___и

! !

Ж . 1 1

*! *—*—*-

♦ атм Д р=0,8 атм Ж р=0,6 атм

0,1 0.2 0,3 0.4 0,5 0,6 0.7 0,8 0,9 1 г,мм

Рисунок 6. Распределение концентрации плазмы в разрядном промежутке с отсчетом от анода (радиус закругления анода 13 мкм ток разряда 50 мА)

Температура электронов возрастает с возрастанием разрядного тока и снижением давления от 1,5 до 2,2 эВ. Пространственно температура электронов близка к однородной со слабым спаданием по радиусу на 0,1-0,2 эВ (рисунок 7).

2,5

0,5

* ж ж 1 1 1 * X X X * Ж *

д д д ♦ ♦ ♦ А Д А д д Д д * ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

1 ! 1 ! !

! 1 ! ! 1 ; ' ! 1 1

1 1

♦ р=1 атм Др=0,6 атм Жр=0,6 атм

0.2

0,4

Рисунок 7. Распределение температуры электронов по разрядному промежутку с отчетом от анода (радиус закругления анода 13 мкм, разрядный ток 50 мА)

Падение напряжения в анодном слое с ростом тока слабо уменьшается, а падение напряжения в микроплазменном образовании слабо растет. В результате суммарное падение напряжения от тока почти не зависит. Это указывает на локальную привязку плазмы к аноду с изменением поверхности этой привязки при изменении тока и сферическую форму плазменного образования вокруг неё в связи с положительным падением потенциала в нём. Рост давления увеличивает это суммарное падение напряжения и обе его составляющие (рисунок 8).

0,1 0,2 0,3 0> 0,5 0,6 0.7 0,8 0,9 1

...... ; I

ж д

♦ р=1 атм л р=0,8 атм ж р=0,6 атм

г, мм

Рисунок 8. Распределение потенциала плазмы по пространству с отсчётом от анода (радиус закругления анода 13 мкм, ток разряда 50 мА)

В седьмом параграфе сделаны основные выводы по экспериментальной части исследований.

В третьей главе в первом параграфе построена теоретическая модель и проведено компьютерное моделирование прианодной области с анодом в форме острия. При моделировании прианодной плазмы в квазинейтральной области использовано гидродинамическое приближение с учетом инерциального члена с плавным переходом в анодный слой, где добавлялось уравнение Пуассона для потенциала при начинающемся отличии концентрации электронов и ионов.

дг г дг г

(4)

тУ,

<1Уе д(п кТ )

—Г =---вЕ ~ т¥е^ет

аг п'дг

ЗУ:

тУ,-— = еЕ-тУ,уЬя дг

дгю 2д<р е ! \

— +—— = —\пе

дг2 гдг £п

(6)

(7)

(8)

где Уе,Упт ,М ,<р - соответственно дрейфовые скорости, массы электронов и ионов, потенциал плазмы. Vет, У1т - частоты столкновения с атомами. 2- частота ионизации, производимая одним электроном, которой можно пренебречь по сравнению с Ует и У1т. В предположении ступенчатой ионизации Ъ будем считать в квазинейтральной области пропорциональной концентрации электронов.

В слое Ъ определялась по первому коэффициенту Таунсенда (X с согласованием в области перехода плазма-слой.

В качестве граничного условия на аноде выбиралось равенство нулю ионного потока.

Компьютерное моделирование распределения параметров прианод-ной плазмы проводилось на основе экспериментальных данных полученных с помощью зондовых измерений для одной точки. Из эксперимента в некоторой точке на периферии Г находились: концентрация плазмы, напряженность электрического поля, температура электронов. Далее переходя к безразмерным переменным, проводилось моделирование в обе стороны от выбранной точки.

Проведено сравнение компьютерного моделирования с экспериментальными данными (рисунок 9).

В третьем параграфе сделаны выводы о том, что полученные результаты моделирования позволяют заключить об удовлетворительном согласии эксперимента и результатов компьютерного моделирования, что подтверждает исходные предпосылки теоретической модели о существенной роли ступенчатой ионизации в прианодном плазменном образовании. Как и в эксперименте наблюдается ход концентрации по радиусу микроплазменного образования обратно-пропорциональный радиусу; более быстрый, чем линейный, рост концентрации с ростом тока; слабо растущая вольтамперная характеристика в микроплазменной области и слабо падающая в анодном слое. Относительное изменение концентрации по радиусу при разных токах близко, хотя видимый

радиус плазменного образования с ростом тока растёт из-за большего абсолютного значения концентрации. Видимая граница соответствует значению концентрации близкой к 1013 см~ъ при концентрации у анода (4-10)-1014 см*.

(А)

2.50Е+14

■*Кошькгоноа подели роваиие 01 аыбранноД км«« сторону анода

Э кпермита льны а

ш КОМ1ЬЮТВрНОв

мооапироаааниа от выбранной точм< а сторону га-года

(Б)

1.20Е+15 1.00Е+15 8.00Е+14

<7

= 6.00Е+14 г

4.00Е+14 2.00Е+14 О.ООЕ+ОО

ч

рТ1

11

И I !

0,2

0,4 0,6 Г мм

0,8

еыбрэмой томт а стсрсну анода

Экспериментальны еданые

"Компьютерное моделирование от выбранной тоам а сторону катода

Рисунок 9. Сравнение распределений концентрации плазмы по пространству, полученных экспериментально при давлении 1 атмосфера и разрядных токах 30 - (А), 50 - (Б) мА для радиуса закругления анода 23 мкм с компьютерным

моделированием

В заключении сделаны основные выводы.

В соответствии с поставленной задачей проведены экспериментальные исследования и компьютерные моделирования прианодной области разряда с анодом в форме острия:

1. Собрана экспериментальная установка и освоены методы получения анодов в форме острия малого радиуса закругления, и тонких зондов.

2. Разработана локальная зондовая диагностика с помощью ступенчатого микронного перемещения тонкого оголённого зонда с измерением добавки тока на зонд на каждую ступень перемещения.

3. Проведены измерения вольтамперных характеристик и параметров плазмы микроплазменного образования при изменении давления, радиуса закругления анода и разрядного тока.

4. Разработана теоретическая модель объединяющая, прианодный слой и квазинейтральную область плазмы учитывающая инерциальные члены в уравнениях движения ионов и электронов, разность их концентрации, ступенчатую ионизацию атомов в квазинейтральной области согласующейся со значением коэффициента ионизации а в слое. Результаты компьютерного моделирования близки к экспериментальным данным.

5. Из приведённых экспериментов и теоретического анализа вытекают следующие основные выводы диссертационной работы:

♦ Напряжение горение разряда составляет 200-400 вольт, возрастая с ростом давления и межэлектродного промежутка.

♦ Температура электронов составляет 1,5-2,2 эВ возрастая с ростом разрядного тока и снижением давления. Пространственно температура электронов близка к однородной со слабым спаданием по радиусу на 0,1-0,2 эВ.

♦ Концентрация электронов возрастает к аноду от 1013 до 1015 саг1 примерно обратно пропорционально радиусу, а не его квадрату как плотность тока.

♦ Увеличение давления от 0,5 до 1 атмосферы приводит к уменьшению размеров плазменного образования с одновременным увеличением концентрации электронов примерно в 2 раза.

♦ Уменьшение радиуса закругление анода с 33 мкм до 13 мкм приводит к незначительному изменению радиуса плазменного образования и концентрации электронов в нем.

О Потенциал плазмы вблизи анода с ростом тока слабо уменьшается. Это указывает на слабо падающую вольтамперную характеристику

анодного слоя. В то же время падение напряжения на микроплазменном образовании наоборот, слабо растет с током (и 10-12 вольт при 1=30 мА и 12-14 вольт при 1=50 мА). Это объясняет локальную привязку к кончику анода и сферическую форму плазменного образования. Общее падение напряжения на плазменном образовании вместе со слоем практически не зависит от тока.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. А.А.Тихомиров, В. И. Сысун, В.А.Гостев // Прианодная область микроплазменного источника с острийным анодом. Прикладная физика № 4 2008 с. 49-52.

2. Тихомиров А. А., Сысун В. И. // Квазинейтральная область при-электродного слоя при больших отбираемых токах. Успехи современного естествознания. №11. 2006. С. 32-33.

3. Тихомиров А. А., Сысун А. В., Олещук О. В. // Переходные слои между плазмой и анодом. Успехи современного естествознания. № 11. 2006. С. 31-32.

4. А. А. Тихомиров // Исследование микроплазменных образований в разряде с острийным анодом. Материалы III Всероссийской конференции молодых ученых Физика и химия высокоэнергетических систем. Томск. 2007 с. 428.

5. V. A. Gostev, A. A. Tikhomirov, V. S. Ignakhin, V. I. Sysun // Generator of air-plasma flow for biological and médical applications PPPT-5 Minsk, 2007. V. 2. p. 791.

6. Сысун В. И., Гостев В. А., Белозеров Д. М., Игнахин В. С, Тихомиров А. А. // Микроплазматрон с жидкометаллическим анодом Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2007, Петрозаводск, 2007. с. 153.

7. Сысун В. И., Гостев В. А., Тихомиров А. А. // Распределение концентрации в микроплазменном источнике с малым анодом Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2007, Петрозаводск, 2007. с. 109-110.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. А. Гостев, В. И. Сысун, Ю. Д. Хромой "Точечный источник излучения" АС СССР , № 1108957, Кл H01J61/10,198

2. Gostev V. A., Mamkovich V. V., Sysun V. I. И The Investigation of Microplasma Source Radiation Proc. Contributed papers XXIII International conference on phenomena in Ionized Gases. France, Touluse. 1997. V. 5. P. 80.

3. Nguchi, A Matsuoka, К Uchino and К Muraoka // J.Appl. Phys 2002. V.91 p. 613

4. Chen J, Park S J, Fan Z F, Eden J G and Liu С // J. Microelectro-mech. Syst. 2002. V. 11. p. 536

5. Manos D.M. and Flamm D.L. II Plasma Etching. An Introduction. Boston. Academic. 1989. p. 5-45

6. Ito T,Izaki К and Terashima К // Surf. Coat. Technol. 2000. V. 497 p. 133-134.

7. Ito T and Terashima К // Thin Solid Films 2001. V.390. p. 234.

8. Miclea M. Kunze K, Franzke J and Niemax К // Spectrochim. Acta 2002 V.57 p. 1585.

9. Yin Y, Messier J and Hopwood JI I IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. V.27 p. 1516.

10. S. Kanazawa, M. Kogoma et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1988. V.21 p. 838.

11. A. P. Napartovich // Plasmas and Polymers. 2001 Vol. 6. Nos. 1/2. p. 1.

12. Gostev V. A., Mamkovitch V. V., Sysun V. I. Radiation point source // Proceeding of the third InterKarelian conference. Teaching mathematics and physics in secondary and higher education, Petrozavodsk, Russia, 1998. p. 290-292.

13. Гостев В. А., МамковичВ. В. Сысун В. И. Исследование электрокинетических и спектральных характеристик микроплазмы разряда в геометрии острие-плоскость // Вторая Международная конференция по физике плазмы и плазменным технологиям. ФППТ-2, т. 1, Минск, 1997. с. 98-99.

14. А. В. Лебедева, В. А. Гостев, В. В. Мамкович, В. И. Сысун. Исследование возбуждения ионов ртути в микроплазменном ионизаторе // Материалы научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2002, Петрозаводск, 2002. стр. 33-34.

15. Ульянов К. Н. // ЖТФ, 1970, т. 40, в. 4, с. 790-797.

Подписано в печать 03.10.08. Формат 60х84'/1б Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Изд. № 230.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТГОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Отпечатано в Издательстве ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 3 3

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ литературы по теме диссертации.

1.1 контрагированный положительный столб тлеющего разряда.

1.2 моделирование контракции положительного столба разряда.

1.3 Теория анодного слоя в газовом разряде.

1.4 Методика зондовой диагностики плазмы. • > - j I

1.5 Выводы по анализу литературы и постановка задачи.

Глава 2. Экспериментальное исследование прианодной области разряда с анодом в форме острия.

2.1 Получение анода в форме острия и цилиндрического зонда малого радиуса.

2.2 Рабочий газ.

2.3 Вакуумная система.

2.4 Электрическая схема.

2.5 вольтамперные характеристики разряда с анодом в форме острия.

2.6 Пошаговый зондовый метод исследование параметров плазмы.

2.7 Результаты зондового измерения микроплазменного образования с острийным анодом.

2.8 Выводы.

Глава 3. Теоретическое моделирование прианодной области разряда с анодом в форме острия.

3.1 Исходные уравнения и их преобразования.

3.2 Результаты численного моделирования и их сравнение с экспериментальными данными.

3.3 Выводы.

Актуальность работы: В настоящее время низкотемпературная плазма успешно решает практические задачи, связанные с обработкой материалов, в том числе медицинских объектов. Успехи применения низкотемпературной плазмы связаны с тем. что многие результаты применений не имеют традиционных аналогов. Особенно это проявляется в медицине, где бакгерицидные свойства плазмы являются, по-видимому, незаменимыми.

Недавно показана возможность получения микроплазменных источников низкотемпературной плазмы атмосферного давления, в которых за счет конфигурации электродов сохраняется величина межэлектродного промежутка при переходе к высоким давлениям [1]. Особенность конфигурации электродов связана с тем, что анод выполняется в форме острия с малым радиусом закругления, а катод в форме плоскости. В такой геометрии разряд представляет собой сферическое плазменное образование, локализованное на кончике анода в форме острия при темном разрядном промежутке до катодного свечения. Микроплазменные источники с анодом в форме острия имеют при малой потребляемой мощности менее 50 Вт, высокую плотность мощности, вкладываемую в прианодиое плазменное образование и яркость см

Кд

2-Ю4 —- [2]. Перспективными направлениями применения таких источников м являются: дисплейные панели [3,4], модификация и нанесение полупроводниковых материалов [5], обработка материалов [6,7], использование в качестве аналитического инструмента [8,9]. модификация поверхности [10], создание активной среды в лазерных технологиях [11]. Высокие параметры ирианодной плазмы и её сферическая форма указывают на эффективную местную ионизацию вблизи копчика острия при существенном снижении плотности тока на остальную поверхность анода. Анодная область такого источника плазмы является плохо изученной. Малые размеры плазменного образования препятствуют его экспериментальному изучению традиционными способами. Однако, без информации об анодной области разряда с острийньтм анодом невозможно построить полную картину механизма существования данного типа разряда и как следствие внедрить данный тип разряда в 3 производство. Поэтому работы в указанном направлении актуальны и несут в себе большой прикладной потенциал.

Цель работы заключалась в исследовании приаподной области разряда с анодом в форме острия с получением данных о распределениях концентрации плазмы, потенциала, температуры электронов, условиях создания и поддержания разряда, их зависимостях от радиуса кривизны анода, давления рабочего газа и разрядного тока.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

• Проведено экспериментальное исследование и компьютерное моделирование пространственных распределений параметров плазмы в прианодной области.

• Предложен метод зондовых измерений пространственных распределений параметров малых плазменных образований.

• Исследовано влияние давления рабочего газа, тока, радиуса закругления анода на распределения в анодной области.

Научно-практическая значимость работы определяется тем, что в пей получена новая важная информация, способствующая развитию представлений о механизме существования прианодного плазменного образования локализованного с центром на кончике анода в форме острия малого радиуса закругления. Перспективными направлениями практического применения являются: медицина, технологии нанесения полупроводниковых материалов, модификации поверхности, в качестве точечных источников излучения, индикаторов и активной среды лазеров. Основные положения выносимые на защиту:

1) Экспериментальные данные параметров плазмы в микроплазменном образовании, их зависимости от давления, разрядного тока и радиусах закругления анода.

2) Теоретическая модель и компьютерное моделирование распределения концентрации плазмы микроплазменного образования.

3) Метод зондового измерения пространственных распределений параметров в малых плазменных образованиях.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

• VII Всероссийская научной конференции с международным участием «Успехи современного естествознания » Сочи 2006 г. (2 доклада)

• III Всероссийской конференции молодых ученых Физика и химия высокоеергетических систем. Томск 2007 г

• Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2007). Петрозаводск. 2007 г.(2 доклада) и опубликованы в виде статей и тезисов докладов конференций:

1. А.А. Тихомиров. В.И. Сысун, В.А. Гостев // Прианодная область микронлазменного источника с острийным анодом. Прикладная физика №4 2008 с.49-52.

2. Тихомиров А.А., Сысун В.И. // Квазинейтральная область приэлектродного слоя при больших отбираемых токах. Успехи современного естествознания. №11.2006. С. 32-33.

3. Тихомиров А.А., Сысун А.В., Олещук О.В. // Переходные слои между плазмой и анодом. Успехи современного естествознания. №11. 2006. С. 31-32.

4. А.А. Тихомиров // Исследование микроплазменных образований в разряде с острийным анодом. Материалы III Всероссийской конференции молодых ученых Физика и химия высокоэнергетических систем. Томск. 2007 с.428

5. V.A. Gostev, А.А. Tikhomirov, V.S. Ignakhin, V.I. Sysun // Generator of air-plasma flow for biological and medical applications PPPT-5 Minsk 2007 V.2 p.791

6. Сысун В.И., Гостев B.A., Белозеров Д.М., Игнахин В.С, Тихомиров А.А. // Микроплазматрон с жидкометаллическим анодом Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2007). Петрозаводск. 2007. с. 153.

7. Сысун В.И., Гостев В.А., Тихомиров А.А. // Распределение концентрации в микроплазменном источнике с малым анодом Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2007). Петрозаводск. 2007. с. 109-111.

Вклад автора. Все экспериментальные исследования проведены за период 2005 2008 г. автором, которым сформулированы и обоснованы все задачи 5 диссертации. В коллективных работах автору принадлежат изложенные в диссертации выводы и защищаемые положения.

Обьем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 86 страницах, включая 46 рисунков и список литературы из 68 наименований. Приложение содержит 6 страниц.

3.3 Выводы

Полученные результаты моделирования позволяют заключить об удовлетворительном согласии эксперимента и результатов компьютерного моделирования, что подтверждает исходные предпосылки теоретической модели о существенной роли ступенчатой ионизации в прианодном плазменном образовании. Как и в эксперименте наблюдается ход концентрации по радиусу микроплазменного образования обратно-пропорциональный радиусу; более быстрый, чем линейный, рост концентрации с ростом тока; слабо растущая вольтамперная характеристика в микроплазменной области и слабо падающая в анодном слое. Относительное изменение концентрации по радиусу при разных токах близко, хотя видимый радиус плазменного образования с ростом тока растёт из-за большего абсолютного значения концентрации. Видимая граница соответствует значению концентрации близкой к 1013 см 3 при концентрации у анода (4-10)-1014 см~\

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной задачей проведены экспериментальные исследования и компьютерные моделирования прианодной области разряда с анодом в форме острия:

1. Собрана экспериментальная установка и освоены методы получения анодов в форме острия малого радиуса закругления, и тонких зондов.

2. Разработана локальная зондовая диагностика с помощью ступенчатого микронного перемещения тонкого оголённого зонда с измерением добавки тока на зонд на каждую ступень перемещения.

3. Проведены измерения вольтамперных характеристик и параметров плазмы микроплазмениого образования при изменении давления, радиуса закругления анода и разрядного тока.

4. Разработана теоретическая модель объединяющая, прианодный слой и квазинейтральную область плазмы учитывающая пнерциальные члены в уравнениях движения ионов и электронов, разность их концентрации, ступенчатую ионизацию атомов в квазинейтральной области согласующейся со значением коэффициента ионизации а в слое. Результаты компьютерного моделирования близки к экспериментальным данным.

5. Из приведённых экспериментов и теоретического анализа вытекают следующие основные выводы диссертационной работы:

Напряжение горение разряда составляет 200-400 вольт, возрастая с ростом давления и величиной межэлектродного промежутка. Большая часть которого составляет катодное падение потенциала.

Суммарное падение напряжения на анодном слое и микроплазменном образовании составляет 38-54 вольта при давлении 380-760 торр. возрастая с ростом давления, и практически не зависит от тока при токах 30-50 мА.

Потенциал плазмы вблизи анода с ростом тока слабо уменьшается (при р=0.5 атмосферы и р=1 атмосфера соответственно 32-40 вольт при 1=30 мА). Это указывает на слабо падающую вольтамперную характеристику анодного слоя. В то же время падение напряжения на микроплазменном образовании наоборот, слабо растет с током 10-12 вольт при 1=30 мА и 12-14 вольт при

1=50 мА). Это объясняет локальную привязку к кончику анода и сферическую форму плазменного образования.

Температура электронов составляет 1,5-2.2 эВ с возрастанием разрядного тока и снижением давления. Пространственно температура электронов близка к однородной со слабым спаданием по радиусу на 0,1-0,2 эВ.

Концентрация электронов в микроплазменном образовании возрастает к аноду от 10до 10h ел Г3 примерно обратно пропорционально радиусу, а не его квадрату как плотность тока.

Увеличение давления от 0.5 до 1 атмосферы приводит к увеличению концентрации электронов примерно в 2 раза у анода с более быстрым спадом у границ микроплазменного образования.

Уменьшение радиуса закругление анода с 33 мкм до 13 мкм приводит к незначительному изменению радиуса плазменного образования и концентрации электронов в нем. Это подтверждает локальность привязки микроплазменного образования к кончику анода.

1. А. с. 1108957 МКИ в H01J61/10. Точечный источник излучения / В.А.Гостев, В. И. Сысун, Ю. Д. Хромой; ПГУ (СССР). - № 4898469/07; Заявлено 02.01.91; Опубл. 07.10.92, Бюл. № 37. - 2 с ил.

2. Gostev V. A. The Investigation of Microplasma Source Radiation / V. A. Gostev, V. V. Mamkovich, V. I. Sysun // Proc. Contributed papers XXIII International conference on phenomena in Ionized Gases. France, Touluse., 1997. — V. 5. P. 80.

3. Nguchi Y. Direct measurment of electron density and temperature distributions in a micro-discharge plasma for a plasma display panel / Y. Nguchi . A. Matsuoka, K. Uchino and K. Muraoka // J.Appl. Phys. 2002. -V.91. P. 613.

4. Chen J. Development and characterization of mieromachined hollow kathode plasma display devices / J. Chen, S. Park, Z. Fan, J. Eden and C. Liu // J. Microelectromech. Syst. 2002. — V. 11.-P. 536.

5. Plasma Etching / edited by D. Manos and D. Flamm. Boston.: 1989. - P. 5-45

6. Ito T. Development of plasma chip / T. Ito, K. Izaki and K. Terashima // Surf. Coat. Technol. 2000.-V. 497.-P. 133-134.

7. Ito T. Multiple microscale plasma CVD apparatuses on a substrate / T. Ito, K. Terashima // Thin Solid Films 2001. V. 390. - P. 234.

8. Miclea M. Plasmas for lab-on-the-chip applications / M. Miclca, K. Kunze, J. Franzke, K. Niemax // Spectrochim. Acta 2002 -V.57. P. 1585.

9. Yin Y. Miniaturization of inductively coupled plasma sources / Y. Yin, J. Messier, J. Ilopwood // IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. V.27. - P. 1516-1524.

10. Kanazawa S. Stable glow plasma at atmospheric pressure / S. Kanazawa, M. Kogoma // J. Phys. D: Appl. Phys. 1988. V.21. - P. 838-840.

11. Napartovich A. P. Overview of atmospheric pressure discharges producing nonthermal plasma /

12. A. P. Napartovich // Plasmas and Polymers. 2001. Vol. 6. - P. 1.

13. Fridman C., Friedman G., A. Gutsol, Shekhter А.В., Vasilets V.N., Friedman A. Plasma processes and polymers. 2008, 5, DOI: 10.1002/ppap.200700154

14. Mounir Laroussi IEEE Transactions on plasma science. V. 30. - n. 4 P.1409-1413 Н.Гостев B.A., Мамкович В.В. Сысун В.И. Исследование электрокинетических испектральных характеристик микроплазмы разряда в геометрии острие-плоскость /

15. B.А Гостев., В.В. Мамкович, В.И Сысун // Вторая Международная конференция по физике плазмы и плазменным технологиям Минск, 1997 - т. 1,. - С. 98-99

16. Лебедева А. В. Исследование возбуждения ионов ртуш в микроплазменном ионизаторе / А. В. Лебедева В.А. Гостев В.В. Мамкович В.И. Сысун // Материалынаучной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТГ1-2002. -Петрозаводск. С. 33-34.

17. Arhipenko V.T. The hight-current self-sustained normal atmospheric pressure glow discharge in helium at dc and ripple voltage / V.I.Arhipenko, A.A. Kirillov, L.V. Simonchik, S.M. // Zgirouski XXVIIth ICPIG, Eindhoven, 2005. - P.4

18. Yokoyama Т., Kogoma M., and Kanazawa S., Moriwaki Т., and Okazai S., J. Phys. 1900 D 23, - P. 874

19. Kogoma M.and. Okazai S, J. Phys. 1994 D 27, - P.1985

20. Gostev V. A., Mamkovitch V. V. Sysun V.I. Radiation point source // Proceeding of the third InterKarelian conference. Teaching mathematics and physics in secondary and higher education, Petrozavodsk. 1998. - P. 290-292

21. Напартович А.П., Старостин А.Н. / Химия плазмы // Под ред. Б. М. Смирнова. М. 1979. -В.6.- С.153

22. Голубовский Ю.Б., Зннченко А.К., Каган Ю.М. // ЖТФ. 1977. т.47. №7. с.1478-1484.

23. Dyatko N.A., Ionikh Y.Z., Meshchanov A.V., Napartovich A.P., Yuretskiy A.V., Contributed papers of 18-th ESCAMPIG, Lecce, Italy, 2006 , P. 209.

24. Напартович А. П„ Старостин А.Н. // Химия плазмы. Под ред. Б. М. Смирнова. М.: Атомиздат, 1979. В. 6. - С. 153

25. Физическая энциклопедия. Под ред. ак. A.M. Прохорова. Том 3. М.: «Большая российская энциклопедия». 1992. -С. 351 - 355.

26. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. М.: Наука, 1980.-С. 243-309.

27. Гостев В.А., Мамкович В.В., Сысун В.И. // Исследование электрокипетических и спектральных характеристик микроплазменного разряда в геометрии остриё-плоскость

28. Минск Вторая Международная конференция по физике плазмы и плазменным технологиям. 1997. т. 1. - С. 98-99.

29. Кожевников В.10., Козырев А.В., Королев Ю.Д. Теория нормального тлеющего разряда повышенного давления // Известия вузов. Физика. 2006. №2. - С.71-77.

30. Сухинин Г. И., Федосеев А.В. Численное моделирование сферического тлеющего разряда // Материалы Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы Петрозаводск 2001. - Т. 2. С. 64 — 68.

31. Голубовский Ю. Б., Некучаев В.О., Пелюхова Е.Б. // ЖТФ. 1996. т. №66. - С. 76.

32. Kline L. Е. and Kusgner М. J. Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 1989 V. 16. - P. 1

33. Graves D. B.and Jensen K.F., IEEE Trans. Plasma Sci. 1986. Ps-14. - P.78

34. Graves D. В., J. Appl. Phys 1987. 62. - P.88

35. Bayle P., Vacquie J.and Bayle M. Phys. Rev. 1986. A 34. - P.360

36. Ph. Belenguer and Boeuf J.P. Phys. Rev. 1990. A 41, - P. 4447

37. Graves D. В., Nitschke Т. E., and Surendra M., // Abstract DB-6, 44-th Gaseous Electronics Conference, October 1991. Albuquerque, - NM. P. 132-138.

38. Boswell R.W. and Morey T. J., Appl. Phys. Lett. 1988. 52. - P.21

39. Sommerer T. J., Hitchon W.N. Harvey R.E, and Lawler J.E., Phys. Rev. 1991 A.43, P. 4452

40. Porteous R. K. and Gaves D.B., IEEE Trans. Plasma Sci. 1991. PS - 19. - P. 204

41. Weng Y. and Kushner M.J. Semiconductor Research Corporation report 1991. C91695.

42. Godyak V. A. and Piejak R. B. Phys. Rev. Lett. 1990. 65. - P. 996

43. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Под ред. ак. В.Е. Форгова. Вводный том. Книга III М.:«Наука».МАИК Наука Интерпериодика» 2000, - С. 351 - 355.

44. В. JT. Грановский Электрический ток в газе. Установившийся ток. М. 1971. -С. 544

45. Engel A Phil Mag. 1941-Р.32

46. Клярфельд Б.Н. ЖЭТФ, 1952. т. 22, - С. 66,

47. Tonks L. and Lengmuir Phys. Rev, 1929. V. 34, - P. 876-922.

48. Schottky W.Diffusionstheoric der positiven saule Physik. Zeischr., 1924. v. 25, - P. 635640.

49. Lendmuir , Mott Smith H. Gen. Electr. Rev., 1924. v. 27, p. 449, 538, 616, 762, 810.

50. Bohm D. The characteristics of electrical dischargers in magnetic fields, ed.by A. Guthril. New York, 1949. -P. 110

51. Акишев Ю.С., Высикайло Ф. И., Напартович А. П., Понамаренко В.В. Исследование кваз и стационарного разряда в азоте//ТВТ. 1980.-Т.18, вып. 2. С. 143-158.

52. Дыхне А. М., Напартович А. 11, О приэлектродной неустойчивости плазмы газового разряда // ДАН СССР 247. №4, 1979. - С.837-840

53. С.В. Пашкин Об анодной области высоковольтного диффузионного разряда при средних давлениях // ТВТ 1976. т. 14. - №3 - С. 638-639.

54. В. J1. Грановский Электрический ток в газе. Установившийся ток. М. 1971. С .524

55. Акишев Ю. С., Напартович А. П., Перетятько П. И., Трушкин II. И. Приэлектродные области тлеющего разряда и нормальная плотность тока на аноде // ТВТ, т. 18. - №4 1980. - С. 873-877

56. Физические величины. // Справочник под редакцией Григорьева И. С. Мейлихова Е. 3. -М. Энергоиздат, 1991. С. 1232

57. Исламов Р. Ш. Расчетные характеристики анодной области продольного разряда с учетом диффузии // ПМТФ №5. 1990. - С. 3-5

58. Давыдов Б., Змановская Л.//ЖТФ , 1936. т.6. - В.7. - С. 1244-1255

59. Boyd R. Proc. Phys. Soc. 1951. V.B. - P.795-804

60. Захарова B.M., Каган Ю.М., Мустафин K.M., Перель В.И.// ЖТФ, 1960. Т.30. В.4 С. 442-449.

61. Ульянов К.Н.//ЖТФ. 1970. т.40.- В.4.- С.790-797

62. Сысун В.И. Зондовые методы диагностики плазмы. Петрозаводск. 1997. С.60

63. Дж. Мик, Дж. Крсгс Электрический пробой в газах. М. Издательство иностранной литературы. М. 1960 г. -С. 628

64. В. JI. Грановский Электрический ток в газе. Установившийся ток. М. 1971. С. 72

65. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизированных газах М. 1967 С.236