Сферический стратифицированный разряд в молекулярных газах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

4.1. Основные свойства сферического разряда.

4.1.1. Количественные оценки основных параметров плазмы.

4.1.2. Роль дрейфового и диффузионного потоков.

4.1.3. Анализ зондовых измерений.

4.2. Анализ результатов эмиссионно-оптических экспериментов.

4.3. Диссоциативные процессы в плазме стратифицированного разряда.

4.3.1. Анализ данных барометрических измерений.

4.3.2 Анализ данных спектральных измерений.

Изучение процессов, протекающих в газовом разряде, до настоящих дней представляется важным как с научной, так и с практической точек зрения. Научный интерес обусловлен тем, что существует ряд явлений, связанных с развитием неустойчивостей в разрядной плазме, природа которых раскрыта не полностью. В связи с этим, исследование механизмов, приводящих к возникновению неустойчивости газоразрядной плазмы и явлений, ее сопровождающих, является важной задачей. Широкое же использование газового разряда в различного рода устройствах и технологиях - таких как газоразрядные лазеры, плазмохимические реакторы или источники света - ставит задачи оптимизации параметров их рабочих режимов, а также поиска новых областей применения газового разряда.

Одним из наиболее распространенных видов неустойчивости газоразрядной плазмы является так называемая ионизационная неустойчивость положительного столба или ионизационные волны. Эта неустойчивость влечет за собой нарушение однородности и стационарности параметров и характеристик плазмы вдоль линий тока, что приводит к расслоению (стратификации) положительного столба[1-4].

Ионизационные волны, возникающие в положительном столбе, наиболее полно изучены для разряда в трубках. Страты в трубке наблюдаются как в атомарных, так и в молекулярных газах, и могут быть как бегущими, так и стоячими. Одной из основных особенностей разряда в трубках является то, что в положительном столбе ионизационные процессы идут в объеме разряда, а рекомбинация заряженных частиц происходит на стенках трубки [4]. Отсутствие стенок может привести к принципиальным отличиям в протекании плазменных явлений по сравнению с разрядом в трубках, т. к. в этом случае все кинетические процессы будут носить объемный характер. Так, например, процесс объемной рекомбинации в молекулярных газах через парные столкновения обеспечивается эффективным механизмом диссоциативной рекомбинации, а в атомарных, при давлениях характерных для тлеющего разряда, рекомбинация, идущая через тройные столкновения, практически отсутствует [5].

Сказанное выше определяет актуальность исследования явления стратификации газового разряда в условиях, когда ионизационно-рекомбинационное равновесие определяется объемными кинетическими процессами. Одной из экспериментальных возможностей реализации такого разряда является сферическая геометрия, в которой разряд горит между небольшим центральным сферическим электродом и проводящими стенками большого замкнутого сферического объема. Существенная одномерность такого разряда предоставляет дополнительные как экспериментальные, так и теоретические преимущества его исследования.

Цель настоящих исследований состоит в следующем: 1. Исследование явления стратификации газового разряда сферической геометрии: а) физических условий возникновения и существования стратифицированного разряда; б) электрических характеристик разряда; в) пространственного распределения и временной зависимости основных характеристик разряда; г) влияния химического состава газовой среды на явление стратификации разряда.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключении сформулируем основные результаты работы:

1. Экспериментально показано, что в молекулярных газах при давлении 100-5 Па может наблюдаться сферическая стратификация газового разряда.

2. Установлено, что стратификация разряда сферической геометрии наблюдается только при положительной полярности центрального электрода.

3. Определены основные свойства стратифицированного разряда сферической геометрии, а именно: а) в молекулярных газах, в отличие от атомарных, образуется положительный столб разряда, в котором и формируются сферические страты; б) количество и размер страт зависит от химического состава, давления газовой среды, величины протекающего через разряд тока, причем радиусы страт находятся в соотношении Rn+]/Rn = а, где п - номер страты, а - величина зависящая от тока, давления и химического состава газа; г) на границе внешней страты выполняется условие j = const, где j - плотность тока;

1. Райзер Ю. П. Физика газового разряда - М.; Наука; 1987.

2. Пекарек JI. Ионизационные волны (страты) в разрядной плазме// УФН 1968. - т. 94, -с. 463.

3. Недоспасов А. В., Хайт В. Д. Основы физики процессов в устройствах с низкотемпературной плазмой-М.; Энергоатомиздат; 1991.

4. Ланда П. С., Маскинова Н. А. Пономарев Ю. В. Ионизационные волны в низкотемпературной плазме// УФН 1980. - т. 132. - с. 601.

5. Смирнов Б. М., Ионы и возбужденные атомы в плазме М.; Атомиздат; 1974.

6. М. Abria, Ann. De Chimie (Annales de Chimie et de Physique) // -1843. 7 -pp. 462.

7. Недоспасов А. В., Хайт В. Д., Основы физики процессов в устройствах с низкотемпературной плазмой М.; Энергоатомиздат; 1991.

8. Oleson N. L., Cooper A. W., Adv. Electronics and Electron Phys. // -1968. v. 24. - p.155.

9. Holm R„ Zs. Phys. // 1924. - Bd. 25. - S. 333.

10. L.D. Tzendin, Electron Kinetics in Non-uniform Glow Discharge Plasmas, Abstracts of Xllth ESCAMPIG, the Netherlands// -1994. pp. 1-4, Plasma Sources Sci. Technol.// -1995.-4.;-pp. 200-211.

11. П.Зайцев А. А., Савченко И. А., Падение потенциала на длине страты и разновидности бегущих страт// ЖТФ, - 1975, т. 45, с. 1541.

12. Rohlena К., Ruzichka Т., In: XIICPIG: Invated Papers., Prague. // -1973.

13. Клярфельд Б. Н., Образование страт в газовом разряде// ЖЭТФ,- 1952,- 22. с. 66.

14. Gunterschlze A., Meinhardt Н., Zs. Phus. // 1938, - Bd. 110, - S. 95.

15. Lee D. A., Garschadden A., Phus. Fluids. // 1972. - v. 15. - p. 1826.

16. Ю.Б. Голубовский, В.О. Некучаев, Н.С. Пономарев, И. А. Порохова, О формировании функции распределения электронов в стратифицированном разряде// ЖТФ. -1997. т. 67, № 9. - с. 14-21.

17. И.М.Подгорный. Лекции по диагностике плазмы М.; Атомиздат; 1968.

18. Под редакцией В. Лохте-Хольтгревена; Методы исследования плазмы М.; Мир; 1971.

19. П. Чан, Л. Тэлбот, К. Турян, Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме М.; Мир; 1978.

20. В.А. Степанов, М.В. Чиркин, Модуляционные исследования разряда в гелий- * неоновых лазерах // "Лазерная физика", в. 3 СПБ: Российский центр лазерной физики.-1992.-с. 3-21.

21. Н.Б. Аникин, А.Ю. Стариковский, С.М. Стариковская, Динамика заряда и продольной компоненты электрического поля в высокоскоростной волне ионизации// Физика плазмы. -1998. т. 24, № 1, - с. 9-24.

22. Зайцев А. А.// ДАН ССР. 79, -1952, 779, 84, - с. 41.

23. Stirand О., Krejei V., Laska L., Czech.// J. Pbys. B16, 1966, p. 65.

24. A.B. Недоспасов, Страты// УФН, 1968,- т. 94, в. 3, - с. 439 - 462.

25. H.A. Капцов, Электрические явления в газах и вакууме М.; ОГИЗ; 1947.

26. Ю.М. Каган, Н.Б. Колоколов, Т.А. Крылова, В.М. Миленин, Исследование бегущих страт в неоне// ЖТФ, -1971, - т. 41, в. 1, - с. 120 -125.

27. Зайцев А. А., Васильева М. Я.// ДАН СССР. - 1959, - 127, - с. 63.

28. О.Н. Орешек, А.Ф. Степанов, В.А. Степанов, Измерение распределения электронов по энергиям в движущихся стратах// ЖТФ. -1972 - т. 41, в. 1, - с. 126 - 130.

29. Л.М. Дмитриев, Исследование распределения электронов по энергиям в слабоионизованном газе// ТВТ, - т. 16, в. 3, - с. 449 - 456.

30. Conde, L. Leon. Multiple double layers in a glow discharge// Physics of Plasmas, -1994, - vol. 1, No. 8, - pp. 2441-2447.

31. К.Ф. Бессонова, O.H. Орешак, А.Ф. Степанов, В. А. Степанов, Измерение распределения электронов по энергии в условии возмущенной колебаниями плазмы// ЖТФ, 1976, - т. 41, в. 1, - с. 100 -103.

32. Ю.М. Каган, Н.Б. Колоколов, В.М. Миленин, Об измерении распределения электронов по энергиям в движущихся стратах// ЖТФ, 1968, - т. 38, № 10, - с. 1821 -1823.

33. Цендин. Функция распределения электронов слабоионизованной плазмы в неоднородных электрических полях.//Физика плазмы, 1982, - Т. 8, №1,- с. 169177.

34. Yu.B.Golubovskii, S.U. Nisimov, LE.Suleymenov. On two-dimensional character of striations in low pressure discharge in neon.//1. Zh. Tekh. Fiz. -1994, 64, 10; // П. Zh. Tekh. Fiz. - 1994, 65, - p. 46-54.

35. T. Bindemann, M. Tichy, J. Behnke, H. Deutsch, K. Becker, Apparatus and Experimental Method for Measurements of the Potential Distribution in DC Glow Discharges// Rev. of Sc. Instr., V. 69, - N. 5, - p. 2037 - 2044.

36. A.B. Stewart, // J. Appl. Phys. 1956. - V. 27, - p. 911.

37. Б.М. Смирнов, Физика слабоионизованного газа; М.; Наука; 1985.

38. Ю.Б. Голубовский, Р.И. Лягущенко, К теории положительного столба разряда в диффузионно-рекомбинационном режиме// ЖТФ, т. 46, в. 11, - с.2327-2332.

39. Yu.B.Golubovskii, S.U. Nisimov, LE.Suleymenov. On two-dimensional character of striations in low pressure discharge in neon//1. Zh. Tekh. Fiz. 1994, - 64, 10; // П. Zh. Tekh. Fiz. 1994, 65, - pp. 46-54.

40. F.V. Nedospasov// Proc. of Symposium on MHD, Saizburg, 1966, - v. 2, - pp. 345.

41. R.A. Haas, Plasma Stability of Electric Discharges in Molecular Gases// Phys. Rev. A, V. 1973. -8, № 2, - pp. 1017-1043.

42. Nighan, W J. Wiegand. Influence of Negative-Ion Processes on Steady-State Properties and Striations in Molecular Gas Discharges// Phys. Rev. -A, -10, No.2, - pp. 922-945, 1974.

43. Lowke. Theory of Electrical Breakdown in Air the Role of Metastable Oxigen Molecules// J. Phys.D: Appl.Phys. -1992. - Vol. 25, - pp.202-210.

44. Yu.B.Golubovskii, V.A.Maiorov, I.A.Porokhova, J.Behnke. On the nonlocal electron kinetics in spatially periodic striation-like fields// J. Phys. D: Appl. Phys. -1999 accepted.

45. Tsendin, Electron Kinetics in Non-Uniform Glow Discharge Plasmas// Plasma Sources Science and Technology. 1995. - V. .4, No. 2, - pp. 200-211.

46. Власов А. А., Теория многих частиц; M.; Гостехиздат;1950.

47. Sigeneger, G.I. Sukhinin, R. Winkler. Electron kinetics in a spherical glow discharge. -ESCAMPIG 98, Invited lectures and contributed papers. Malahide, Ireland, 1998, v. 22H, pp.160-161.

48. Sigeneger, R. Winkler. Spatial Relaxation of Electrons in Nonisothermal Plasmas. -Plasma Chemistry and Plasma Processing. Vol. 17, No.l, pp.1-19. 1997.

49. Sigeneger, R. Winkler. On the Mechanisms of Spatial Electron Relaxation in Nonisothermal Plasmas.- Plasma Chemistry and Plasma Processing. Vol. 17, No.3, pp.281-303. 1997.

50. Sigeneger, R. Winkler. Response of the Electron Kinetics on Spatial Disturbances of the Electric Field in Nonisothermal Plasmas. Contrib. Plasma Phys. Vol. 36, No.5, pp. 551571, 1996.

51. Pfau, R. Winkler. Electron Collision Rates and Transport Coefficients of a Weakly Ionized dc Plasma in Ar/SiHt- Mixtures. Contrib. Plasma Phys. Vol. 30, No.5, pp. 587597, 1990.

52. Yu.B. Golubovsky, S.U. Nisimov. Kinetic ionization waves in neon discharge. Zh. Tekh. Fiz. 1996, vol. 66, No. 7, pp. 20-31.

53. Yu.B.Golubovskii, V.O.Nekuchaev, N.S. Ponomarev. Confined and free electrons in stratified column of gas disgarge. Zh. Tekh. Fiz. 1998, 68., pp. 64-68.

54. J.Behnke, Yu.B. Golubovsky, S.U. Nisimov, I.A. Porokhova. Self-consistent model of a positive column in an inert gas discharge at low pressures and small currents. Contrib. Plasma Phys. 1996,36, 75-91.

55. Yu.B.Golubovskii, S.U. Nisimov, LA. Porokhova. Self-consistent mechanism of ionization waves in low pressure gas discharge. Zh. Tekh. Fiz. 1997,67,24.

56. Nerushev, S.A. Novopashin, V.V. Radchenko, G.I. Sukhinin. Spherical strata in 3-D glow discharge. Preprint No. 285-97. Institute of Thermophysics, Novosibirsk, 1997, pp. 1-12.

57. Нерушев, C.A. Новопашин, B.B. Радченко, Г.И. Сухинин. Сферические страты в тлеющем разряде. Письма в ЖЭТФ, 1997, т.66, No 11, с.679-682.

58. Nerushev, S.A. Novopashin, V.V. Radchenko, G.I. Sukhinin. Experimental observation of spherical striations in a gas discharge.- ESCAMPIG 98, Invited lectures and contributed papers. Malahide, Ireland, 1998, v. 22H, pp.328-329.

59. Nerushev, S.A. Novopashin, V.V. Radchenko, G.I. Sukhinin. Spherical stratification of glow discharge. Physical Review E, 1998, v.58, No 4. p. 4897-4902.

60. А. Энгель, Ионизованные газы, М., Физматгиз, 1959.

61. B.JL Грановский, Электрический ток в газе, М., Наука, 1971.

62. Н.А. Капцов, Коронный разряд, ОГИЗ, Гостехиздат, 1947.

63. R. Morrow, Theory of Positive Glow Corona, J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 30, pp.614627, 1997.

64. Conde, L. Leon. Stationary electron distribution functions in multiple double layers. Proceedings of ХХШ-th International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Toulouse. 1997, Vol. I, pp. 70-71.

65. Alcaide, L. Conde. Experimental evaluation of a hollow cathode plasma source. Proceedings of ХХШ-th International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Toulouse. 1997, Vol. П, pp. 2-3.

66. H.S. Porter, F. Varosi, H.G. Mayr, Iteration Solution of the Mutistream Electron Transport Equation, J. Geoph. Res., V. 92, № A6, pp. 5933 5959, 1987.

67. Вакуумметр деформационный ВД 1, техническое описание и инструкция по эксплуатации.

68. Физические величины, справочник, М., "Энергоатомиздат", 1991.

69. Э.Д. Лозанский, О.Б. Фирсов, Теория искры, М., Атомиздат, 1975.