Кинетика электронов и излучение плазмы в ионизационных волнах в разряде в инертных газах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

/ 1 ДI)у

" СЛГПП^ПЕТВРБУГЧ СЛаТЙГОСУДЛРСТВЕННТ^Й УНИВЕРСИТЕТ

11а правах рукописи

НЕКУЧЛЕВ Владимир Орович

КИНЕТИКА ЭЛЕКТРОНОВ И ИЗЛУЧЕНИЕ ПЛАЗМЫ В ИОНИЗАЦИОННЫХ ВОЛНАХ В РАЗРЯДЕ В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ

Специальности 01.04.05 — оптика

01.04.08 — физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физнко-математических наук

Санкт- Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт- Петербургском Государственном Университете Н в Ухтинском индустриальном институте.

Научный консультант:

д.ф.-м.н., проф. Голубовский Ю.Б.

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., проф. Недоспаеов A.B. д.ф.-м.н., нроф. Цендин Л.Д. д.ф.-м.н., проф. Дюжев Г.А.

Ведущая организация:

Институт проблем механики РАН

Защита состоится " 1998 года в ^ часов на

заседании диссертационного совета Д.ОСЗ.57.28 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Санкт-Петербургском Государственном Университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, ауд. Л<>Jf^/f .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Автореферат разослан " " ¿¿¿-¿/(jZsi/ 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Егоров B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ЛКТУАЛЫЮСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ. Исследования иростран-ственпо-нремениых стрмпур, возникающих в неравновесной газоразрядной плазме, вызывают неослабевающий iniTcjiec в научном и прикладном отношениях HBii;iy ее широкого применения в разнообразных технологиях и устройствах: в источниках света, лазерах, преобразователях энергии, в современных технологиях обработан материалов, травления микросхем и т. д. Пространственная неоднородность плазмы связана с наличием внешних фактором — электродов, поверхностей, ограничивающих плазму, Лондон, анализаторов. Помимо этого в плазме могут возникать самоорганизованные структуры типа стоячих пли бегущих страт и контракции. Кинетика электронов в стратах самым теши образом связана с «опросами излучения плазмы. Яркости линейчатого излучения определяются процессами прямых и ступенчатых возбуждении при столкновениях электронов с атомами, спектральное распределение излучения тормозного континуума зависит от вида функции распределения электронов (ФРЭ). В стратах могут иметь место тонкие оптические эф<]>с1:ты, связанные с фазовыми сдвигами течения спектральных линий с разными потенциалами возбуждения. В условиях конкуренции прямого н ступенчатого возбуждении интерпретацию этих эффек-то к можно дать только с помощью тщательного анализа функции распределения электронов в различных фазах страт во всем диапазоне энергии. Изучение страт в газовом разряде представляет большой общенаучный интерес, поскольку подобного рода явления встречаются во многих смежных дисциплинах, таких как физика иолунроводшниж, геофизика, гидродинамика, биология, химия.

Несмотря на длительную историю изучения страт в газовом разряде, первый важным этан в понимании специфики этих волн произошел лишь в начале 00-х годов, когда однозначно была установлена нонпзацпопно-днф-фузнонная природа страт, с чем связано их второе название — ионизационные волны. В 19G8 г. одновременно появились обзоры A.B. Недоспасова [1], Л. Пекарека |2], II. Олесона и А. Кутюра [¿3], в которых было про-аналпзнровапо большое число работ, посвященных экспериментальным исследованиям бегущих и стоячих страт и их теоретическому осмыслению. В соответствии е содержанием перечисленных, а также более поздних обзоров и книг [4—В] природа страт в разных газах н разных разрядных условиях представлялась более пли менее единой и поддающейся гидродинамическому описанию. Несомненным успехом гидродинамических теорий [1,7,8] можно считать достаточно адекватное описание свойств страт малой амплитуды, наблюдаемых в диффузном разряде вблизи верхней границы существования но току. Однако серьезный недостаток заключался в

1

том, что в рамках флюидного подхода было принципиально невозможно объяснить разнообразие видов и свойств страт, наблюдаемых в широком диапазоне давлений и токов, например три типа волн (Б-, Р-, 11-страты) в инертных газах при низких давлениях и малых токах.

В работах Т. Ружички и К. Ролены [9,10] было показано, что в инертных газах при низких давлениях и малых токах может реалнзовываться механизм стратификации, связанный с резонансным поведением электронной компоненты в пространственно модулированных электрических нолях. Л.Д. Цендин впервые показал [11], что нелокальный механизм формирования функции распределения электронов в пространственно периодических полях при учете малых потерь энергии в упругих ударах с атомами может приводить к эффекту бунчировки, т.е. стягиванию ФРЭ к резонансной траектории и, соответственно, к появлению характерного максимума на функции распределения, который бежит в пространстве н но ФРЭ.

Систематических экспериментальных исследований поведения функции распределения и потенциала плазмы в Б- и Р-стратах при низких давлениях и малых токах, которые позволили бы наглядно продемонстрировать нх кинетическую природу, выявить общие черты и существенные различия распространения волны бунчировкн в этих стратах, специфику формирования ФРЭ в областях слабого и сильного поля, в литературе практически не проводилось. Отдельные сведения о поведении потенциала плазмы вдоль страты приведены в [ 12—14]; функции распределения в нескольких фазах страты в неоне н аргоне измерены в [15—17] для естественных страт и в [14] для искусственно возбужденных волн. Теоретических расчетов формирования ФРЭ в реальных электрических полях для естественных кинетических страт Б- п Р-типов в литературе не обнаружено.

В настоящее время становится ясным, что природа ионизационных волн в зависимости от разрядных условий (давление, ток) и от сорта газа (атомарные, молекулярные) может быть совершенно различна. Отдельно можно выделить область повышенных давлений, где ионизационные волны возникают при скачкообразной контракции разряда, и область промежуточных давлений, где страты нри небольших токах могут носить существенно нерегулярный характер, а при повышении тока переходят в регулярные. К моменту начала настоящей работы физические механизмы возникновении и распространения таких волн не были практически исследованы ни в экспериментальном, ни в теоретическом отношениях.

Стедуег особо отметить, что практически неизученными являются вопросы, связанные с взаимодействием страт с приэлектродными областями, в

частности, прохождение кинетических ионизационных полн через прнанод-ную область. Весьма спорным является вопрос о наличии потенциальных ям (обратных полем) в стратах, условиях их образования и пространственно-временных масштабах, специфике поведения функции распределения в таких полях.

НАСТОЯЩАЯ РАБОТА ПОСВЯЩЕНА комплексному экспериментальному и теоретическому исследованию проблемы возникновения и распространения ионизационных волн в низкотемпературной плазме инертных газов п широком диапазоне условий, для которых механизмы стратификации имеют существенно различную природу:

1. При низких давлениях (для неона рК < 5Торр-см) и небольших токах, где проблема возникновения страт должна решаться на основе последних достижений нелокальной кинетики электронов в пространственно-периодических полях [18,19] и где решающим фактором должно быть тщательное исследование поведения ФРЭ, потенциала и линейчатого излучения плазмы к пространстве и времени.

2. При повышенных давлениях {рЛ> 60 Торр-см), где ионизационные волны возникают одновременно со скачкообразно]'! контракцией разряда и в связи с этим очень интересна динамика одновременного развития поперечной и продольной пеустойчнвоетен плазмы. При таких давлениях наряду е излучением спектральных лшшн появляется интенсивное свечение тормозного континуума, что позволяет проводит!» оптическую диагностику ионизационных волн.В этом диапазоне уел опии пространственная ислокальпость ФРЭ несущественна и может оказаться эффективным применение методов нелинейной динамики к анализу явления контракции и одновременной стратификации разряда, как к примеру самоорганизации плазмы.

Л. При промежуточных давлениях (10 < рИ < 60 Торр-см), где механизм стратификации для небольших током может быть связан с нелокальностыо хвоста функции распределения [11]. Страты в этих условиях часто носят нерегулярный характер, и т[юбуетея |>азв1гте специальных методом измерений функции распределешш электронов в различных фазах пекулярных волн. С ростом тока происходит плавное сжатие линейчатого и сплошного излучений плазмы к осн разряда и природа стратификации изменяется.

ЦЕЛИ РАБОТЫ заключаются в следующем:

— проведение систематических экспериментальных исследований профи-леи потенциала, ФРЭ и излучения спектральных лтншй в положительном столбе и нриаподной области стратнфинпровашюш разряда низкого давления в неоне (для Я- н Р-етрат), а также условии возникновения и областей существовашш потенциальных ям и обратных нолей в стратах;

— проведение конкретных расчетов ФРЭ в реальных электрических нолях для Р- и Б-страт в положительном столбе и прнанодной области разряда и сопоставление с экспериментальными данными, кинетический анализ формирования функции распределения запертых и свободных электронов при наличии обратных полей в стратах;

— обобщение теории простоюнственной релаксации ФРЭ и бунчировки электронов в щюстраиственно неоднородных нолях [ 11 ] с отказом от приближения «черной стенки» и с учетом реальных неунругих ударов. Расчеты ФРЭ, формирующейся в неоднородных полях при наличии различных каналов потерь энергии;

— теоретический анализ механизма возникновения и распространения ионизационных волн в контрагированном разряде инертных газов, анализ взаимосвязи поперечной и продольной неустойчнвостей разряда, приводящих к его шнурованию и одновременной стратификации;

— проведение систематических экспериментальных исследовании динамики скачкообразного контрагщювания, оптических характеристик и специфики ионизационных волн в контрагированном разряде. Сопоставление результатов теории и эксперимента;

— проведение бифуркационного анализа явления скачкообразной контракции разряда, как фазового перехода к новой диссипативной структуре методами нелинейной динамики;

— экспериментальное и теоретическое исследование механизма (-гратификации разряда при промежуточных давлениях и небольших токах, где страты обычно нере1улярны, а также при токах, соответствующих плавной контракции оптического излучения разряда.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ были положительный столб и нрианод-ная область стратифицированного тлеющего разряда в инертных газах при низких, промежуточных и повышенных давлениях (1 <рЯ<600 Торр ем).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ МЕТОДАМИ исследований были оптические методы диагностики нестационарной и неоднородной плазмы, основанные на измерении абсолютных яркостей н спектрального распределения свечения тормозного континуума, линейчатого излучения и поглощения с необходимым пространственным и временным разрешением, а также зондовые методы определения ФРЭ и потенциала плазмы в различных фазах страт.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ, И ИХ НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Проведены детальные намерения профилей потенциала, ФРЭ н линейчатого излучения плазмы в естественных стратах Р- и Н-пша в положительном столбе и прнанодноп области разряда низкого давлении и малых токов. Обнаружено, что нпд ФРЗ в Р-стратах существенно отличается от ФРЭ в Б-стратах наличием двух максимумов в области слабого изменения потенциала, расстояние между которыми равно надепшо потенциала па Р-страте. Показано, что в исследуемом диапазоне условий вблизи анода в некоторые, интервалы времени реализуются потенциальные ямы, примыкающие к аноду, в то время как в области положительного столба обратные поля отсутствуют для любых моментов времени и любых фаз страты. Обнаружено, что ФРЭ, измеренные в области потенциальных ям резко отличаются от функции распределения вне ям наличном ярко выраженного инка медленных электронов с энергиями, меньшими 1 эВ.

2. На основе нелокальной кинетики олектронов в приближении «черной стенки» рассчитаны функции распределения электронов в Б- и Р-стратах в экспериментально измеренных электрических нолях. Показано, что для Р-етрат, в отличии от Б-страт, должны существовать две резонансные траектории, вызванные бунчировкоп электронов. Решена задача о формировании ФРЭ в прнанодноп области стратифицированного разряда при наличии и отсутствии потенциальных ям.

3. Развита теория пространственной релаксации функции распределения в однородных и в пространственно периодических нолях, предложенная Л.Д. Цендиным [11], с учетом неупругнх ударов при наличии дискретного спектра возбужденных учинен атомов. Показано, что из-за наличия дискретного спектра возбужденных уровней в периодических нолях может устанавливаться ФРЭ, е характерными максимумами, перемещающимися но энергии II координате вдоль резонансных траекторий в соответствии с распределением потенциала.

4. Экспериментально обнаружено и теоретически показано, что ионизационные волны в контрагиронанном разряде представляют собой двумерные волны, распространяющиеся в виде перетяжек токового шнура, у которых колебания яркости линейчатого и сплошного излучении находятся в нротнвофазе с колебаниями эффективных сечений их радиальных распределении. Для широкого диапазона давлении и токов выполнено систематическое экспериментальное исследование основных оптических и электрических характеристик ионизационных волн в контрагированном разряде в неоне и аргоне. Исследована динамика скачкообразного контра-гировання

и появления бегущих страт. Экспериментально обнаружена и теоретически обоснована возможность искусственного стимулирования контракции разряда при токах, меньших критического значения, с номощыо возбуждения искусственных страт, а также с помощью модуляции разрядного тока. Показано, что существует достаточно большая область токов н давлений, превышающих критическое значение, где удается расконтрагнро-вать разряд при помощи модуляции тока.

5. С номощыо методов нелинейной динамики показано, что контракцию разряда при давлениях, превышающих критическое, можно рассматривать как фазовый переход к новой днссииативнон структуре. Установлено, что такие экспериментально наблюдаемые свойства явления контракции, как скачкообразность и гистерезис, исследуемые бифуркации обнаруживают только при учете влияния межэлектронных столкновений на скорость ионизации, в то время как в пренебрежении этим влиянием неоднородный разогрев газа порождает мягкую транскритн-ческую бифуркацию, сопровождающуюся плавным изменением внутренних параметров плазмы.

6. На основе разработанного метода стабилизации нерегулярных страт проведены измерения ФРЭ в различных фазах страт при промежуточных давлениях неона (10 < ¡>Я <60 Торр см). Показано, что в этом интервале давлений имеются две области токов с существенно различными механизмами стратификации, причем для малых токов хвост ФРЭ в нерегулярных стратах носит нелокальный характер, за счет чего и развивается ионизационная неустойчивость, а при увеличении тока одновременно происходит плавное сжатие оптического излучении плазмы и переход от одномерных волн к двумерным волна!«, связанным со «катнем зоны ионизации.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Выполненные экспериментальные и теоретические исследования указывают на принципиальную роль кинетических эффектов в механизмах стратификации разряда в инертных газах при низких, промежуточных и повышенных давлениях.

Полученные экспериментальные данные о поведении профиля потенциала, ФРЭ и линейчатого излучения плазмы используются в настоящее время в НИЦ ТИВ РАН при исследовании образования макроскопических упорядоченных структур в пылевой плазме стратифицированного тлеющего разряда [20]. Повышенный интерес к исследованию такой плазмы связан с широким использованием технологий плазменного напыления л травления микросхем, а так н:с прн производстве тонких пленок.

Результаты исследований ярко выраженных внзуализованных структур, возшшающих в стратифицированном разряде прн модулящш тока на час

тотах бегущих страт, простота управления параметрами внзуалнзонанных страт могут найти применение в газосветных трубках, it лекционных демонстрациях в курсе газового разряда.

Результаты исследования динамики скачкообразного контрашровання, а также обнаруженная возможность пр1шуднтельного раеконтрагнрования разряда при токах и давлениях, больших критического значения, могут оказаться полезными при решении проблемы контракции в лазерах н других газоразрядных устройствах.

Предложенные п апробированные в диссертации методы корректного измерения пространственных профилен потенциала плазмы в условиях распространения ноннзациоиных ноли, измерении ФРЭ в различных фазах нерегулярных страт, регистрации с большой точностью малых изменений длины волны страт при изменении каких-либо параметров разряда могут найти применение при разработке различных газоразрядных приборов, в частности, газовых лазеров, рабочие режимы которых лежат в области существования бегущих страт.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ II ПУБЛИКАЦИИ. Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены на XVI, XVII, XIX и XXIII Международных конференциях но явлениям в ионизованных газах (Дюссельдорф, 1983, Будапешт, 1985, Белград, 1989, Тулуза, 1997); на XI и XIII Европейских конференциях но атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Санкт-Петербург, 1992, Попрад, 1996); на X Национальной конференции по атомной спектроскопии (Велико-Тырново, 1982); на II Международной конференции «Актуальные проблемы фундаментальных паут» (Москва, 1994); на Всесоюзных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1983, Минск, 1991, Петрозаводск, 1995); но физике газового разряда (Махачкала, 1988, Казань, 1992); на научном семинаре NATO AliW «Электронная кинетика и применения газовых разрядов» (Санкт-Петербург, 1997); на X Сибирском совещании по спектроскопии (Тома;, 1981), а также обсуждались на семинарах в Институте проблем механики РАМ, Институте высоких температур РАН, Институте нефтехимического синтеза РАН, Научно-исследовательском институте фнзшш СПбГУ.

Основное содержание диссертации опубликовано в 21 статье в отечественных и зарубежных журналах, а также в 19 тезисах докладов 8 Международных и 6 Всесоюзных конференций.

" СТРУКТУРА II ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Каждая глава сопровождается выводами, в заключении сформулированы основные результаты работы. Общий объем диссертации 343 м.с., в том числе 119 рисунков н 7 таблиц; библиография 253 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ дано обоснование выбора темы диссертации, сформулированы цели работы, показана актуальность решаемых проблем, сформулированы основные положения выносимые на защиту, показана научная новизна полученных результатов. Литературные обзоры приведены в начале 1, 2, 3 и 5 глав диссертации.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальным исследованиям пространственно-временных профилен потенциала, функции распределения и яркости линейчатого излучения плазмы в различных фазах Р- и 5-страт в положительном столбе и прианодной области разряда низкого давления в неоне, изучению пространственно впзуализованых структур, а также колебательных характеристик сгратнфнцированного разряда в режиме внешней модуляции и автомодуляции. Разработана методика корректного измерения пространственного распределении потенциала вдоль страты с помощью подвижного зонда. На основе разработанной методики экспериментально обнаружено, что в стратифицированном разряде наряду с распространенней волны имеют место колебания потенциала плазмы как целого относительно анода с частотой, равной частоте страт и амплитудой, равной падению потенциала на страте. Проведены экспериментальные намерения профилен потенциала вдоль оси положительного столба н прианодной области. Данные эксперимента показывают, что в области положительного столба, невозмущеннон анодом, потенциальные ямы отсутствуют для любых моментов времени и любых фаз страты. Вблизи анода в некоторые интервалы времени реализуются профили потенциала с ямами, примыкающими к аноду.

Измерены функции распределения в различных фазах Б- и Р- страт вдоль оси столба и прианодной области. Обнаружено, что вид ФРЭ в Р-стратах существенно отличается от ФРЭ в Б-стратах наличием двух максимумов в области слабого поля, расстояние между которыми равно падению потенциала на Р-страте (рисЛ а,б).

Функции распределения, измеренные в области потенциальных ям, резко отличаются от ФРЭ вне ям наличием ярко выраженного пика медленных электронов с энергиями, меньшими 1 аВ. В те интервалы времени, когда на профиле потенциала ямы отсутствуют, прохождение страт через прнанод-ную область сопровождается характерным искажением вида ФРЭ, связанным со стоком электронов на анод - но мере приближения к аноду сначала уменьшается число медленных электронов, а затем обеднение ФРЭ затрагивает все более быстрые электроны. Для различных разрядных условий по измеренным профилям потенциала и ФРЭ восстановлены профили

Рис. 1. ФРЭ, измеренные в 16 точках по длине S- (а) н в 12 точках по длине Р-страты (б) на оси разряда: а — рП = 2,7 Торр-см, i — 18 мА, L = 7 си; б - pH 2,24 Торрсм, i = 10 мЛ, L = 1 см.

колебаний электрического ноля, концентрации и средней энергии электронов вдоль страты. Измерены также профили колебаний яркости линейчатого излучения плазмы.

Экспериментально показано, что в стратифицированном разряде низкого давления могут развиваться взаимосвязанные автомодуляционные колебания тока и напряжения на трубке, причем в зависимости от сопротивления внешней цени реализуется либо автомодуляция по току, либо автомодуляция но напряжению. Исследованы проегранственные внзуализо-ванные структуры, возникающие в результате нелинейного стробоскони-чсского эффекта при периодической модуляции тока. Изучено влияние параметров внешней модуляции, локального поперечного магнитного ноля на пространственно-фазовые характеристики визуалпзованных страт, что позволило получить дополнительную информацию о роли нрнкатодной н пршшодной областей в стратификации разряда низкого давления.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ проводится теоретический анализ ФРЭ в S н Р-стратах в положительном столбе н прпанодной области разряда при низких давлениях н небольших токах. В § 2.1 н 2.2 кинетическое уравнение для ФРЭ решалось в приближении «черной стенкн» на первом потенциале возбуждения в потенциальных полях, полученных аппроксимацией экспериментально измеренных профилей потенциала вдоль S- н Р-страт. Пример такой аппроксимации для случая Р-страты приведен на рнс.2а при pR = 2,24 Торр см, и i — Ии/Л.

Показано, что для Р-страт в отличие от S-страт имеются две резонансные траектории (1 и 2 на рнс.2а), вызванные бупчнровкой электронов, и соответственно два максимума амплитуды функции распределения. Для конкретных разрядных условий, определяющих профиль потенциала, рассчитаны ФРЭ для S- и Р-страт в 70—80 точках по длине сграты. Результаты расчета для Р-страт представлены на рис.26, на котором отчетливо вндны два максимума в области слабого ноля (1 < z < 4 см).

В § 2.3 проводится обобщение теории пространственной релаксации ФРЭ в пространственно-неоднородных электрических нолях [ 11 ] с отказом от приближения «черной сгенкн» на пороге возбуждения и с учетом реальных неунругнх ударов.

Анализ кинетики электронов в разрядах при низких давлениях и малых токах, и структуры термов инертных газов позволяет выделить малые параметры в кинетическом уравнении, связанные с малыми потерями энергии в упругих ударах и с наличием близко расположенных возбужденных уровней, и показать, что наличие дискретного спектра возбужденных уровней вследствие приходов медленных электронов с различными потерями энергии в неупругих ударах приводит к появлению квазинепрерывного

Рис.2. Аппроксимация потенциального

поля в Р-стратах (а) и ФРЭ, рассчитанные в 12 точках

потока но энергии (оператор квазиупрупгх ударов) в упругой области, сходною с потоком за счет упругих ударов.

д V3 дЫг,г) д то ть2

+ 1)) ■ V\ /оСе + и\'2) +

к=1

3 V1 (Аик)2 , 1

+ ) ■ Ыг + =

= - ^(г + ииг)^\*к(у\ )

й=1 к=1

Здесь V(с) и у'(и) транспортные частота упругих ударов и частота возбуждения уровня к с потенциалом возбуждения ¿7 причем А 1/к = 11к — £/, « IIг Ско1Юсть электронов и'к, претерпевших неупрушп удар, связана со скоростью V соотношением ти'к2/2 = /н/г/2-К/;..

Кинетическое уравнение (1) в неременных полная энергия е, координата г для изотропной части функции распределения/0(е, г) решалось с граничными условиями

/0(е,2) ->0,

д/0(г,г)

дг

= 0

и по отдельности выяснялось влияние операторов упругих и квазиупругих ударов на вид функции распределения. Для обоих случаев была построена ФРЭ в неупругой и упругой областях энергии, учитывающая приходы медленных электронов с точностью до сомножителя Ф(е) — амплитуды функции распределения, являющегося важнейшей характеристикой процесса релаксации в полях различной конфигурации. Для амплитуды Ф(с) было получено рекуррентное соотношение, описывающее ее пространственную эволюцию. Было показано, что в обоих предельных случаях только упругих и только квазиунругих потерь энергии уравнения эволюции Ф(е) имеют одинаковый вид, что позволяет сделать выводы о том, что наличие нескольких близко расположенных уровнен приводит к тем яге эффектам при пространственной релаксации, что и наличие потерь энергии в упругих ударах.

Метод решении кинетического уравнения был применен к анализу пространственной релаксации произвольной ФРЭ, инжектированной в однородное п в пространственно-периодическое резонансное поле. Было исследовано влияние различных процессов столкновений на пространственную эволюцию ФРЭ. В пренебрежении потерями энергии в упругих столкновениях н столкновениями, ведущими к возбуждению высоких уровнен и ионизации, реализуете,'! незатухающий периодический режим релаксации как в однородном, так н в периодическом ноле, при этом пространственная эволюция определяется граничным условием. В этом случае период колебании определяется отношением энергии возбуждения суммарного уровня к напряженности однородного или усредненного но периоду поля. Включение в рассмотрение каких-либо каналов диссипации энергии приводит к увеличению масштаба пространственной периодичности. Кроме того в процессе релаксации зависимость от начального распределения теряется. Результатом релаксации электронов является установившееся распределение, которое определяется только пространственным ходом потенциала. 15 Б-стратонодобном периодическом поле электроны бунчируют-ся к одной резонансной траектории, в Р-стратоподобшш поле возникают две резонансные траектории. Наличие нескольких уровнен возбуждения приводит к тем же эффектам в процессах пространственной релаксации ФРЭ, что н потери энергии в унрутнх ударах.

В §2.4 на основе кинетического уравнения проанализированы механизмы формирования ФРЭ в прианодной области стратифицированного разряда при наличии и отсутствии потенциальных ям на экспериментально измеренных профилях потенциала. Проведены расчеты вида ФРЭ для Р-страт в разных точках вблизи анода для тех интервалов времени, когда потенциальные ямы отсутствуют. Результаты расчеты адекватно описывают спад функции распределения в прианодной области наблюдаемый в условиях эксперимента и характерный для прианодной области нестрати-фицнрованного разряда.

Задача о формировании ФРЭ в потенциальных полях с ямами решалась путем разделения электронов на две слабо связанные группы — запертых н свободных электронов. ФРЭ д.тя запертых электронов находилась с помощью усреднения кинетического уравнения, в котором удержаны члены с упругими, иеуиругими и межэлектронными ударами, по длине ямы. В рассмотренных разрядных условиях найденное выражение для ФРЭ близко к млксвелловскому. Полученное из кинетического уравнения выражение баланса энергии запертых электронов в виде

1Г + 1Г ~НЛ -11л - 1Г = О

а е а е а

позволило рассчитать их температуру, которая хорошо согласуется с экспериментальными данными. Первое слагаемое И" описывает нагрев запертых электронов за счет появления н яме медленных электронов в результате неупрутих ударов свободных электронов с энергией е > {/,. Нагрев запертых электронов за счет охлаждения свободных в межолект[юнных столкновениях описывается вторым слагаемым //*. //'' соответствует потоку энергии электронов за пределы ямы за счет столкновений с атомами, имеющими отличную от нуля температуру, слагаемое //'' — диффузионному охлаждению запертых электронов за счет межэлектронных столкновений электронов в яме. Последнее слагаемое 1Р описывает энергообмен с атомами в объеме ямы.

Совместное рассмотрение баланса энергии и частиц для запертых электронов позволило выразить концентрацию и температуру запертых электронов через концентрацию и среднюю энергию свободных электронов и рассчитать согласованную ФРЭ для всей области энергий, которая качественно отражает экспериментальные данные.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена теоретическому анализу механизмов радиальной и продольной неустойчивостен разряда в инертных газах при повышенных давлениях в днффузионно-рекомбннационном режиме н их взаимосвязи с контракцией и одновременной (-гратификацией положительного столба.

На первом этапе проводится анализ развития ионизационной неустойчивости но отношению к радиальным возмущениям положительного столба как целого. Показано, что включение межэлектронных столкновений в формировании функции распределения электронов и постепенный переход с ростом тока от чисто диффузионного к днффузнонно-рекомбннаци-онному режиму гибели заряженных частиц приводят к тому, что при определенном критическом значении тока инкремент нарастания радиальных флуктуации концентрации электронов становится положительным и плазма теряет устойчивость к исследуемым возмущениям. Скачкообразный переход разряда из диффузного состояния в контрагпрованное является следствием развития этой ионизационной неустойчивости.

На следующем этапе анализируется возможность распространения ионизационных волн в плазме контрагированиого разряда инертных газов, выясняется их природа и существенное отличие от ионизационных волн, наблюдаемых в диффузных разрядах при низких давлениях. Анализ проводится на основе полной системы гидродинамических уравнений

дп ,. , _ . т _ дп - + <Ыпое) = 1-Г, —+ сЩпоЛ = 1-Г а, ¿ж

е

Т У2п 1 -д

УгТ

(3)

mv

тх п ту

- П1)СУ,Т + пТдш^е = + £2

(4)

г = 2 лК2писг}1, ц =

о

(5)

!/(х) — нормированное на единицу относительное радиальное распределение электронной концентрации. Уравнения (2) есть уравнения неразрывности для электронов и ионов при наличии ионизации I и рекомбинации Г. В уравнениях движения для направленных вдоль оси разряда 2 скоростей ионов V и электронов п _ (3) сделаны обычные пренебрежения, связанные е малой инерционностью ионов н электронов; Е — полное продольное поте в плазме, ц — б!пу/с1иТ. Тепловой негшкакчгцюноп [ппен </ = ¿¡л'/г — '/У X — коэффициент теплопроводности, %= (5/2 —@)Тп/(ту). Источники нагрева и охлаждения электронов моя;по представить в виде (? — ] 2/а -8-7'т, о = е2п/(ту) — проводимость плазмы, 8 = 2т/М — коэффициент передачи энергии при упругих столкновениях.

Применимость г идродинамического подхода в данном случае обусловлена тем, что длина волны страт X в контратароваштом разряде более, чем на порядок, превосходит длину энергетической релаксации электронов Ят, что соответствует распространению «длинных» ионизационных воли. Волновые флуктуации внутренних параметре!! плазмы считаются малыми по сравнению с их стационарными значениями.

Отмечается, что в диффузном разряде, где радиальное распределение электронов и, соответственно, плотность тока при распространении страт остаются постоянными, невозможно нарастание длинноволновых возмущений внутренних параметров плазмы из-за ¡какого надеина скорости ионизации в местах положительных флуктуации концентрации электронов.

На основании используемой физическом модели коптрагированного разряда показано, что длинноволновые возмущения электронной концентрации в таком разряде должны сопровождаться периодическими изменениями эффективной площади токового шнура (1, происходящими в противо-фазе с колебаниями концентрации. Здесь выполняется только условие постоянства тока, но не его плотности. Это обстоятельство является принципиальным для понимания механизма возникновения ионизационных воли

одновременно со скачкообразной контракцией разряда в инертных газах. Именно периодическое изменение площади токового шнура, как показано в данной главе, приводит к резкому уменьшению амплитуды колебании электронной температуры и, соответственно, к выключению основного стабилизирующего плазму фактора, в результате чего становится возможной раскачка ионизационных волн сжатия за счет нелинейной зависимости частоты ионизации от электронной концентрации.

На рис.За показана мгновенная картина распространения в трубке радиуса Л = 2,8 см ионизационных волн сжатия милой амплитуды в неоне, рассчитанная на основе вышеизложенной .пшенной гидродинамической теории для приведенного давления неона рН = 96 Торр-см и тока /' = 140 мА. .Заштрихованной областью условно изображен эффективный токовый «шнур», а пунктирной кривой показаны колебания концентрации электронов в относительных единицах. На рис.36 для сравнения показана реальная картина распространения ионизационных волн в контрагированном разряде в неоне, наблюдаемая в эксперименте при этих же условиях. Заштрихованной областью изображен эффективный «шнур» излучения континуума, а пунктирной кривой показаны колебания яркости континуума в относительных единицах.

В §3.3 показано, что явление контракции можно рассматривать как неравновесный фазовый переход, в результате которого возникает новая пространственная структура. Управляющим уравнением такого перехода является радиальная часть уравнения баланса заряженных частиц, в котором параметром порядка служит концентрация электронов, а управляющим параметром электронная температура или продольное электрическое поле. Существование такого перехода обусловлено двумя факторами: наличием объемной рекомбинации Г (и) и спецификой нелинейной зависимости скорости ионизации от плотности электронов /(/;), благодаря которой эта зависимость имеет качественно разный характер при малых и больших значениях величины п. Совместное действие этих факторов приводит к тому, что при достаточно низких температурах электронов, меньших критического значения Т, происходят качественная деформация квазииотен-

ку п ^0), и соответствующая перестройка поперечной структуры стационарного решения (его контракция).

В §3.4 прослеживается роль двух факторов — неоднородного разогрева газа и влияния межэлектронных столкновений на формирование функции

п

й)

О С

Ъ)

Рис.3. Ионизационные полны в контра тированном разряде.

распределения электронен — на тип возникающей стационарной бифуркации. Исследование поведения разряда проводится на основе замкнутой системы уравнений, состоящей из уравнения баланса заряженных частиц, баланса энергии электронов и нейтралов, уравнения состояния газа и тока через разряд. Показано, что как без учета, так и при учете неоднородного разогрева газа бифуркационные возможности стационарного разряда определяются уравнением баланса заряженных частиц, в котором параметром порядка является концентрация электронов /?, а управляющим параметром — величина продольного электрического поля Е. Бифуркация возникновения нового устойчивого состояния равновесия иа фазовой плоскости (»1, dn/dr) происходит при достаточно малом значении поля Ес, 5>еалнзлцня которого накладывает определенные пороговые условия на давление и тюк. Если давление мало (р < 50Topp), то критическое значение

Ес недостижимо: такое поле слишком слабо, чтобы поддерживать разряд в газе даже при сильном токе. Таким образом, возникает порог по величине давления. По его превышении критическое ноле Е достигается при достаточно сильном токе.

При заданном давлении тин возникающей стационарной бифуркации качественно различен при учете влияния межэлектронных столкновений на скорость ионизации н без учета этого влияния. Решающее значение имеет тот факт, что при наличии межэлектронных столкновений отношение скоростей ионизации и рекомбинации 1{п)/Г(п) является немонотонной функцией концентрации электронов п, причем ее минимум лежит в диапазоне значении п, сравнимом (но порядку величины) с диапазоном значении концентрации электронов на оси диффузного разряда. Немонотонность зависимости 1(п)/Г(п) приводит к Z-образной бифуркационной диаграмме (рис.4). Такой диаграмме отвечают две жесткие бифуркации типа седло-узел н гистерезис критических значений управляющего параметра — специфические свойства скачкообразной контракции. В пренебрежении межэлектронными столкновениями наличие неоднородного разогрева газа порождает мягкую транскритическую стационарную бифуркацию при понижении величины поли В. Таким образом, бифуркационный анализ эффекта скачкообразной контракции в инертных газах (за исключением гелия) устанавливает приоритетное влияние межэлектронных столкновений на скачкообразный характер этого явления.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальному исследованию основных оптических и электрических параметров ионизационных волн в установившемся контрагированном разряде в неоне и аргоне для диапазона приведенных давлений pR = 60-r5G0 Торр-см. В § 4.1 описывается экспериментальная установка, позволяющая проводить оптические н электрические измерения в стратах с пространственным и временным разрешением. Приводятся результаты измерения длин волн, частот, скоростей страт, распределений абсолютных заселенноетеи возбужденных атомов в состояниях 2р53р и 2p53S, абсолютной яркости излучения тормозного континуума, потенциала плазмы и электрического поля вдоль страты, а также радиальных распределений линейчатого и сплошного излучении в различных фазах страты.

Эксперименты показали, что радиальные распределения линейчатого и сплошного излучений в существенной мере зависят от фазы страты. Наиболее узкие распределения приходятся на ту фазу, где излучение максимально. С удалением от гшка излучения радиальные профили линий п континуума расширяются. Наиболее широкие распределения имеют место в минимуме страты. Таким образом, экспериментально нодпюрждается вывод

Рис. I. Бифуркационные диаграммы перехода стационарного разряда из диффузного состояния в контрагированное п = п (/:))• 1 — учет только неоднородного разогрева газа; 2 — учет только межэлектронных столкновении; Л — одновременный учет межэлектроиных столкновений и неоднородного

разогрева газа.

теории о том, что в контрагированном разряде инертных газов должны распространяться двумерные ионизационные волны сжатия.

Далее проводится сопоставление намеренных и рассчитанных значений длин волн X, частот/н скоростей распространения страт V. Показано, что учет неоднородного разогрева газа при расчетах X,/, V приводит к лучшему согласию теории и эксперимента. Приводятся значения концентрации и температуры электронов в максимуме излучения страт, полученные пз измерений абсолютной яркости линейчатого и сплошного излучений для различных разрядных условий.

В § 4.2 исследуется динамика перехода разряда в неоне нз диффузного состояния в коитрагпрованное и появления ионизационных волн. Для решения поставленной задачи применялась модуляция тока вокруг критического значения с частотой 50 Гц. Разряд при этом можно считать квалн-стацнонарным, гак как характерные времена диффузии, рекомбинации и ионизации заметно меньше периода модуляции тока.

Эксперименты показали, что при достижении критического значения тока сжатие плазмы и «шнур» начинается у одного из электродов трубки (анода или катода в зависимости от давления) и далее распространяется синхронно с фронтом появления страт в направлении дру гого электрода со скоростью, порядка грунновой скорости страт. При этом страты существуют только в контрагарованной части разряда. Для приведенных давлений рН — 60+150 Торр-ем контракция и фронт появления страт распространяются от катода к аноду, что соответствует обратным ионизационным волнам (групповая скорость страт, иод которой в данном случае следует понимать скорость распространения сжатия, направлена от катода к аноду, а фазовая скорость — в обратном направлении). Для достаточно высоких давлений (рН > 500 Торр-см) сжатие плазмы начинается, наоборот, у анода и далее распространяется к катоду, что соответствует прямым ионизационным волнам (н фазовая, и групповая еко]юсти страт направлены от анода к катоду). В промежуточной области давлений контракция может распространяться одновременно от обоих электродов. Соответственно, могут одновременно существовать ионизационные волны с обратной и прямой дисперсией.

§4.3 посвящен экспериментальному изучению декрементов затухания и дисперсии искусственных страт, возбуждаемых вблизи границы скачкообразной контракции в неоне (со стороны меньших токов), а также исследованию влияния искусственных волновых флуктуаций плазмы на процесс контратнрования разряда.

Описывается экспериментально обнаруженная возможность искусственного стимулирования контракции при токах, меньших критического значения, с помощью возбуждения ионизационных волн на частотах, близких к частоте самовозбужденных страт. Обнаруженное явление экспериментально подтверждает тесную взаимосвязь между контракцией и стратификацией разряда.

В § 4.4 проводится экспериментальное исследование дисперсионных характеристик естественных страт в установившемся контрагн-рованном разряде в неоне и выясняются автоколебательные свойства этого разряда. Описывается разработанный в диссертации разностный метод, позволяющий с высокой точностью следить за изменением длины волны и частоты страт при изменении длины контрагированного разряда с малым шагом. Показано, что имеют место скачкообразные изменения А. и /при монотонном изменении Ь е периодом, примерно равным средней длине волны страт. Это обстоятельство указывает на то, что коптрагированный разряд со стратами обладает свойствами автоколебательной системы.

Обсуждаются результаты измерения дисперсии естественных страт, полученных из зависимостей A.(L) и f(L) при неизменных условиях разряда. Отмечается, что для всего исследованного диапазона давлений неона в установившемся контрагированпом разряде распространяются ионизационные волны только с обратным законом дисперсии. Показано, что различие п характере дисперсии при достаточно высоких давлениях неона искусственных страт, возбуждаемых при токах, несколько меньших критического значения, и естественных страт обусловлено различием тепловых режимов диффузного и коптрагнрованного разрядов.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена выяснению механизмов стратификации разряда в инертных газах при промежуточных давлениях (для неона 10 < pit < GO Торр-см) и небольших токах, где страты обычно нерегулярны, а также при токах, соответствующих плавной контракции оптического излучения.

В §5.1 проводится экспериментальное исследование нерегулярных и регулярных страт в неоне в указанном диапазоне давлений. Исследовались радиочастотные спектры потенциала изолированного зонда и интегрального излучения плазмы при регистрации поперёк оси разряда. Если при низких давлениях pR < 5 Торр-см в диффузном разряде и при повышенных давлениях pit > 50 Торр-см в контрагированпом разряде страты преимущественно регулярны, то н исследуемом диапазоне давлении страта могут быть как регулярными, так и существенно нерегулярными. При уменьшении разрядного тока наблюдается переход от регулярных страт к нерегулярным, причём с ростом давления границ,'! регулярности смещается в область больших токов. Граница перехода не является ярко выраженной п состаадяет несколько миллиампер. В переходной области существуют различные квази-перноднчеекне режимы, самопроизвольно переходящие друг в друга. Характер страт зависит не только от разрядных условий, но и от длины разрядного промежутка L. С уменьшением L граница области, в которой могут реализоваться регулярные страты, смещается в область больших давлений и малых токов. При малых L< 10 см существенную роль играют самопроизвольно возникающие колебания напряжения на разряде.

Далее исследуется влияние модуляции тока на контракцию и стратификацию разряда в диапазоне давлений от 5 до 150 Торр-см и токов от 5 до 150 мА. Изучение такого влияния представляет не только самостоятельный интерес, но н дает возможность развить методику исследований нерегулярных волн путем их искусственной стабилизации. В экспериментах было обнаружено, что путем наложения модуляции на разрядный ток в закрнтнческой области (pR > pRi > i где pRirp и i --- критические значения давления и тока, при которых происходит скачкообразная кои

тракция) можно вызвать расконтрагированне шнура с одновременным подавлением бегущих страт в определенном диапазоне разрядных условий и глубин модуляции.

Эксперименты показали, что страты при малых токах носят одномерный характер: полуширина радиального распределения интенсивности излучения во всех фазах страты является практически постоянной величиной. Напротив, при больших токах относительные радиальные распределения излучения существенно зависят от фазы страты, причем наиболее узкие распределения приходятся на максимум излучения в страте. Тем самым показано, что при увеличении тока происходит переход от одномерных волн к двумерным волнам сжатия, причем этот переход происходит одновременно с переходом разряда из диффузного состояния к оптически коитрагпрованному. Максимумы свечения линейчатого излучения и тормозного континуума в двумерных стратах практически совпадают, ч то указывает на аналогию этих волн со стратами в контрагированном токовом шнуре при повышенных давлениях. Отличие состоит в различной ширине токового шнура, которая определяется различными механизмами гибели заряженных частиц: либо объёмной рекомбинацией, либо гибелью на стеике разрядной трубки.

В §5.2 с помощью предложенного метода стабилизации нерегулярных страт, основанного на модуляции тока с удвоенным периодом, проведены измерения функции распределения электронов по энергиям в различных фгмах страты для давлений неона ¡>¡1 = 5^45 Торр-см и токов г = 5-г15 мА. Размер зонда был выбран таким, чтобы выполнялись условия диффузионной теории, согласно которой ФРЭ связана с первой производной зондово-

1 9/ |

го тока /',, по потенциалу зонда У соотношением ) ю г ■ Было

3 ~ УдУ

экспериментально обнаружено, что в области энергий 13 < IV < 16 эВ в зависимости от фазы страты наблюдается обеднение или обогащение ФРЭ по сравнению с дрюйвесгейновской, что указывает на нелокальную природу формирования «хвоста» ФРЭ при энергиях порядка потенциала возбуждения атомов.

В §5.3 разработан метод решения кинетического уравнения, основанный на разложении функции распределения в ряд по малому параметру X = 1'е/кЕ0Х. Проведен подробный теоретический анализ ФРЭ в диапазоне промежуточных давлений. В явном виде получены выражения для ФРЭ. Показано, что последняя носит ярко выраженный нелокальный характер при энергиях порядка потенциала ионизации и локализуется при тепловых энергиях. Рис.5 иллюстрирует отклонение нелокальной ФРЭ/0 от локаль-

Рнс.5. Отклонения нелокальной ФРЭ^(ю, г) от локальной при гармонической модуляции поля.

ной/00 прн гармонической модуляции поля Е(г) — Ба + (г), где Ех(г) «сое(кг), к = к/Хг Видно, тго при ш« [/ отклонения невелики, прн гю ~ {/ отклонения могут быть весьма значительны. Прн этом максимум «хвоста» ФРГ) оказывается сдвинутым но фазе относительно максимума поля Е(г). Экспериментально измеренные функции распределения коррелируют с выводами из теории.

В §5.4 на основе полученной функции распределения электронов по энергиям в неоднородном поле получено выражение для частоты ионизации, которое определяется всем профилем электрическою поля вдоль страты и зависит от этого ноля существенно нелинейным образом. С использованием полученного выражения для частот!,I ионизации построена нелинейная теория ионизационных волн. Показано, что причиной их раскачки в исследуемом диапазоне разрядных условий является наложение всплеска ионизации на фронт нарастания электронной концен трации. Рассчитанные значения частоты еграт, их длины волн, а также профили электрошюй концентрации удовлетворительно согласуются е экспериментальными данными.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Разработана методика корректных измерений пространственного профиля потенциала вдоль страты, позволяющая решить вопрос о реальном существовании потенциальных ям и обратных полей. Проведены систематические экспериментальные исследования профилей потенциала и функции распределения в положительном столбе стратифицированного разряда низкого давления для Р- и й-страт. Данные эксперимента показывают, что в области положительного столба, невозмущенной анодом, в исследованном диапазоне условий иотенцальные ямы отсутствуют для любых моментов времени и любых фаз страты. Обнаружено, что вид ФРЭ в Р-стратах существенно отличается от ФРЭ в Б-стратах наличием двух максимумов в области слабого изменения потенциала, расстояние между которыми равно падению потенциала на Р-страте. Измерены профили колебаний электрического ноля, концентрации и средней энергии электронов, яркости линейчатого излучения вдоль страты. Изучены характеристики пространственно визуалнзованных структур, возникающих в стратифицированном разряде при периодической модуляции тока нз-за нелинейного стробоскопического эффекта.

2. Проведено детальное экспериментальное исследование распространения кинетических ионизационных волн через нрнанодную область положительного сголба разряда низкого давления. Впервые обнаружено, что вблизи анода в некоторые интервалы времени реализуются щюфплн потенциала с ямами, примыкающими к аноду. Функции распределения, измеренные в области потенциальных ям резко отличаются от функции распределения вне ям наличием ярко выраженного инка медленных электронов с энергиями, меньшими 1 эВ. В те интервалы времени, когда ямы на профиле потенциала отсутствуют, прохождение ионизационных волн через нрнанодную область сопровождается характерным искажением вида ФРЭ в различных точках, вызванным стоком электронов на анод.

3. На основе современных представлений о нелокальной кинетике электронов рассмотрены механизмы формирования ФРЭ в Р- и Б- стратах в экспериментально измеренных потенциальных нолях. Показано, что для Р-страт, в отличии от Б-етрат, должны существовать две резонансные траектории, вызванные бунчнровкой электронов, поскольку падение потенциала на Р-сграте меньше первого потенциала возбуждения. Проведены детальные расчеты вида функции распределения электронов но длине Б- н Р-страт в приближении черной стенки на пороге возбуждения, которые хорошо описывают характерные особенности поведения ФРЭ, наблюдаемые в эксперименте.

В рампах нелокального подхода решена задача о формировании функции распределения электронов в прнаподнон области стратифицированного разряда низкого давления нрн наличии и отсутствии потенциальных ям на аксиальном профиле потенциала. Для профиля потенциала с ямами проведены конкретные расчеты вида ФРГ) в Р-стратах на основе разделения электронов на дне слабо связанные труппы запертых и свободных электронов. Совместный анализ уравнении баланса частиц и баланса энергий для запертых электронов позволил выразить их концентрацию и температуру через концентрацию н среднюю энергию свободных электронов и рассчитать согласованную функцию распределения во всей области энергий, которая хорошо описывает данные эксперимента.

4. Построена теория пространственной релаксации функции распределения в однородных и в пространственно периодических полях с учетом неупругнх ударов при наличии дискретного спектра возбужденных уровней атомов. Показано, что появление медленных электронов, потерявших энергию в результате возбуждения близко расположенных уровней, можно описать в виде днпергеицни потока но энергии, сходного по форме с потоком за счет упругих ударом. Выяснена роль различных каналов диссипации энергии в процессах релаксации в зависимости от напряженности ноля. При малых значениях приведенного поля основную роль играют упругие удары, при больших значениях — неупругне.

5. Проведен анализ отклика плазмы инертных газов при повышенных давлениях на устойчивость по отношению к радиальным и длинноволновым продольным флуктуациям внутренних параметров в рамках линейной гидродинамической теории. Показано, что при достижении определенных критических значений тока плазма становится одновременно неустойчивой но отношению к таким возмущениям. В результате развития этих ионизационных неустойпивостей происходит скачкообразное контра-гированне разряда синхронно с появлением ионизационных волн. Основной отличительной особенностью страт, появляющихся одновременно со скачкообразной контракцией, является наличие колебаний эффективной площади токового шнура, происходящими в нротивофазе с колебаниями концентрации электроном. Подобный вид ионизационных волн в газоразрядной плазме обнаружен впервые.

в. Экспериментально обнаружено, что ионизационные волны в коитра-шрованном разряде действительно представляют собой предсказанные теорией двумерные волны, распространяющиеся в виде перетяжек токового шнура, у которых колебания яркости линейчатого и сплошного излучения находятся в протнвофазе с колебаниями аффективных сечений их радиальных распределений.

Для широкого диапазона давлений и токов выполнено систематическое экспериментальное исследование основных оптических и электрических ха|ик-териетик ионизационных волн сжатия в контрапгровашюм разряде в неоне и аргоне. Измерены длины волн, частоты, скорости распространения страт, концентрации возбужденных атомов в состояниях 2р53р н 2р53з вдоль страты, абсолютная яркость излучения континуума вдоль страты, радиальные профили линейчатого и сплошного излучений в различных фазах страты, распределение потенциала плазмы в стратах. На основе намерений абсолютной яркости линейчатого и сплошного излучении получены значения концентрации и температуры электронов в максимуме излучения страты.

7. Выполнены экспериментальные исследования динамики скачкообразного перехода разряда из диффузного состояния в контрагированное и появления ионизационных волн для широкого диапазона давлении с помощью модуляции тока вокруг критического значения. Показано, что нрн небольших амплитудах модуляции тока контракция распространяется синхронно с фронтом появления страт от одного из электродов трубки в направлении другого электрода со скоростью, порядка групповой скорости страт. При этом страты существуют всегда только в контрагнрованной части разряда. Для приведенных давлении неона рЛ = 60-г150 Торр-см контракция распространяется от катода к аноду, что соответствует обратным ионизационным волнам, а для достаточно высоких давлений (р11 > 500 Торр-см) в переходной области токов доминируют прямые волны, и процесс сжатия плазмы идет от анода к катоду. При промежуточных давлениях контракция может распространяться одновременно от обоих электродов и, соответственно, могут одновременно существовать ионизационные волны как с обратной, так и с прямой дисперсией.

Экспериментально обнаружена и теоретически обоснована возможность искусственного стимулирования контракции разряда при токах, меньших критического значения, с помощью возбуягдеипя искусственных страт, а также с помощью модуляции разрядного тока. Показано, что существует достаточно большая область токов н давлений, превышающих критическое значение, где удается расконтрагировать разряд при помощи модуляции тока.

Таким образом, теория и эксперимент указывают на тесную взаимосвязь контракции н стратификации разряда в инертных тазах при повышенных давлениях.

8. Экспериментально исследовано поведение ионизационных волн в неоне при промежуточных давлениях (5 < рИ < 60 Торр-см).Показано, что при этих давлениях имеются две области токов с существенно различными механизмами стратификации. При малых токах страты могут носить ярко

выраженный нерегулярный характер. С номощыо предложенного метода стабилизации нерегулярных страт, основанного на модуляции тока с удвоенным периодом, проведены измерения функции распределения электронов по энергиям в различных фазах страты. Обнаружены отклонения ФРГ) от дрювестейновекон в области анергии порядка потенциала возбуждения, причем эти отклонения меняют знак в зависимости от (разы страты, что обеспечивает раскачку волн за счет «разового сдвига между ионизацией и концентрацией плазмы. При повышении тока одновременно происходит плавное сжатие излучения плазмы н переход от одномерных волн к двумерным волнам, связанным с сжатием зоны ионизации.

Проведен подробный теоретический анализ функции распределения электронов но энергиям в диапазоне промежуточных давлений. Показано, что последняя носит ярко выраженный нелокальный характер при анергиях порядка потенциала ионизации н локализуется при тепловых энергиях. Экспериментально измеренные функции распределения коррелируют с вы-водпмп га теории.

В этой модели коицентация электронов формируется под действием локального значения поля в каждой фазе страты, а ионизация всем профилем потенциала, что приводит к раскачке волн за счет (разового сдвига между ионизацией и концентрацией.

9. Проведен бифуркационный анализ перехода разряда в инертных газах из диффузного состояния в контрагнрованное. Показано, что контракцию разряда при давлениях, превышающих критическое, можно рассматривать как (разовый переход к новой пространственной структуре.

Проанализировано влияние двух факторов — влияния межэлектрон-иых столкновений при формировании ФРЭ и неоднородного разогрева газа — на тип возникающей стационарной бифуркации. Показано, что такие экспериментально наблюдаемые свойства явления контракции, как скачкообразность и гнете резне, исследуемые бифуркации обнаруживают только при учете влияния межэлектронных столкновений на скорость ионизации, в то время как в пренебрежешш этом фактором неоднородный разогрев газа порождает мягкую транскрптичеекую бифуркацию, сопровождающуюся плавным изменением внутренних параметров плазмы. Определяющее влияние на характер бифуркации имеет немонотонность зависимости отношения скоростей ионизации и рекомбинации от концентрации электронов при заданном продольном поле и элект|кшной температуре.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Голдовский Ю.Б., Некучаев В.О. «Ионизационная неустойчивость и скачкообразная контракция разряда в диффузнонно-рекомбинационном режиме». ЖТФ. 1982. Т.52. Вып.4. С. 662-667

2. Голубовскнй Ю.Б., Некучаев В.О. «Ионизационные волны в контрагн-рованном разряде. 1. Теория явления». ЖТФ. 1982. Т.52. Вын.5. С. 874-879

3. Голубовскнй Ю.Б., Некучаев В.О. «Ионизационные волны в контрагн-рованном разряде. II. Результаты экспериментального исследования в неоне». ЖТФ. 1982. Т.52. Вып.5. С. 880-883

4. Golubovsky Yu.B., Nekuchaev V.O. «Optical and electrical responses of ionization waves hi contracted discharge in неон». Abstr. X-th, Jubil. Nation. Conf. on Atom. Spectrosc. Bulgaria, Velico-Turnovo, 1982. P.28-29

5. Голубовскнй Ю.Б., Ненашев В.О. «Ионизационные волны в контратированном разряде. III. Динамика скачкообразного коитрагировашш и расчёт дисперсионных характеристик страт». ЖТФ. 1983. Т.53. Вып.З. С. 474-481

6. Голубовскнй Ю.Б., Исаков М.Л., Некучаев В.О. «Ионизационные волны в контрашровапном разряде. IV. Искусственные етраты и контракция вблизи критического тока в неоне». ЖТФ. 1983. Т.53. Вып.З. С. 482-487

7. Голубовскнй Ю.Б., Некучаев В.О. «Ионизационные волны в коптраги-рованном разряде. V. Автоколебательный режим н дисперсия установившихся страт». ЖТФ. 1983. Т.53. Вып.8. С.1470-1474

8. Голубовскнй Ю.Б., Некучаев В.О. «Волны сжатия в контрашрован-номразряде». VI-я Всесоюз. конф. но физике пп.нгогемне|)атурной плазмы. Тез. докл. Ленинград, сентябрь 1983. С. 422—424

9. Golubovsky Ун.В., Nekuchaev V.O. «Two-dimensional waves of ionization in the constricted discharge». Proc. XVIICPIG. Dusseldorf, FUG, August, 1983

10. Голубовскнй Ю.Б., Куликов В.В., Некучаев В.О., Немнровская М.Б. «Ионнзацнонные волны в ко1гграгированном разряде в аргоне». РнЭ 1985. Вып.6. С. 1159—1163

11. Golubovsky Yu.B., Nekuchaev V.O. «The theory of the waves of ionization in the neon constricted discharge». Contrib. on Plasma Physics. 1985. Vol. 25. №3. P. 295-311

12. Golubovsky Yu.B., Nekuchaev V.O. «Experimental study of ionization waves in the contracted discharge in neon». Contrib. on Plasma Physics. 1980. Vol. 26. №3. P. 67-80

13. Golubovsky Ун.В., Nekucliaev V.O. «Contraction ionization waves in the argon contracted discharge». Proc. XVII ICPIG. Budapest, 1085. Part I. P.117—119

14. Голубовскнй Ю.Б., Некучаев В.О., Колобов В.II., Сулейменов Н.Э. «Влияние модуляции тона на контракцию тлеющего разряда». Тез.докл. VI Всееоюз. кош]>. но физике газового разряда. АН СССР. Махачкала, сентябрь 1988.

15. Golubovsky Ун.В., Nekucliaev V.O., Kolobov V.I., Suleimenov I.E. «Ionization waves in the неон discharge under medium pressures». Proc. XIX ICPIG. Bcograd, 1989. P.890-891

16. Голубовскнй Ю.Б., I[скучаем В.О., Сулейменов Н.Э. «Проявление ав-томодулнцношшх эффектов при взаимодействии внешне!! модуляции с ионизационными волнами в тлеющем разряде». VIII Всесогоз. конф. по физике низкотемпературной плазмы. Тез. докл. г. Минск, сентябрь 1991 г. С. 51-52

17. Голубовекнн Ю.Б., Пекучаев В.О., Колобов В.П., Сулей чеков Н.Э. «11ерегулярные страты в неоне. I. Результата! зкперименталыюго исследования». ЖТФ. 1991. Т.61. Вып. 8. С. 62-67

18. Голубовскнй Ю.Б., Пекучаев В.О., Колобов В.П., Сулейменоп Н.Э. «Нерегулярные страты в неоне. II. Нелинейные кназнгидродинамические волны». ЖТФ. 1991. T.G1. Вып. 8. С. 08-73

19. Бнчуцкая Е.П., Го.тубонскпп Ю.Б., Некучаев В.О. и др. «Пространствен но-фазовые характеристики ионизационных волн в условиях внешнею возмущения». VI Всееоюз. конф. по физике газового разряда. Тез. дом. г. Казань, 23-25 июня 1992 г. С. 142-143

20. Бнчуцкая Е.Н., Голубовскнй Ю.Б., Некучаев В.О. «Явление бегущих страт с точки зрения принципа минимума энерговклада в плазму».VI Всесоюз. кош}), но физике газового разряда. Тез. докл. г. Казань, 23— 25 нюня 1992 г. С. 143-144

21. Golubovsky Yn.B., Nekucliaev V.O., Ponomarev N.S., Suleimenov I.E. «The influence of magnetic fields on the spatial-phase characteristics of ionization waves». Proc. XI ESCAMPIG. St.Petersburg. 1992. VoI.IOP. P. 299-300

22. Golubovsky Yu.B., Nekucliaev V.O., Suleimenov I.E. «The travelling ionization waves phenomenon from the view-point of the consept of the minimun of energy contribution in the plasma». Proc. XI ESCAMPIG. St.Petersburg. 1992. VoI.lBF. P.301-302

23. Некучаев В.О., Пономарев Н.С., «Многонериоднческие колебания в неавтономном сгратпфшдорованпом тлеющем разряде». Весгинк СПбГУ. Сер. физика, химия. 1992. Вып. 3. С.29-33, 98-99

24. Голдовский Ю.Б., Некучаев В.О., Пономарев П.С. и др. «Влияние локального магнитного поля на пространственно-фазовые характеристики страт». ЖТФ. 1993. Т.63. Вьш.З. C.1G3-169

25. Голубовский Ю.Б., Некучаев В.О., Сулеймеиов Н.Э. «Взаимодействие кинетических ионнзацпошгых волн с внешшши колебаниями в положительном столбе тлеющего разряда». ЖТФ. 1993. Т.63. Выл.З. С. 194—200

26. Голубовский Ю.Б., Некучаев В.О., Пелюхова Е.Б. «Явление контракции газового разряда как фазовый переход к повои днееииативиой структуре*. Тез.докл. Конф. ФНТП-95. Петрозаводск, 1995. С.214-215

27. Некучаев В.О., Пономарев И.С., Сулейменов И.Э. «О некоторых особенностях сгохастизации колебаний в плазме». Тез.докл. Конф. ФНТП-95. Петрозаводск, 1995. С.153-154

28. Пекучаев В.О. «Автомодуляцня кинетических ионизационных воли в тлеющем разряде инертных газов». Труды Межд. Научно-техн. конф. «Актуальные щюблемы фундам. наук». Москва, 1994. Т. III. С. 116—118

29. Некучаев В.О., Пономарев Н.С. «Экспериментальные исследования пространственно-фазовых характеристик стратифицированного газового разряда». Труды Межд. Научно-техн. конф. «Актуальные проблемы фундам. наук».' Москва, 1994. T.III. С. 135-137

30. Голубовский Ю.Б., Некучаев В.О., Пелюхова Е.Б. «Явлише контракции газового разряда как фазовый переход к новой диссннативной струк туре,. ЖТФ. 1996. Т.66. Вып.З. С. 43-53

31. Голубовский Ю.Б., Некучаев В.О., Пелюхова Е.Б. «Бифуркационный анализ явления контракции. I. Бифуркации стационарного разряда». ЖТФ. 1996. Т.66. Выи. 10. С. 76-91

32. Goliibovsky Yu.B., Nekuchaev V.O., Ponomarev N.S. «Formation of EEDF in the stratificated discharge». Proc. XIII ESCAMPO. Poprad. 1996. P. 151-152

33. Golubovsky Yu.B., Nekuchaev V.O., Pelyuhova E.B. «Phenomenon of Gas Discharge Contraction as a Phase Transition to a new Dissipative Structure». Proe. XIII ESCAMPG. Poprad. 1996. P. 119-120

34. Голубовский IO.Б., Некучаев В.О., Пономарев U.C., Сулейменов Н.Э. «Автомодуляционные процессы в слаботочном разряде инертных газов при низком давлении». Изв. вузов. Сер. Физика. 1997. ЛЬI. С.103—108

35. Голубовский Ю.Б., Некучаев В.О., Пономарев Н.С., Сулейменов И.Э. «О новедсшш просгранствешюй фазы модулировашгых ионизованных волн в тлеющем разряде». Изв. вузов. Сер. Физика. 1997. ЛЫ. С.108—113

36. Голубовский Ю.Б., Некучаев В.О., Пономарев U.C., Порохова И.А. «О формировании функции распределения электронов в стратифицированной разряде». ЖТФ. 1997. Т. 67. Вын. 9. С. 14-21

37. Gohilx>vskii Y.B., Nekucliaev V.O., Pononiarev N.S. «Trapped electrons in anode region of stratificated inert gas discharge». Proe. XXIII ICP1G. Toulouse, 1997, Vol.1. P.36-37

38. Gohihovskii Y.B., Nekucliaev V.O., Pononiarev N.S. «The influence of anode region of a glow discharge on the EEDF in S- and P-movingstrintions>>. Proc. XXIII ICPIG. Toulouse, 1997. Vol.2. Р.54-5Г)

39. Golubovskii Y.B., Nekucliaev V.O., Porohova 1.Л. «Electron kinetics in homogeneous and stratified positive column and anode region». Proc. NATO ARW on Electron Kinetics and Applications of Glow Discharges. N.Y., Plenum Press. 1997.P. 137-160

40. Голдовский Ю.Б., Некучасв В.О., Пономарев II.С. «Запертые п свободные электроны в нрпаноднон области стратифицированного разряда». ЖТФ. 1998. Т. 68. Вын.З.С.25—32

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Недоснасов A.B. Страты. //УФМ. 1968. Т.94. Вып.З. С.439-462

2. Пскарек Л. Ионизационные волны (страты) в разрядной плазме. // УФН. 1968. Т.94. Вып.З. С.463-500

3. Oleson N.L., Ою|к>г A.\Y. .Moving striations. //Adv. Electron, and Electron Pliys. 1968. Vol.24. P.155-278

4. Недоснасов A.B., Хаит В.Д. Колебания и неустойчивости низкотемпературной плазмы. М. Наука, 1979. 168 с.

5. Недоснасов A.B., Хаит В.Д. Основы физики процессов в устройствах с низкотемпературной плазмой. М. Энергоатомиздат. 1991. 322 с.

6. Ланда П.С., Мискннова H.A., Пономарев Ю.В. Ионизационные волны в низкотемпературной плазме. // УФН. 1980. Т.132. С.601—637

7. Wojaczek К. Berechnung der ionisationswellen in der edclgas starkstromsaule hei niedrigen drucken. //Beit. Plasmaphvs. 1971. Bd.ll. Hf.4. S.335-350

8. Цендин Л.Д. Ионизационные и дрейфово-темнературные волны в средах с горячими электронами. //ЖТФ. 1970. Т.10. Вьш.8. С. 16001608

9. Rohlena К., Rnzicka Т. Oil nonhydrodynamic properties of the electron gas in the plasma of a dc discharge. //Czech."j. Pliys. B. 1972. Vol.22. P.906-919

10. Perina V., Rohlena K., Rnzicka T. Ionization waves in low-pressure helium discharge. Results of measurements compared with a direct solution of the Boltzman equation. //Czech. J. Pliys. B. 1975. Vol.25. P.660-676

11. Цендин Л.Д. Функция распределения электронов слабоионизованнон плазмы в неоднородных электрических нолях. I, II. //Физика плазмы. 1982. Т.8. Вып.1. С.169—177; Вып.2. С.400-409

12. Stewart А.В. Oscillating Glow Discharge Plasma. //J.Appl.Pliys. 1956. Vol.27. №8 P.911-916

13. TwiddyN.D., Raymeiit S.W. Time-resolved measurement of electron energy distributors. //J.Phys.D: Appl. Phys. 1969. Vol.2. ЛЫО. P.1747-1754

14. Raynrent S.W. The role of the electron energy distributions in ionization waves. //J.Phys.D: Appl. Phys. 1974. Vol.7. P.871-879

15. Karan Ю.М., Колоколов 11.В., Крылова Т.А., Мнлешш В.М. Исследование бегущих страт в неоне. //ЖТФ. 1971. Т.41. Вын.1. С. 120-125

16. Орешак О.Н., Степанов А.Ф., Степанов В.А. Измерение распределения электронов по энергиям в движущихся стратах. //'ЖТФ. 1971. Т.41. Вын.1. СД26-130

17. Бессонова К.Ф., Орешак О.Н., Останченко Е.П., Степанов В.А. Исследование распределения электронов но энергиям в движущихся стратах. //ЖТФ. 1971. Т.41. Выи.5. С.979-984

18. Tsendin L.D. Electron kinetics in non-uniform glow discharge plasmas. / /Plasma Sources Sc. Technol. 1995. Vol.4. P.200

19. Kolobov V.I., Godyak V.A. Nonlocal electron kinetics in collisional gas discharge plasmas. //IEEE Trans. Plasma Sci. 1995. Vol.23. №4. P.503-531

20. Фортов B.E., Нефедов Л.П., Торчинскнй В.М. и др. Кристаллизация пылевой плазмы в положительном столбе тлеющего разряда. //Письма в ЖЭТФ. 1996. Т.64. Выи.2. С.86-91

д ! 0/1 ! /

" С/ У ' >

О&Ш" /Г

САЙКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УХТИНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

■ '• . ВАК

На правах рукописи

- к 51

НЕКУЧАЕВ Владимир Орович

КИНЕТИКА ЭЛЕКТРОНОВ И ИЗЛУЧЕНИЕ ПЛАЗМЫ В ИОНИЗАЦИОННЫХ ВОЛНАХ В РАЗРЯДЕ В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ

Специальности 01.04.05 - оптика

01.04.08 - физика и химия плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Голубовский Ю. Б.

Санкт-Петербург 1998

Оглавление

Введение........................................................................................................5

Глава 1 .Экспериментальные исследования кинетических ионизационных волн в положительном столбе и прианодной области стратифицированного разряда низкого давления в неоне....................................19

1.1.Схема установки и методика измерений пространственно-временных профилей потенциала и ФРЭ в различных фазах страты........................23

1.2.Результаты измерений пространственно-временных профилей потенциала по длине положительного столба для Б и Р-страт...................28

1.3.Результаты измерений ФРЭ в различных фазах Б и Р-страт вдоль оси

положительного столба и в прианодной области....................................34

1.4,Описание экспериментальной установки для исследования колеба тельных характеристик стратифицированного разряда в режиме внеш

ней модуляции и автомодуляции...............................................................54

1.5.Результаты экспериментальных исследований автомодуляционных и пространственно-фазовых характеристик стратифицированного разряда..................................................................................................................56

Глава 2.Теоретический анализ кинетики электронов в пространственно-периодических полях и расчеты ФРЭ в Б- и Р-стратах в положительном столбе и прианодной области разряда низкого давления.....................................................................................................80

2.1.Модель формирования ФРЭ в пространственно-периодических потенциальных полях в приближении «черной стенки» на первом потенциале возбуждения......................................................................................83

2.2.Расчет ФРЭ для 8- и Р-страт в приближении «черной стенки» и сопоставление с экспериментом....................................................................88

2.3.Модель формирования ФРЭ в пространственно неоднородных полях с учетом упругих и неупругих ударов при наличии дискретного спектра возбужденных уровней...............................................................104

2.4.Релаксация ФРЭ в однородном и пространственно-периодических полях. Резонансная длина и расчет ФРЭ.................................................118

2.5.Расчеты ФРЭ в Р-стратах в прианодной области положительного столба разряда при отсутствии потенциальных ям и сопоставление с экспериментом...........................................................................................132

2.6.Анализ кинетики запертых электронов в прианодной потенциальной яме. Расчет ФРЭ при наличии запертых и свободных электронов и сопоставление с экспериментом................................................................140

Глава 3.Теоретический анализ проблемы радиальной и продольной не-устойчивостей положительного столба разряда в инертных газах при повышенных давлениях...............................................................154

3.1.Анализ радиальной ионизационной неустойчивости плазмы и ее связь со скачкообразной контракцией разряда....................................158

3.2.Анализ механизма возникновения и распространения ионизационных волн в контрагированном разряде.................................................172

3.3.Явление контракции газового разряда как фазовый переход к новой диссипативной структуре................................................................185

3.4.Бифуркационный анализ явления контракции с учетом неоднородного разогрева газа.................................................................................197

Глава 4. Экспериментальные исследования динамики скачкообразного контрагирования и характеристик ионизационных волн в контрагированном разряде инертных газов.........................................215

4.1.Экспериментальное исследование характеристик ионизационных

волн в контрагированном разряде в неоне и аргоне............................215

4.2.Динамика скачкообразного контрагирования и появления бегущих страт.........................................................................................................243

4.3.Искусственные страты и контракция вблизи критического тока в неоне.........................................................................................................256

4.4.Дисперсия и автоколебательные свойства установившихся ионизационных волн в контрагированном разряде.........................................269

Глава 5.Экспериментальное и теоретическое исследование нерегулярных ионизационных волн в неоне при промежуточных давлениях...278 5.¡.Экспериментальное исследование нерегулярных страт при промежуточных давлениях...............................................................................282

5.2.Измерение функции распределения в регуляризованных стратах при промежуточных давлениях.............................................................300

5.3.Кинетика электронов в неоднородных электрических полях при промежуточных давлениях.....................................................................304

5.4.Нелинейные квазигидродинамические волны................................308

Заключение...........................................................................................................315

Литература...........................................................................................................322

ВВЕДЕНИЕ

Исследования пространственно-временных структур, возникающих в неравновесной газоразрядной плазме, вызывают неослабевающий интерес в научном и прикладном отношениях ввиду ее широкого применения в разнообразных технологиях и устройствах: в источниках света, лазерах, преобразователях энергии, в современных технологиях обработки материалов, травления микросхем и т. д. Пространственная неоднородность плазмы связана с наличием внешних факторов -электродов, поверхностей, ограничивающих плазму, зондов, анализаторов и др. Помимо этого в плазме могут возникать самоорганизованные структуры типа стоячих или бегущих страт и контракции. Пространственно-временные плазменные структуры, наблюдаемые в разряде постоянного тока, характерны и для других типов разрядов, но на них накладываются дополнительные расслоения, связанные с наличием внешних высокочастотных полей, скин-эффект. Исследования продольных и поперечных неустойчивостей тлеющего разряда приводящих к его контракции и стратификации не только помогают нивелировать нежелательные последствия развития подобных неустойчивостей, но и расширяют существующие представления о физических процессах, протекающих в газоразрядной плазме. Изучение страт в газовом разряде представляет большой общенаучный интерес, поскольку подобного рода явления встречаются во многих смежных дисциплинах, таких как физика полупроводников, геофизика, гидродинамика, биология, химия.

Несмотря на длительную историю изучения страт в газовом разряде, первый важный этап в понимании специфики этих волн произошел в начале 60-х годов, когда однозначно была установлена ионизационно-диффузионная природа страт, с чем связано их второе название - ионизационные волны. В 1968 г. одновременно появились обзоры A.B. Недоспасова [1], JI. Пекарека [2], Н. Олесона и А. Купера [3], в которых было проанализировано большое число работ, посвященных экспериментальным исследованиям бегущих и стоячих страт и их теоретическому осмыслению. В соответствии с содержанием перечисленных обзоров, а также более

поздних книг A.B. Недоспасова, В.Д. Хаита [4,5] и обзора П.С. Ланды, H.A. Мис-киновой, Ю.В. Пономарева [6] природа страт в разных газах и разных разрядных условиях представлялась более или менее единой и поддающейся гидродинамическому описанию. Наиболее полно гидродинамическая теория ионизационных волн малой амплитуды была развита в работах A.B. Недоспасова [1,7], К. Воячека [8,9] и Л.Д. Цендина [10-12]. В обзоре [6] в рамках гидродинамического подхода обсуждались вопросы, связанные с условиями самовозбуждения страт в ограниченной плазме и механизмом обратной связи. Несомненным успехом этих теорий [6-11] можно считать достаточно адекватное описание свойств страт малой амплитуды, наблюдаемых в диффузном разряде вблизи верхней границы существования по току (границы Пуппа). Однако серьезный недостаток заключался в том, что на основе гидродинамического подхода было принципиально невозможно объяснить разнообразие видов и свойств страт, наблюдаемых в широком диапазоне давлений и токов, например три типа волн (S-, Р-, R-страты) в инертных газах при низких давлениях и малых токах.

В работах Т. Ружички и К. Ролены [13-15] на основе линейного анализа кинетического уравнения Больцмана было показано, что в инертных газах при низких давлениях и малых токах может реализовываться механизм стратификации, связанный с резонансным поведением электронной компоненты в пространственно модулированных электрических полях. Л.Д. Цендин впервые показал [16,17], что в случае достаточно больших приведенных электрических полей Elp, соответствующих неупругому балансу энергии электронов, нелокальный механизм формирования функции распределения электронов (ФРЭ) в пространственно периодических полях при учете малых потерь энергии в упругих ударах с атомами может приводить к эффекту бунчировки, т.е. стягиванию ФРЭ к резонансной траектории и, соответственно, к появлению характерного максимума на функции распределения, который бежит в пространстве и по ФРЭ. Естественно, что волна, бегущая в пространстве и по функции распределения, гидродинамического аналога не имеет. В работе [18] на основе полученных выражений для ФРЭ в синусоидально-

модулированном электрическом поле была предпринята попытка построить количественную аналитическую теорию страт малой амплитуды вблизи нижней и верхней границ существования по току в неоне. Показано, что при больших токах применимо гидродинамическое приближение, тогда как при малых токах существенны кинетические резонансные эффекты. В работе [16] было также установлено, что при повышении давления и, соответственно, уменьшения Elp разные части функции распределения могут формироваться по разному (локально или нелокально), что также может оказаться причиной ионизационной неустойчивости.

Таким образом, в зависимости от разрядных условий(давление, ток) и от сорта газа (атомарные, молекулярные) природа страт может быть совершенно различна. Отдельно можно выделить область повышенных давлений, где ионизационные волны возникают при скачкообразной контракции разряда, и область промежуточных давлений, где страты при небольших токах могут носить существенно нерегулярный характер, а при повышении тока переходят в регулярные. К моменту начала настоящей работы физический механизм возникновения и распространения таких волн был практически не исследован ни в экспериментальном, ни в теоретическом отношениях.

Постановка задачи. Настоящая работа посвящена комплексному экспериментальному и теоретическому исследованию проблемы возникновения и распространения ионизационных волн в низкотемпературной плазме инертных газов в широком диапазоне разрядных условий, для которых механизмы стратификации имеют существенно различную природу:

1. При низких давлениях (для неона pR < 5Торр-см) и небольших токах, где проблема возникновения страт должна решаться на основе последних достижений нелокальной кинетики электронов в пространственно-периодических полях [17,19,20] и где решающим фактором должно быть тщательное исследование поведения функции распределения электронов по энергиям (ФРЭ) и потенциала плазмы в пространстве и времени.

-82. При повышенных давлениях (для неона pR > 60 Торр-см), где ионизационные волны возникают одновременно со скачкообразной контракцией разряда и в связи с этим очень интересна динамика одновременного развития поперечной и продольной неустойчивостей плазмы. В этих условиях ФРЭ формируется локальным образом, т.е. справедливо гидродинамическое приближение и может оказаться эффективным применение методов нелинейной динамики к анализу явления контракции и одновременной стратификации разряда, как к примеру самоорганизации плазмы, в результате которой возникает новая пространственно-временная дисси-пативная структура.

3. При промежуточных давлениях (для неона 10 < pR < 60 Торр-см), где механизм стратификации может существенно изменяться в зависимости от тока и, в частности, для небольших токов может быть связан с нелокальностью хвоста функции распределения [16], в то время как тепловые электроны локализуются за счет упругих ударов. Страты в этих условиях часто носят нерегулярный характер, и требуется развитие специальных методов измерений функции распределения электронов в различных фазах нерегулярных волн.

Для конкретной формулировки целей работы рассмотрим более детально классификацию областей существования различных состояний плазмы газового разряда и выделим интересующие нас области. Следует отметить, что однородный в продольном направлении положительный столб разряда в инертных газах - явление достаточно редкое, гораздо более часто встречается стратифицированный разряд. Экспериментальные исследования, проведенные в работах [21-23], позволили авторам построить на диаграмме давление - ток области существования контраги-рованного и диффузного разрядов в инертных газах и выделить в них области однородной в продольном направлении и стратифицированной плазмы. Наиболее подробные и тщательные эксперименты были выполнены для неона. Соответствующая этим данным диаграмма существования различных состояний разряда приведена в работе [23] и показана на рисунке 1. Здесь по осям ординат и абсцисс отложены соответственно приведенные значения давления pR в единицах Торр-см

о

А Л О

Е-н

Рн

т

п—г I [ 1111]-1—1 I ; п п[-[ N^1111^-—т—I | | I п ||-1—гч | т-ч

\ 9

й \а контр.

I ШДа ОДН°Р-

В

- к г

дифф. однор.

А „ _д—Я.

и

дифф. однор. ~

%

70

-3

70

-г

70'

70й

г/К [А/см]-

70

Рис.1. Диаграмма различных состояний однородной и стратифицированной плазмы газового разряда в неоне [24].

X : Е, = 0,3 см; О : Б, = 0,4 см; V : II = 0,5 см; д : И = 0,75 см; О : И = 1,0 см;

□ г И = 1,5 см; О : И = 2,0 см;

о : Б, = 3,0 см; © : Л = 3,7 см; © : К, = 7,0 см;

и приведенные значения тока ЦЯ в А/см. В работах [21-23] было экспериментально и теоретически показано, что приведенные значения давления и тока являются с хорошей точностью параметрами подобия, как для диффузного, так и для контра-гированного разрядов. Из рисунка видно, что для неона в диапазоне изменения давлений рК от 0,1 до 104 Торр-см и токов ЦЯ от 10"4 до 10 А/см имеется несколько областей, соответствующих диффузному разряду (со стратами и без страт) и контрагированному разряду (также со стратами и без страт). В диффузном столбе свечение плазмы заполняет собой всю трубку, а в контрагированном разряде представляет собой узкий шнур в ее центре.

Из рисунка 1 можно заключить, что существует некоторое критическое давление неона, а именно рЯкр «50 Торр-см, выше которого при достижении определенных критических значений тока происходит скачкообразный переход разряда из диффузного состояния (обл. I) в контрагированное (обл. И). Границе такой скачкообразной контракции соответствует участок ВС на кривой 1. Плато АВ на этой кривой разделяет диффузные разряды со стратами (обл. III) и без страт (обл. I), причем положение на оси ординат этого плато примерно соответствует критическому давлению рЯкр, начиная с которого возможна скачкообразная контракция.

При рК > рЯкр (т.е. выше участка АВ на кривой 1) диффузный разряд однороден

в продольном направлении (обл. I), а контрагированный (обл. II) содержит ионизационные волны. Таким образом, для достаточно высоких давлений (рК > рЯкр)

граница скачкообразного перехода разряда из диффузного состояния в контрагированное при изменении тока совпадает с границей появления бегущих страт. По мере увеличения тока и приближения к верхней границе Пуппа (кривая 2) размер шнура несколько увеличивается, но плазма остается контрагированной, и амплитуда страт плавно уменьшается до нуля. При токах, превышающих границу Пуппа, разряд существует в виде контрагированного шнура без страт.

В промежуточной области давлений ЮТорр ■ см < рШ < рЯкр по мере увеличения тока (переход от обл. III к обл. IV) происходит плавное стягивание свечения разряда к оси трубки. Никаких скачков здесь не наблюдается. В этих условиях может наблюдаться явление «оптического» контрагирования разряда (обл. IV), заключающееся в том, что зона ионизации и возбуждения заметно стянута к оси трубки по сравнению с зоной протекания тока и, соответственно, радиальное распределение линейчатого излучения значительно уже концентрации электронов. В этой области давлений разряд является стратифицированным во всех диапазонах токов ниже границы Пуппа. При ЮТорр ■ см < рй < рКкр можно выделить две

области по току, характер страт в которых существенно различен. При достаточно больших токах (обл. IV) страты являются регулярными. В области небольших то-

ков (i/R <20 мА/см, обл. III) страты могут носить регулярн