Кинетические ионизационные волны в разряде в неоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

нб оа

..... -1--»,

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

Нисимов Станислав Урилович

КИНЕТИЧЕСКИЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ В РАЗРЯДЕ В НЕОНЕ

Специальность: 01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт - Петербург 1994

Работа выполнена на кафедре оптики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Голубовский П.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Цендин Л.Д. член-корреспондент РАН Дкжев Г.А.

Ведущая организация: Всероссийский научный центр "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова"

Защита состоится " " дишхфг^ 1994 т.

/г 20

в 'л час. на заседании специализированного совета К.063.57.10 по присуждению ученой степени кандидата наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан " /Г " /т1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

Н.А.Тимофеев

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ. Положительный столб тлеющего разряда в инертных газах - традиционный объект изучения физики газового разряда, что обусловлено разнообразием процессов и явлений, протекающих в положительном столбе, а также широким его применением в. различных газоразрядных устройствах - лазерах, газоразрядных источниках света и т.д. В различных разрядных условиях существование положительного столба обусловлено различными элементарными процессами, что дает разнообразие явлений, наблюдаемых в нем. Так, положительный столб может быть диффузным или контра-тированным, однородным в продольном направлении или стратифицированным, причем наблюдаются различные типы страт.

Проблемы, связанные с формированием пространственно - неоднородных профилей плазменных параметров, эбусловленных наличием стенок или неустойчивостью эднородного состояния, ведущего к его расслоению, занимают значительное место в физике газового разряда. 3 зависимости от пространственных размеров неоднород-юсти возможно либо гидродинамическое либо кинети-геское описание. Сложность описания пространственно -1еоднородной плазмы связана с возникновением :амосогласованных полей, определяющих процессы рожде-¡ия и переноса заряженных частиц. При этом функция распределения электронов ло энергии (ФРЭ) часто называется нелокальной, т.е. определяется не местным

значением поля, а его поведением в некоторой пространственно - временной окрестности. В последние годы активно разрабатываются кинетические модели, описывающие явления в разрядах при низком давлении.

Объектом особого внимания были и остаются различные неустойчивости плазмы газового разряда. Развитие продольных и поперечных неустойчивостей может приводить к контракции с резким изменением радиальные профилей плазменных параметров, к появлению ионизационных волн, с возникновением продольных неоднород-ностей плазмы. Исследование этих явлений позволяют выявить механизмы неустойчивостей и расширит! представления о физический процессах, протекающих I плазме газового разряда.

ЦЕЛЯМИ настоящей работы являются:

1. Развитие кинетической теории продольно -однородноп положительного столба разряда низкого давления : инертных газах при малых токах. Сравнение с экслери ментальными данными.

2. Развитие кинетической теории формирования стра вблизи нижней границы их существования по току.

3. Проведение систематических измерений в облает применимости развиваемой теории и сопоставление результатами теоретических расчетов.

4. Экспериментальное и теоретическое исследовани возможного двумерного характера страт при низке давлении.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Экспериментальное исследс ванне продольно-однородного и стратифицировашкл

разрядные условия и константы элементарных процессов, получить детальное описание положительного столба.

Для сравнения с результатами расчетов экспериментально определялись напряженность электрического поля, потенциал стенки, стеночный ток и радиальный ход потенциала. Получено хорошее количественное согласие показало адекватность разработанной процедуры кинетического описания положительного столба разряда при низком давлении.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены кинетические модели стратификации разряда при низком давлении вблизи нижней границы существования страт по току. Показано, что в положительном столбе могут развиваться возмущения, характерный масштаб которых (длина волны) сравним с длиной энергетической релаксации электронов, что требует в случае низких давлений и малых токов кинетического описания стратифицированного положительного столба. На основе кинетических представлений о характере движения электронов показано, что в случае неупругого баланса энергии электронов, возникновение пространственных неоднородностей определяется граничным условием.

Проанализирована кинетическая модель стратификации положительного столба [1], учитывающая потери энергии электронов в упругих столкновениях. Показано, что для случая слабомодулировэнного поля, ФРЭ испытывает определенные деформации с' образованием на ней вторичных максимумов.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена систематическим экспериментальным исследованиям ионизационных волн вблизи нижней границы существования страт по току. Для разграничения областей существования различных типов страт, классификация которых проводится по падению напряжения на одной страте, измерялись напряженность электрического пол'я "и длина волны страты. Наблюдались все три типа страт, известные по литературным данным [2] . Для выяснения характера изменения амплитуды ионизационных волн измерялась ее зависимость от давления и тока. Показано, что амплитуда пропорциональна корню квадратному от этих параметров. Экспериментально показано, что амплитуда страт вблизи границы их существования не является постоянной, а происходит ее усиление в направлении дрейфа электронов. При этом, "если у самой границы усиление является небольшим и амплитуда плавно растет по направлению к аноду, то при удалении от границы область усиления сужается и амплитуда страт является практически постоянной по длине положительного столба. Выло также замечено, что меняется не только амплитуда, но и спектр радиочастотных колебаний: в катодной части столба ионизационные волйы были менее синусоидальны, чем в анодной.

Проведены измерения ФРЭ в различных фазах страты по второй производной зондового тока по потенциалу зонда. Результаты экспериментов приведены на рис.1. Показан ход потенциала по длине страты и ФРЭ в различных точках, отмеченных на профиле потенциала.

Результаты измерений показывают, что на длине страты

»

существует область сильного поля, занимающего примерно четвертую часть длины страты, и область слабого поля. При этом на некоторой части длины страты поле меняет знак, т.е. существует потенциальная яма, глубина которой составляла 0,5-0,8 В. При удалении от границы существования страт, область сильного поля сужается, а область слабого . поля увеличивается. Увеличивается также длина и глубина потенциальной ямы. ФРЭ в некоторых фазах страты имеют ярко выраженный вторичный максимум, который появляется в области сильного поля и далее смещается по ФРЭ в соответствии с ходом потенциала. В конце области слабого поля, когда вторичный максимум достигает энергий близких к потенциалу возбуждения, он исчезает и ФРЭ заметно сужается.

На основе теоретической модели стратификации, рассмотренной во второй главе, был проведен численный расчет ФРЭ в различных фазах страты. Профиль потенциала был взят из эксперимента и аппроксимировался ломаной с двумя характерными значениями поля. Результаты расчета ФРЭ, приведенные на рис.2, показывают, что теоретические ФРЭ имеют вторичный максимум, перемещающийся по ФРЭ в соответствии с ходом потенциала. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показывает хорошее качественное согласие, что говорит об адекватности разрабатываемых

£

Рис.1 Результаты экспериментов, а -пространственный профиль потенциала, б -ФРЭ в точках, отмеченных на ходе потенциала.

ф*

Рис.3 Двумерный профиль потенциала ионизационной волны.

потенциала. Такие возмущения существуют примерно на четвертой части длины страты и появляются тогда, когда подобные возмущения с появлением потенциальной ямы возникают на осевом распределении потенциала.

Результаты измерений радиальных зависимостей ФРЭ в различных фазах страты показали, что в области медленного изменения потенциала, ФРЭ в различных точках по радиусу могут быть получены из ФРЭ на оси сдвигом на соответствующий радиальный потенциал.

Проведенный анализ уравнения для поля на устойчивость по отношению к малым возмущениям радиального потенциала вблизи оси показал, что разряд является неустойчивым и возможно развитие возмущений, приводящих к образованию потенциальных ям на радиальном распределении потенциала.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты работы:

1. На основе кинетических моделей положительного столба разряда низкого давления в инертных газах- разработана процедура самосогласованного расчета характеристик разряда, позволяющая, задав внешние параметры -давление, ток, радиус разрядной трубки и константы элементарных процессов, получить детальное описание свойств положительного столба. Конкретные расчеты выполнены для неона. В продольно-однородном положительном столбе экспериментально определены радиальные профили потенциала, разности потенциалов центр-стенка, стеночные токи, напряженности продольного электри-

ческого поля. Получено хорошее количественное согласие с результатами теоретического расчета.

2. На основе современных представлений нелокальной кинетики электронов проанализирован механизм возникновения ионизационных волн при низких давлениях и малых токах. Показано различие' в формировании ФРЭ в стратах в условиях, когда баланс энергии электронов обусловлен неупругими ударами и когда включаются другие каналы потерь энергии. Продемонстрировано влияние глубины модуляции потенциала и потерь энергии электронов на вид ФРЭ. Проведен численный расчет ФРЭ в различных фазах страты.

3. В условиях применимости теории проведены систематические измерения параметров ионизационных волн вблизи нижней границы существования страт по току. Получены зависимость амплитуды страт от давления и тока, зависимость амплитуды страт по длине трубки при различных значениях разрядного тока, радиочастотные спектры колебаний в различных точках по длине трубки. Выполнены измерения распределения метастабильных атомов по длине страты в различных типах ионизационных волн. Экспериментально определены профиль потенциала по длине страты и ФРЭ в различных фазах страты на оси разрядной трубки. Получено хорошее качественное согласие с результатами теоретического расчета.

4. На основе экспериментального исследования обнаружена двумерная структура страт при низком давлении. С помощью компьютерной обработки восстановлен двумерный профиль потенциала, в котором существуют ионизационные

волны. Показано, что в некоторых фазах страты на радиальном распределении потенциала существуют потенциальные ямы, глубина которых примерно равна глубине потенциальной ямы на осевом распределении потенциала. На основе анализа кинетического уравнения получено соотношение между напряженностью продольного электрического поля и разностью потенциалов центр-стенка, хорошо согласующееся с экспериментальными результатами.

5. Выполнены измерения ФРЭ по радиусу трубки в различных фазах страты. Экспериментально показано, что в области медленного изменения осевого потенциала ФРЭ в различных точках по радиусу может быть получена из ФРЭ на оси сдвигом на соответствующий радиальный потенциал. Проведен анализ уравнения для поля на устойчивость по отношению к малым возмущениям радиального потенциала вблизи оси. Показана возможность развития возмущений, приводящих к образованию потенциальных ям на радиальном распределении -потенциала.

Цитированная литература:

1. Цендин Л. Д. Функция распределения электронов слабоионизированной плазмы в неоднородных полях. II Большие поля; баланс энергии определяется неупругими соударениями. Физика плазмы 1982, т.8, вып.2, с. 400.

2. Пекарек Л. Ионизационные врлны (страты) в разрядной плазме. Успехи физ. наук 1968, т.94, вып.З, с. 463.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ю. Венке, Ю.В.Голубовский, С.У.Нисимов, И. А. ¡Горохова. Самосогласованное кинетическое описание положительного столба разряда в режиме прямой и ступенчатой ионизации. ЖТФ 1994 т.64, N1.

2. J.Behnke, Yu.B.Golubovsky, S.U.Nisimov. Two-dimensional structure of ionization wave in a low pressure discharge. XII ESCAMPIG, Eindhoven, Netherlands, 1994.

3. J.Behnke, Yu.B.Golubovsky, S.U.Nisimov, I.A.Poro-khova. A self-consistent model of a. positive-column discharge for direct and stepwise ionization. XXI ICPIG, Bochum, Germany, 1993.

4. J.BehnJce, Yu.B.Golubovsky, S.U.Nisimov, I.A.Poro-khova. Electron free diffusion influence on an EDF formation in a positive column of a discharge. XII ESCAMPIG, Eindhoven, Netherlands, 1994.

5. Ю.В.Голубовский, С.У.Нисимов, Н.А.Тимофеев. Экспериментальное исследование двумерного характера ионизационных волн в неоне. Весгн. С.-Петербург, ун-та. Сер.4. 1994. Вып.3(N18).

6. Ю.В.Голубовский, С.У.Нисимов, И". Э. Сулейменов. О двумерном характере страт в разряде низкого давления в неоне. 4.1. ЖТФ 1994, т.64, N10.

7. Ю.В.Голубовский, С.У.Нисимов. О двумерном характере страт в разряде низкого давления в неоне. 4.2. ЖТФ 1995, т.65, N1.

Работа выполнена при поддержке Международного научного Фонда (Фонд Сороса). Грант M-810Q0.