Исследование протяженной плазмы отрицательного свечения в разрядах с цилиндрической геометрией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

санкт - петербургский государственный универсистет

На правах рукописи

МОВЧАН Игорь Анатольевич

ИСС.ПЕЙОВАНИЕ протяженной плазмы отрицательного свечения в разрядах с цилиндрическпя геометрией

Специальности! 01.04.03 - оптика?

01.04.0В — физика и химия плазмы

Автореферат - диссертации на соискание ученой степени кандидата оиоико — математических наук

Санкт — Петербург 1992

Работа выполнена г Научно - исследовательском институте Физики Санкт — Петербургского государственного университета.

ч

Научные руководители:

доктор физико — математических наук кандидат физико — математических наук

КОЛОКОЛОВ Н.Б. КУДРЯВЦЕВ А.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук доктор Физико - математических наук

ДЮЖЕВ Г.А. ЦЕНДИН Л.Д.

Ведущая организация: Государственный оптический институт им, С.И. Вавилова

ш

июня

1992

Защита диссертации состоится года час_ иа заседании Специализированного совета

К 063.57.10 по присуждению ученой степени кандидата наук Санкт — Петербургском государственном университете по адресу: 199304, Санкт - Петербург, Университетская наб., 7/9 .

С диссертацией можно ознакомиться в ёиёлиотеке Санкт Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан ' ' 1992 г.

в

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат физико - математических наук

ТИМОФЕЕВ Н.А.

'шттв сертдций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время большое внимание уделяется поучению плазмы отрицательного свечения ( ОС ), возникающей в газовом разряде пол действием электронного пучка-ионизатора из катодного темного пространства. Такой способ формирования плазмы имеет свои полезные особенности. Пучок быстрых частиц обычно имеет энергии, при которой велики сечения неупругих процессов, и поэтому в столкновениях с частицами среды эффективно передает свою энергию в возбуждение и ионизацию. В подобных столкновениях активно возбуждаются высокорасположенные уровни, а изменяя начальную энергию пучка, можно производить их селективное возбуждение. Для получения плазмы ОС часто используют конструкции с цилиндрической геометрией, где большая часть электронов оказывается запертой е разрядном объеме скачком потенциала в при— катодной области. >го позволяет заряженным частицам за время жизни в разряде полностью продеградировать по энергии в ограниченном объеме и повышает энергетическую эффективность разряда. В таких конструкциях можно получать протяженные однородные плазменные объемы, которые существуют в широком диапазоне рабочих давлений и токов, сохраняя однородность в аксиальном и радиальном направлении.

Указанные свойства плазмы ОС оказались весьма полезными при решении многих задач в науке и в технике. В настоящее время она широко применяется в спектроскопических исследованиях и при изучении многих элементарных процессов. Плазма ОС используется в промышленных ионных приборах, в осветительных и индикаторных устройствах, при сварке и резке металлов и т.д. Важнейшей областью применения плазмы ОС явилось создание целого класса газоразрядных лазеров.

Многообразие решаемых научных и технических задач определило и тот широкий набор разрядных устройств, в которых получает плазму ОС. Несмотря на то, что данные конструкции нашли широко?? применение, сами они как физические объекты изучены недостаточно. Это определяет актуальность темы диссертации, посвященной теоретическому и экспериментальному исследованию Формирования плазмы ОС в разрядах с различными электродными конструкциями цилиндрической геометрии.

Целы» н»етоий работы илилосы

1. Анализ основных физических принципов Формирования разрядов с образов и чем протяженной плазмы ОС.

2. Уточнение и ршипи* суместаумяих моделей Формирования данных разрядов.

3. Комплексное экспериментальное исследование параметров протяженной плазмы ОС на примере вольерного разряда.

4. Построение адекватной физической модели ОС цилиндрической геометрии на основе анализа теоретических и экспериментальных данных.

Научна« новизна и практическая ценность"работы заключается в следушмем >

1.На основе анализа конструктивных особенностей и рабочих режимов разрядов, в которых получается протяженная плазма ОС, выявлены черты, определяющие их физическую общность.

2. Исследовано формирование Функции.распределения электронов по энергиям < ФРЭ > в плазме разряда с полым катодом < ПК ). Рассчитана ФРЭ быстрых электронов, позволяющая получить пространственное распределение оптических характеристик плазмы. Проанализировано формирование медленной части фР> и предложена методика ее расчета с использованием найденной Функции распределения быстрых электронов. Уточнены уравнения баланса концентрации и температуры максвелловских электронов.

3. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование вольерного разряда. Изучено пространственное распределение оптических характеристик в широком, диапазоне ч разрядных условий. Зондовым методом исследовано распределение потенциала плазмы и концентрации заряженных частиц. Измерены ФРЭ в плазме инертных газов.

4. Предложена Физическая модель рассматриваемых разрядов. Разработан единый подход для расчета быстрой части ФРЭ, позволяющий описать ее формирование с учетом конструктивных особенностей конкретного разрядного устройства. Предложена методика расчета медленной части ФРЭ и определения параметров плазмы. Определены условия самоподдержания разрядов данного типа.

3.

Апробация работы и публикации- Материалы, вошедшие в диссертацию докладывались на конференции молодых ученых ГГО 1990 — -91 гг. Основные результаты работы опубликованы в трах статьям, приведенных в конце автореферата.

Структура и ой*ем диссертации. диссертация состоит иэ введения, четырех глав и заключения. Обций объем работы — 194 страницы машинописного текста, включая 46 рисунков и 3 таблиц. Список цитированной литературы содержит 79 наименований»

содержание работы

Во введении кратко обоснован- выбор теми диссертации, se связь с проблемами, представляющими в настоящее время научный и практический интерес, сформулир оя ямы цели работы, дана ее краткая общая характеристика и изложены основные результаты.

В первой главе рассматривайте* разновидности и характерные свойства разрядов с образованием протяженной плазмы отрицательного свечения. Самыми распространенными и наиболее изученными иэ них являйтея полые катоды ( ГЖ >. Ими называются катоды, рабочая поверхность которых имеет* отрицательную кривизну или состоит из отдельных поверхностей ' ( включая и плоские >, ограничивающих часть пространства газоразрядного устройства и создающих полость /1/. Применяются .ПК различной геометрии — плоскопараллельные, цилиндрические, сферические; при этом анод в Форме пластины < или какой-нибудь другой формы ) находится вблизи катода на таком расстоянии от него, чтобы непосредствен но между ними пробоя не возникало. Известна и другая геометрия ПК, когда анод также выполнен в форме цилиндра большего радиуса и расположен коаксиально с катодом сверху, него . Отметим, что приведенное определение ПК"может быть распространено на широкий класс разрядных устройств, т.к. оно не оговаривает ни конкретную конструкцию катодного узла, ни форму анода, ни его положение относительно катода (или катодных поверхностей). Однако, традиционно под ПК понимают устройства описанные выше, в которых применяется сплошной металлический катод, в нашем случае—в виде цилиндра. Возможные конструктивные особенности, как правило, оговариваются в каждой работе особо. Разрядные устройства,

рассматриваемые ниже, можно определить как полые катоды, но, вместе с тем ани имеют и свои собственные устоявшиеся названия, йля того, чтобы в работе избежать терминологической двусмысленности, под полым катодом ни будем понимать описанные конструкции со сплошным металлическим катодом—цилиндром. Для разрядов, имеющих собственное название, мы сохраним его. При этом сразу оговоримся, что различие в названиях большей частью терминологическое. Анализ, проведенный в работе, имеет целью доказать физическое единство рассматриваемых разрядов и на этой основании классифицировать их как: разряд внутри цилиндрических полых катодов с различными электродными конструкциями.

Другой разновидностью разряда с полым катодом являются конструкции, где анод < аноды ) вводятся внутрь полости катода. Если при этом изготовить аиад в виде металлической сетки, то получится известная конструкция, исследованная в /2/ и названная там 'открытый разряд*. Данная конструкция приобретает некоторые особенные качества, если внутреннюю поверхность катода покрыть специальным оксидным слоем, имеющим высокую эмиссионную способность. Нагревая катод снаружи, можно получить значительные токи эмиссии, порядка I А/см^. Эмиттированные катодом электроны попадают внутрь анода с энергией, определяемой ускоряющей разностью потенциалов, приложенной между катодом и анодом. Такая конструкция дает возможность получать плотные электронные пучки заданной энергии и называется 'коаксиальной электронной пушкой' /3/. Если заменить цельный анод—сетку на периодическую структуру анодов стержней, получится конструкция, называемая 'НАС' <hollow anode-cathode) /»/.

Рассмотрим пример конструкции, в которой катод не сплошной, а образован системой электродов. Разрядное устройство подобного типа для получения протяженной плазмы отрицательного свечения, называемое 'вольерным', описано и исследовано в /5/. Оно представляет собой систему стержневых электродов, расположенных пЬ образующей цилиндрической поверхности вдоль ее оси. Электроды соединены через один, т.ч. образуют набор анодов\ и катодов, расположенных поочередно. Другой пример подобной конструкции - электродная система, состоящая из двух или трех спиралей одного радиуса и шага, вложенных друг в друга /4/.

Общность рассмотренных разрядных устройств заключается в

том, что катод (или набор катодных элементоэ) имээт (образует) поверхность с отрицательной кривизной, ограничивающую квазизамкнутый объем. При этом, как правило, конструкция имеет цилиндрическую симметрию. Другой обшей чертой является применение затрудненных условий. Рабочее давление р и минимальное расстояние между анодом и катодом должны удовлетворять условия pd<pQd0 <Pq—1 Topp, <Jq—расстояние, необходимое для существования короткого тлеющего разряда). В этих условиях пробой непосредственно между электродами невозможен, и при напряжении 200—600 В разряд Формируется в виде слоя катодного падения и столба ОС вдоль оси устройства, что и определяет его единую физическую природу для всех рассматриваемых устройств. Вместе с тем они име»т и свои характерные особенности. Например, режим движения электронов в конструкциях с цельным катодом может отличаться от их движения в случае катода 'составного', т.к. для последнего имеется возможность ухода электроноэ в аксиальном направлении.

Наиболее изученный из рассматриваемых разрядов — ПК. В /6/ проведен расчет ФРЭ в области энергии выше порога неупругих процессов. Ао-горы указывают, что кинетическое уравнение в общем случае необходимо решать с учетом изменения углового распределения ФРЭ. Чтобы избежать связанных с этим сложностей в расчетах, в работе найдена функция, усредненная по углам и по всему объему ПК. Однако, используемая методика нахождения усредненной Функции распределения не позволяет рассчитывать локальные профили возбуждения и ионизации и не учитывает тот факт, что ОРЭ в упругой области энергий с < с^ — порога неупругих процессов близка к и5?тг;-.яной и в зависимости от условий Формируется а локальном или нелокальном режиме. Предложенная в /7/ система уравнений баланса для определения концентрации п^ и температуры Т^ максвелловскмк з лек-трон~Е имеет ограниченную область применимости и нуждаетя в уточнении.

При рассмотрении открытого разряда в /2/ в его поддержании основная роль отводится фотоэмиссии электронов с поверхности катода. При этой никак не рассматривается ионный поток на катод из плазмы ОС, формирование ФРЭ в ней, баланс заряженных частиц и энергии-

В /5/ описаны отдельные эксперименты в ОС вольерного разряда. Измерение фРЭ проведено в узком энергетическом диэпгзснэ

и с невысокой чувствительностью. Интерпретация «армирования плазмы в данном разряде носит сугубо качественный характер и содержит неподтвержденные экспериментом и противоречивые положения.

Таким образом, в первой главе установлены конструктивные особенности и рабочие условия, определяющие формирование а цилиндрически-симметричных разрядных устройствах протяженных объемов плазмы ОС. Проанализированы литературные данные об экспериментальных и теоретических исследованиях плазмы данных разрядов. Проведен критический анализ существующих моделей, определены положения, требующие дальнейшей разработки и экспериментальной проверки.

Во второй главе развивается теория разряда с полым катодом. Известно, что разряд с полым катодом (ПК) характеризуется большими значениями разрядного тока по сравнению с тлеющим разрядом при том же напряжении. Это, в частности, связано с тем, что в процессе вторичной электронной эмиссии с катода участвуют осе ионы, рожденные как в катодном слое, так и в отрицательном свечении. Совместное решение уравнения Пуассона для толщины слоя КП и условия самоподдержания разряда с использованием рассчитанной е настоящей райоте ФРЭ показывает, что толщина слоя мала, т.ч. в плазму влетает практически монокинетический электронный пучок. Расчеты для типичных разрядных условий s ПК также показывают, что основная ионизация частиц среды производится этим пучком в плазме ОС, а размножением электронов в области КП можно пренебречь даже при учете многократного прохождения пучка в катодных слоях.

При расчете ФР> в данной работе область энергии (О,) (ефвеличина катодного падения) разделялась на три диапазона, в которых кинетическое уравнение имеет различный вид. При <

с < еф^ можно считать, что ФР> является анизотропной, при с < ~ изотропной, с^ — энергия, при которой сечения упругих и неупругих процессов приблизительно равны. В области энергии < с < &<t>c решение кинетического уравнения для полной ФРЭ в

отсутствие внешнего поля имеет вид!

п .

fU,r> (-i) +2 R i), (1)

где W(£,r) = -f (e,r-> + f_(e,r), а суммирование no i учитывает

отражение электронов от стсгмок при £ — г^. п — число отражений.

В приближении одинаковых потерь ргии ni-:-. ?-»г?упгзугих столкновениях -f ( й,г)

>:р <-<R-r>/X )

- R-S-

М

.к

14

ei

■ ' 1 V* J к! C

С,г) - С,- г) .

_ *

Здесь с —энергия, теряямэя при одном столкновении, частота

неупругих столкновений. *

При с < с < Для разрядов цилиндрической геометрии СРЭ целесообразно находить о пиле разложения о ряд по функциям Бесселя. При этом к—тая гармоника запишется как:

, . М

= А, —-— ) ¡1 + /К> <5 , (2)

'' „ 1 ^ 2

е* 1 =0

где Л — (I) /1- .) — длина энеогетическои релаксации электрона г е-г

И М = М(С> =- .

R

А,

2

R2 "О

Г f <£„.г> r/R)rdr

л — П к

Рассчитав фРЭ быстрых электронов, можно получить просили интенсивности ионных и атомных линий. В эксперименте было установлено, что интенсивности ионных линий максимальны на оси при низких давлениях (pR < 3 Topp см>, с увеличением дааления упло— цамтсп и имеют провал на оси при еще более высоких дазлэкипх. D то же время распределение атомных линий либо постоянно, лийо имеет подобный провар (см.рис.1,2). >то объясняется тем, что ионные линии возбуждаются анизотропными электронами, фокусирующимися на оси, а атомные линии - изотропными электронами, движение которых носит диффузионный характер. При высоких давлениях (pR 4 Topp см) , когда электроны пучка полностью релаксиру— ют го энергии, не доходя до оси, при значительных разрядных токах основную' роль в заселении возбужденных уровней играет ¡рекомбинация.

I D области энергий с < с, ^ электроны образуются в результате

процессов возбуждения и ионизации электронами се > с1, а также

процесса Пеннинговской ионизации. Если длина энергетической

1/2

релаксации Х^ = Х/<6<1>ев+*51>а)) < И - радиуса ПК, (высокие

давления или п ) то ФРЭ формируется локально и имеет вид: ©

£

В (г > г- 1 +• * » С «хр(-е/Т ) * те- ] И , (3)

+ + ее а

где Я <£) и а <£) - энергетическое и пространственное распределение названных выше источников ионизации. В обычных разрядных услооич-'.- » Я, ФРЭ нелокальна и зависит от полной энергии & = п + е£(г,х), где е</*(г ,:с) — профиль потенциала. Т.к. в данном разрядном устройстве электроны заперты в радиальном направлении (в^/вт = 0, г«Н), кинетическое уравнение можно усреднить по сечению ПК. Если при этом X < (_ — длины ПК, то и в этом случае

ФРЭ представляет собой максвелловскую в тепловой области и %

ступеньку, определяемую релаксацией по энергии на межэлектрон— ных и упругих электрон—атомных столкновениях (3), где с в дан— ном случае—полная энергия и □ (г), = О —соответственно усредненная интенсивность источников. Ее можно легко найти из раз— 2

рядного тока [_0 {пренебрегая рекомбинацией). При > Ь

следует различать две группы электронов: запертые с с < перепада аксиального потенциала между центром катода и его торцами, и свободные с > еф^. состоит из амбиполярного

потенциала ~ Т^ 1п пи потенциала, выравнивающего электрон-

ный ток на анод и ионный ток на катод. Типичные значения еф^" 3—5 Те- йля запертых электронов ФРЭ имеет вид (3) с заменой на еФ^ Электроны с е. > еф^ уходят через торцы цилиндра, не успев прорелаксировать по энергиям. В этом случае ФРЭ имеет вид:

°о еф1 +

*<£>=С ехр(-£/Т >-С ехр«-»^. /Т ) +■ — Г Я

п , (4>

с

т.е. определяется балансом интенсивности источников и диффузии в аксиальном направлении.

Баланс электронной концентрации рассчитывается исходя из уравнения амбиполярной диффузии с учетом полученных профилей источников ионизации, интенсивность которых можно находить по току разряда. Если пренебречь рекомбинацией, распределение заряженных частиц имеет пораболический профиль или более плос-

кий, nBCr)-r»0, г < г0 и пе(г> » <R2-r2>/■ <R~-ro> , г > г0, где R-rQ определяет область действия источников ионизации. Баланс температуры максвелловских электронов включает нагрев при столкновениях с быстрыми электронами и охлаждение при упругих и неупругих столкновениях с атомами. Сравнение рассчитанных и измеренных в эксперименте величин п^и Т^ дает хорошее согласие.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования плазмы ОС вольерного разряда при типичных разрядных условиях р = О.5-4 Topp, i = 20-70 мА. Оно включало в себя оптические и зондовые измерения. Оптические измерения состояли в' регистрации спектра излучения, изучении распределения интенсивности спектральных линий вдоль радиуса разрядного устройства, зависимости данного распределения от разрядных условий и определении концентрации возбужденных атомов. В спектре излучения вольерного разряда в Не зарегистрированы те же линии, что и в ПК, но с меньшей интенсивность» ионных линий по отношению к атомным. Радиальные распределения интенсивностей изучались во всем диапазоне разрядных условий для триплетных и синглетных атомных линий и для ионной линии (см.рис.3,4). Обращает внимание, что в данном разряде не реализуется максимум интенсивности на оси для ионной линии при тех жь? условиях, когда в разряде с ПК он ярко выражен. Это указывает на меньшую роль фактора геометрической фокусировки е вольерном разряде и соответствует нашим представлениям о формировании пространственного роаспределения пучка э данной электродной конструкции. Методом поглощения в варианте двух трубок измерены концентрации метастабильных атомов Не. В наших условиях величины составили (3—S» 10*" для уров—

3 9 1

ня 2 Sj и С5-9) Ю для уровня 2 Sq.

Зондовые измерения включали в себя получение вольтамперных характеристик и изучение пространственного распределения потенциала плазмы и'концентрации заряженных частиц. Экспериментальные зондовые ВАК имели характерный иплпм на электронной части, указывающий на присутствие в разряде двух групп электронов с существенно разной температурой. Ее значение составляло несколько легятых долей эВ для максвелловских электронов и несколько эВ для быстры-. Радиальное распределение концентрации заряженных частиц изучалось по измерению ионного тока насыщения на зонд. Полученные ьривые имели практически пораболическую

форму при давлениях от 0.5 Topp до 2-3 Topp и более плскае распределение при более высоких даолениях. Измерение потенциала вдоль радиуса трубки показало, что он остается постоянным с точностью до О.1 Б при смешении до 3/4 R в любую старому от оси и затем быстро возрастает до величины падения напряжения на трубке. В работе также были проделаны измерения СРЭ в плазме вольерного разряда в диапазоне рабочих условий. Оки проводились методом модуляции зондового тока и выделения второй производной. Из рис.5 видно, что СРЭ в Не при давлении 1.7 Topp имеет дае составляющие. 8 области О-З эВ сосредоточена основная группа электронов с 3 1011 см И;; распределение близко к максвелловскому со сравнительно низкой Т = О.2 эВ. В области энергии 3—20 эВ функция сильно, обогащена электронами по сравнению с максвелловской при то?) же температуре. При энергиях 14.5 и 19. ß эв видны уширенные пики — следы рождения быстрых электронов в реакциях Пеннинговской ионизации и ударов второго рода. Обнаружена радиальная зависимость быстрой части СРЭ, связанная с уходом части электронов в радиальном направлении на аноды (см. рис.6). В работе были также измерены функции распределения в вольерном разряде в Хе, Не -<- Хе, Не + воздух и в воздухе.

В четвертой главе предложена самосогласованная модель вольерного разряда. Вначале для элемента симметрии данной конструкции катода и двух соседних с ним анодов - рассматривается организация катодного слоя. Граница плазмы, которая условно совпадает со светящейся областью, практически вплотную подходит к анодам и отделена от катода темным слоем падения потенциала. Линии равного потенциала представляют концентрические окружности с центром на оси катода. Тогда силовые линии, перпендикулярные к ним, направлены по радиусам данных окружностей. Направление сшваых линий определяет движение ионов на катод и движение электронов, эмиттированных катодом под действием ионной бомбардировки. Электроны, влетающие в плазму, могут быть представлены в виде расходящегося 'веерообразного' пучка. Распределение П1-ГЦОСТИ внутри него не равномерно, а имеет свою диаграмму направленности, определяемую концентрацией силовых линий в данном направлении и, по нашим представлениям, вытянутую к оси разряда. Для такой геометрии решалось уравнение Пуассона и при

типичны*'для разряда условиях р= 0.5-4 Topp и 1= 20-70 мА получены оценки pd" О.3-0.4 Topp см, что совпадает со значениями, полученными при зондовых измерениях. Данные оценки подтверждают, что слой можно считать тонким и на выходе из него рассматривать монокинетический электронный пучок.

Далее в работе рассчитывается ФРЭ анизотропных электронов. При этом применяется следующий подход. Электрон, вылетающий из катодного слоя, движется через плазменный объем по прямой, теряя при этом энергии на ионизации и возбуждение. Для описания этого процесса применяется приближение непрерывных потерь /3/. Подлетев к слои с противоположной стороны, электрон или отражается или, попав в область близкую к аноду, уходит из объема. Этот процесс характеризуется коэффициентом /Э(е,у>, имеющим смысл эффективной отражающей поверхности. Отразившийся электрон сохраняет угол V между направлением движения и радиальным направлением и снова проходит весь разрядный объем по прямой. В такой модели ФРЭ находятся суммированием по множеству таких пролетов.

Затем она усредняется с Функцией А <v>> — диаграммой направленно—

1

сти вылетающих из слоя электронов и в итоге получается в виде п

V V<i i

2Li j £ (с-еф +ЛС0>!>£Г UCasvOACw'dvu , С5>

i=0 -у с

*

где л-1/к , а л —цена рождения электрон-ионной пары.

Отметим, что предложенный подход не накладывает никаких требований на конкретную геометрии электродной конструкции и может быть применен к любому из рассматриваемых устройств. В каждом случае для расчета необходимо только выбирать адекватные аппроксимации функций 0(е,у/> и А(V) . Так, например, для ПК следует положить /Э <е, у) »^const=i и А <v> ~<5 (V) , что приведет к выражениям, полученным во второй главе.

Расчет функции распределения в области энергии < с < проводился аналогично случаю разряда в ПК с соответствующими граничными условиями, учитывающими отражение и уход электронов на периферии плазменного объема.

Для медленных электронов с энергией с < с^ следует различать случаи X. > R и < R . В общем случае ФРЭ находится в виде разложения в ряд по функциям Бесселя. Если X< R , ®рэ Формируется в локальном режиме и определяется балансом имтен—

сивности рождения электронов и энергетической релаксации на межэлектроннык и упругих электрон-атомных столкновениях (см.(3)). В обратном случае > И режим формирования ФРЭ нелокальный и основным механизмом гибели электронов является их диффузионный уход в радиальном направлении на аноды:

+ К а г + Не,г) - К <е> / —— / о <г)п1г (6)

г г О

Знание вида Функции распределения позволяет написать условие самоподдержания разряда рассматриваемого типа. Его совместное решение с уравнением Пуассона дает зависимость 1(и) -иольтамперную характеристику разряда. Рассчитанйые ВАХ вольерного разряда получаются"слабо растущими в согласии с экспериментом и правильно отражают тенденцию изменения с давлением. Они также дают большие значения величины катодного падения по сравнению с разрядом в ПК. Этот факт объясняется тем, что часть быстрых электронов уходит из разрядного объема, не успев произвести максимально возможное число ионизаций, и поэтому для поддержания разряда требуется их большая начальная энергия.

основные результаты работы

К основным результатам, полученным в работе, можно отнести следующие:

1. Проанализированы особенности разрядов, в которых получаются протяженные объемы плазмы отрицательного свечения, выявлены черты, определяющие их физическую общность.

2. Исследовано пространственное и энергетическое распределение электронов в плазме разряда с полым катодом в широком дипазоне энергии.

а) Рассчитана ФРЭ в области энергии выше порога неупругих процессов , позволяющая получить локальные характеристики возбуждения и ионизации и пространственные профили свечения спектральных линий.

б) Рассчитана функция распределения медленных электронов. Показано, что из-из нелокального характера ее формирования она зависит от интегральной по сечению скорости ионизации. Выявлен

«

проанализирован режим, когда основную роль в формировании ФРЭ *ет играть диффузионный уход электронов в аксиальном направ-чии.

Проанализирован баланс электронной концетрации и температуры плазме разряда с ПК.

3. Проведено комплексное экспериментальное исследование эзмы вольерного разряда.

Получены пространственные распределения оптических характе— стик плазмы в широком диапазоне разрядных условий.

Зондовым методом исследованы пространственные распределения тенциала плазмы и концентрации заряженных частиц.

Измерены функции распределения электронов в плазме для рабо-IX условий в вольерном разряде, определены электронная концен— ация и температура.

4. Построена Физическая модель вольерного разряда. Предложен единый подход для расчета анизотропной части Функ—

1и распределения в разрядах с цилиндрической геометрией и юведен ее расчет в вольерном разряде. Рассчитаны профили >збуждения и ионизации, правильно передающие наблюдаемые в ссперименте закономерности.

Проанализировано Формирование медленной части ФРЭ в локаль— 1м и нелокальном режимах для реализуемых в эксперименте ряз— *дны>: условий.

| Рассчитаны концентрации и температуры электронов для типич— >1х условий и проведено сравнение с экспериментом. I Определены условия самоподдержания разряда, рассчитаны его адекватно отражающие экспериментальные данные.

Цитированная литература.

Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969. Бохан П.Д., Колбычев Г.В. Генерация сильноточных импульсных электронных пучков в газе среднего давления //ЖТф. 1981. Т.51, с.1В23-1В31.

Пиотровский Ю.А., Толмачев И.А. Спектроскопическое исследование плазмы, образованной мощным электронным потоком в инертных газах //ЖПС, 1980. Т.32, N6. С.974-778.

4. Rosza К. Gas - Es Femgoz1ezerek celjara alkalmazOtt urege« katodu kisulesek. // Kandidatusi ertekezes. Budapest. 1984.

5. Васильева H.B., Волков H.B., Hoaгородов M. 3., Соболев H.H.

Свойства плазмы вольерного разряда // физика плазмы . 1982. Т.8, с. 619-624.

6. Каган Ю.М., Лягущенка р.И., Хворостовский С.Н. D распредели мии электронов rio энергиям в полом катоде I // ЖТф. 1972. Т. 42, N8. С.1636-1692.

7. Апостол И. и др. Расчет концентрации и температуры медленных электронов а полом катоде- // ЖТф. 1976. Т.46, N9. С.1997-

1999.

3. Kolobov V.t., Tsendin L.d. Simple analytic model of

the cathode region of short glow discharge in light gases. // Phys. Rev. in press.

Материалы, вошедшие в диссертацию, изложены в следующих работах:

1. Арсланбеков P.P., Кудрявцев A.A., Мовчан И.А. Пространственное распределение быстрых электронов в плазме отрицательного свечения различной геометрии. // Депонированная рукопись 0S.06.91. N1080-0191 С. 130-139.

2. Арсланбеков P.P., Кудрявцев A.A., Мовчан И.А. О пространственном и энергетическом распределении быстрых электронов в разряде с цилиндрическим полым катодом // ЖТФ. 1992. Т.62, N4. С.36-42.

3. Арсланбеков P.P., Кудрявцев A.A., Мельников A.C., Мовчан И.А. Зодовые измерения функции распределения электронов по энергиям в плазме вольерного разряда. //ЖТф. 1992. Т.62, N4.

С. 57-59.

0.5-

О 0.SR R О 0.5R R

■с. 1.Профили линии Hell 4&S3 А Рис. 2.Профиле линии Hei 5875 А в разряде с ПК. в разряде с ПК.

Сплошная линия — эксперимент, штриховая - расчет.

IST

0.5

1.5 Topp ^Х/

5ТоР Г уГ Iii

4 Toff г

0,5-

0.5R

R

0.5R

ис.З.Профили линии Hell 4AS5 А Рис.4.Профили линии Hei 5875 А в вольерном разряде. в вольерном разряде.

1= 50 мА. р» 2 Topp.

1

IS.

Рис.5. фРЭ s Не, разрядный ток Рис.6. Радиальная заеиси-

1=30 мА. wocTi, быстрой части фРЭ.

р=2 Topp, 1=30 мА.

Подл, к печ. 12.05.199? г. Т. 100 экз. Зак. 183

Типография B3JCT3 им. A.C. Попова