Кинетика деградационных процессов в пучковой плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РГ6 од

~ 5 ^ДхжовШ^и ордам трудового красного энашм '

. 0ШЮ-ТЕШЧЕСКИЯ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ИВАНОВ АЛЕКСЕИ НИКОЛАЕВИЧ

КИНЕТИКА ЛОТАДА1ШОНИЛ ПРОЦЕССОВ В ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЕ

01.04.08 - .ФжзИф. и ххикя влазиы

^»гореферат диссертанта на соясжаявд учено? .с^пени .кандидата фтанко-кагек9^*гесх2х здугс

Мсоква-199<

Padora выполнена в КИИТП Научные руководители:

Официальные оппоненты:

-академик РАН, профессор Коротеев A.C., -д. т.н.

Прудников М. М.

-д. ф. -ы. н.; профессор

Щеглов В. А.

~к.ф.-ы. н. i с.н.с.

Соловьев В. Р.

Ведукдя организация: -КВТ РАН

Засдата состоится "2.5" 1994г. в б час,

на заседании Специализированного совета К. 063.'91.09 по адресу: Москва, ул. Профсоюзная, д. 84^32,же. .В2. Отзывы направлять по адресу: 141700,Московская одЯ., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9,МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться I бийляотекб МФТИ.

Автореферат разослан АПРЕЛЯ лдд^.

Ученый секретарь Спеияализироваккого совета, ^

к. ф.-ч. н. -' ■ - v __ Н. П. Чуйянский

СЗЦАЯ ХАРАШРХСТШ. РАБОТЫ

3 последнее время все большее научное и практическое значение приобретают процессы, характеризующиеся высокой степеньа аераановесностл. Такие процессы могут быть вызваны воздействием на газ внешних полей, а также ионных источников частиц. Образующаяся при этой неравновесная плазма реализуется - в большом числе плазменных установок я устройств к интересна с точки зрения исследования целого ряда физических явлений.

Свойства такой плазмы наиболее полно могут быть описаны функцией распределения электронов. Задача нахождения и изучения функция распределения электронов на протяжении последних тридцати лет постоянно привлекает исследователей воэможностьп использования результатов в различных приложениях, например, при расчете генерационных характеристик и параметров активной среды в плазменных, экошерных, ионных лазерах, плазиенно-пучковых разрядах я других устройствах подобного типа.

Поскольку функция распределения электронов не является универсальной, а иохет существенным образом зависеть от параметров источника первичных электронов и состава газа, для описания свойств среда ставится задача о нахождении этой функции.

Пряные измерения функции распределения электронов по энергии не могут дать исчерпывающего решения задачи, т.к., во-первых, измеряемая функция не универсальна,

во-вторых, конкретный экспериментальный метод может применяться лишь в относительно узкой области изменения энергии электронов в пределах одкого-двух порядков.

Поэтому для нахождения функции распределения электронов по энергиям СФРЭЭЭ обычно применяют численные методы. Нахождению ФРЭЭ в стационарном случае посвящено множество работ, в которых достигнуто удовлетворительное согласие между экспериментальными и теоретическими результатами.

Вместе с тем, во многих установках и устройствах создается плазма, физические свойства которой изменяются со временем.

Целью диссертационной работы является теоретическое и численное исследование неравновесной слабоионизованной плазмы атомарного газа, образованной внешним источником высокоэнергетичных электронов, на основе решения нестационарного уравнения деградацлснного спектра электронов в атомарном газе.

Защищаемые научные результаты и их новизна:

1. Получено приближение нестационарного кинетического уравнения Больцмана , описываюцее процесс деградации электронов в атомарном газе в широком интервале энергий Сот 0,1 эВ до 10 МэВЭ.

2. С учетом достаточно полного набора сечений элементарных процессов вычислена нестационарная функция распределения электронов и временные зависимости скоростей энерговклада источника в ионизации и возбуждение различных энергетических состояний атома гелия.

3. . Предлагаются к практическому использованию удойные аналитические- формулы, описывавшие процессы

, установления стационарного режима и релаксации стационарного деградациоякого спектра электроне?. после прекращения действия внешнего источника ионизации.

4. С учетом достаточно полного набора сечений элементарных процессов вычислены заселенности верхних энергетических уровней атома гелия в слабоиокизованной пучковой плазме к получены стационарный и нестационарный спектры излучения чистого гелия.

Научное значение полученных результатов состоит в выяснении детальной структуры ' нестационарного энергетического распределения электронов в атомарном гаэе и в аналитическом решении нестационарного уравнения деградационного спектра электронов для задачи установления стационарного ■ режима при включении постоянного источника первичных электронов, г также в задаче релаксации.

Практическая ценность работы определяется возможным использованием результатов при исследования кинетики и излучателькой способности низкотемпературной плазмы в условиях внешней ионизации, а тазсже применимостью расчетов для проведения инженерных расчетов при создании технических систем, содержащих такую плазму.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях МФТИ, по материалам диссертации опубликовано 4 работы в журналах РАН.

0<5t>eu работы. Диссертация изложена на 101 странице кааинопиского текста а состоят из введения, 3 глав, заключения и указателя шгтируеыой литературы, состоящего из 83 источников. Работа' иллюстрирована 2 таблицами и 20 рисуяхаыя.

СОДЕРХАШЕ РАБОТЫ

Во введении ойосковывазтся актуальность теш диссертационное работа к выбор объектов исследования. Формируются целя и задачи работа, еэ научная новизна и практическая ценность.

В первой глава проводится качественное рассмотрение влияния различных элементарных пропессов ва функции распределения электронов по энергиям и определяется те элементарные процессы, которые наиболее существенны для формирования деградадкен'лого спектра электронов.

Показывается, что для. описания процесса деградации электронов в атомарном газе в широком диапазоне анергия иожет быть исцользоЕано нестационарное уравнение деградацаояного спектра электронов: г

"¿Л____( ¿s\ . j-s

; —--I п — i + y.(£js) . гi

где тг, -- Ч-(еЛ-) функция распределения электронов по энергия«, кордаровгннАя условием

I

ь!

о

. С1.2}

¿а

Здесь - концентрация электронов, —— - средняя

г- л.

скорость изменения энергии электрона, а ' 0-(В}ъ) скорость образования плотности электронов в- единице объема.

Показывается, что уравнение С1.1) в высокоэкергетичной области £»-Г является прямым следствием нестационарного кинетического уравнения Больцмана, а средняя скорость изменения энергии электрона

С скорость деградации ) является функцией одной

с£*С

переменной В- и полностью определяется параметрами конкретного газа. Поэтому при дальнейшем рассмотрении эта функция считается известной и обозначается РС&) ,

^ С1.3)

В разделе *1.3 получено . аналитическое решение уравнения С 1.1) в широком интервале энергий, где мояно не учитывать тормозное излучение электронов, а также ступенчатую ионизацию, удары второго рода, электрон-электронные к электрон-ионные столкновения. Это решение имеет вид:

£

Т(1 -ГТе))/. с 1.4)

Р!в) .1 Е°

Здесь > -любая дифференцируемая фушпия, а зависимость •VIе) находится после интегрирования уразнек:« С 1.33 с

начЕявным усясвязи ) = О 1 Е0 -нгчаявкня энергия

первичных электронов. Конкретный вид Та-т^с)) должен быть определен из начальных условий.

В области энергий, значительно превышающих потенциал ионизации атома I , выводятся удобные для практического применения формулы, списывающие процесс установления стационарного режима и обратный процесс - процесс рялаксация стационарного. дэградационногэ спектра после прекращения действия внешнего источника ионизации:

----------- ¡¿(е')*.е' С1.3)

Ы 1г(с) ХГ £ " '

/ " Ее -------¡^¿г' } (16)

ё

где /V - число атоков з единице объема, '¿»Те)

скорость электрона, б^г'е) - сечение |-го процесса

вэашодейстЕия электрода с атомом, ^^ . - средняя

энергия, которую электрон теряет в процессе,

а > - плотнооть образования первичных электронов в /

окрестности энергии Ь" .

Показано, что для процесса установления стационарного 'режима через характерное время £ - Т.'е) после начала действия внешнего источника ионизации ФРЕ5 принимает стационарное значение в окрестности энергии й» »1. Стационарная функция, полученная в этой области энергий, совпадает с результатов, который получается из решения стационарного уравнения Больцмана в высокоькергетической области.

Вторая глава посвящена рассмотрение возбуждения гелия пучком . высокоэнергетлчньж электронов. Анализируется возможность численного ' решения уравнения деградационного спектра в широком интервале энергий. Для этого предлагается разностная схема, аппроксимирующая исходное уравнение с первым порядном относительно Т :

где 71; - число электронов в 1-м интервале энергий в момент времени р , АТ^ - врею., за которое первичный электрон проходит 1-й интервал энергий, - число

электронов, которые. родились в 1-м интервале энергий в момент времени р , "С - шаг по времени.

Проводится строгое исследование этой схемы на устойчивость и определяются параметры устойчивости. Это позволяет, получить нестационарную функцию распределения электронов по энергиям в гелии в задаче установления стационарного режима при включении постоянного источника ионизации ч задаче релаксации в области энергий от 0,1 зВ до 0,5 :сэВ. Достоверность расчетов на каждом шаге по времени контролируется сохранением баланса энергии электронов, который выполняется с точностью до ТА.

Проводится сравнение результатов численного решения уравнения деградационного спектра электронов с аналитическим приближением з области энергий, значительно превшие ;Е#Х пороговые.

р-п р />*•/ р

| ^ ~111 _ ^¿^ __ JtL

р

Показывается совпадение стационарного решения уравнения деградационного спектра электронов во всем диапазоне энергий, где справедливо это уравнение, со стационарной функцией распределения электронов по энергиям, которая получается при использовании метода "укрупненных столкновений", описанного в главе 1.

Определяется . энергетическая цепа рождения электрон-ионной пары в гелии С ^ =48 эВ) и показывается хорошее совпадение с величинами и^ , полученными в других работах и экспериментальной величиной ^с .

Третья глава посвящена применению нестационарной функции распределения электронов по энергиям для определения характеристик пучковой плазмы атомарного гелия.

При использовании нестационарной ФРЭЭ• была определена релаксация скоростей энерговклада источника в ионизации и возбуждение различных электронных состояний атома гелия.

Показывается хорошее совпадение стационарных значений скоростей с, .;ерговклада с результатами, полученными методом Монте-Карло.

Найдено, что релаксация как скорости ионизации, так и скорости возбуждения различных электронных состояний атома гелия происходят практически 32 одинаковое время.

Методом Монте-Карло решается вопрос о заселенности верхних энергетических уровней атомов гелия в елабоиониз ованной плазме. Находится зависимость энергетической цекы образования электрон-ионной пары от

начальной энергии электрона.

Проводятся анализ уравнения кинетики возбужденных состояний, показывается, что столкновителъная дезактивация слабо влияет ка излучение и после этого * определяется стационарный и нестационарный спектры излучения чистого гелия. Определяется наиболее яркие пвряояя СО.ЗЮ, З'Р-?** СО.ЗЮ, .

— со.гю, 4*Р ~ содео и суммарная

энергия, которая идет на излучение.

ВЫВОДЫ

1. Получено приближение нестационарного уравнения Больцмана, которое описывает процесс дегргдации электронов в атомарном газе в широкой интервале энергий (от 0,1 эВ до 10 МэВ), где нозно не учитывать тормозное излучение электронов, а такке ступенчатую ионизацию, удары второго рода, электрон-электронные и электрон-ионные столкновения.

2. Получено решение нестационарного уравнения деградацяокного спеетра электронов в атомарном газе во всей области справедливости этого уравнения. В области энергий, значительно превышают* потенциал ионизации атома С Г- > 200 эВ), получены удобные для практического использования формулы, описывающие процесс установления стационарного рехима и обратный процесс - релаксацию стационарного деграданионного спектра после прекращения действия внешнего источника йонмадзи.

3. Найдено, что для процесса установления стационарного режима через характерное время

после начала дейстэвя внешнего источника ионизации ФРЭЭ принимает стационарное значение в окрестности энергии ¿■»X. Отзмичягал фрягадая, тонучакгая ъ этой обглсть энергий, совпадает с результатом, который получается из решения стационарного уравнения Больцмана в высокоэнзргетической области. Покагано совпадение стационарного решения уравнения деградациоаного спектра электронов во всем диапазоне энергий, где справедливо это уравнение, со стационарной функцией распределения электронов по энергиям, которая получается при использовании метода "укрупненных столкновений" М. М. Прудникова.

4. Рассмотрено возбуждение гели. пучком высокоэнэргеткчных электронов. Вычислена нестационарная функция распределения электронов по энергиям в этом атомарном газе в задаче установления стационарного режима при вклвченил постоянного источника ионизации и задаче релаксация. Г.розедено сравнение результатов численного решения с аналитическим приближением и найдена энергетическая граница применимости аналитического приближения. Показано хорошее совпадение стационарного решения уравнения деградационного спектра электронов ^ гелии со стационарным решением, полученным другими методам! во всей области энергий.

5. На основании численного рг.сей^я задачи релаксации в, гелик определена релаксация скоростей эизрго?.глада исто'-шука в ионизация и всэ^уддокке различию: состояний

й

атома гелия. Показано хорошее совпадете стационарных значений скоростей зиерговклада с результатами, подученными методом Монте-Карло.

6. Методом Монте-Карло решен вопрос о заселенности верхних уровней атомов гелия в слайоионизованной пучковой плазме. Лрозеден анализ уравнений кинетики возбужденных состояний и, определены стационарный и .нестационарный спектры излучения гелия.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАС ОТ, ОПУсЛККОВАННКХ ПО ГЕНЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Исследование неравновесного излучения слабоиониз ованноЯ плазмы гелия / А.Н.Иванов, М.М.Прудников // ТЭТ.-1992.- Т.30, N2.-0.230-235.

2. Нестационарный деградационный спектр электронов ь атомарном газе у А. Н. Иванов, М. М. Прудников // Физика плазмы.-1993.-Т. 19, N4. С. 594-600.

Подписано в печать Формат 60x90,1 16. Бумага

писчая N1

Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.0 Уч-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ N 1;чО Бесплатно Ротапринт МФТИ

141700 г. Долгопрудный, Московская обл. Институтски* пер., пА