Исследование электрических и спектральных характеристик тлеющего разряда низкого давления в продольном магнитном поле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Пинаев, Вадим Александрович

• Пинаев, Вадим Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Пинаев, Вадим Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Современное состояние исследования тлеющего разряда

1.1. Непрерывный спектр излучения тлеющего разряда

1.2.Функция распределения электронов по энергиям в области отрицательного свечения

1.3.Влияние продольного магнитного поля на тлеющий разряд

1.4. Диффузия заряженных частиц в магнитном поле

1.5.Заключение по главе

ГЛАВА 2. Экспериментальная установка. Методики измерений

2.1 .Экспериментальная установка для исследования тлеющего

разряда низкого давления в продольном магнитном поле

2.2.Градуировка оптической системы. Спектральные измерения

2.3.Диагностика температуры и концентрации электронов плазмы тлеющего разряда

2.4.Двухзондовый метод диагностики плазмы

2.4.1. Определение температуры электронов

2.4.2. Определение плотности заряженных частиц

2.4.3. Погрешности зондовых измерений

2.5.Заключение по главе

ГЛАВА 3. Влияние магнитного поля на электрические характеристики

тлеющего разряда

3.1.Влияние магнитного поля на тлеющий разряд

3.2.Продольное распределение температуры и плотности электронов

3.3.Длина отрицательного свечения тлеющего разряда низкого

давления

3.4.3аключение по главе

ГЛАВА 4. Непрерывный спектр излучения тлеющего разряда низкого

давления

4.1.Спектр излучения в области отрицательного свечения

4.2.Элементарные процессы формирующие излучение непрерывного

спектра тлеющего разряда

4.3.Тормозное излучение электрона на нейтральных частицах

4.4.Влияние нелокальности функции распределения электронов по энергиям на излучение непрерывного спектра

4.5.Спектр излучения области положительного столба

4.6.3аключение по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование электрических и спектральных характеристик тлеющего разряда низкого давления в продольном магнитном поле»

ВВЕДЕНИЕ

Применение тлеющего разряда в различных технологических процессах (обработка и модификация поверхности, плазмохимия) в лазерной технике (создание инверсной населённости), в качестве среды для исследований (пылевая плазма), в технологиях создания источников света (лампы дневного света, ультрафиолетовые лампы) делает актуальным его исследование в широкой области фундаментальных и прикладных задач физики низкотемпературной плазмы. Одним из способов изменения основных параметров тлеющего разряда является воздействие на него магнитного поля.

Проведенный анализ литературных данных показал, что большая часть работ, связанных с экспериментальными исследованиями тлеющего разряда, посвящена исследованиям тлеющего разряда в области положительного столба (ПС). Гораздо меньшее количество работ посвящено изучению области отрицательного свечения (ОС). Влияние магнитного поля на область отрицательного свечения и излучение тлеющего разряда (ТР) в литературе практически не рассмотрено. Имеющиеся по данной тематике работы, как правило, описывают свойства тлеющего разряда в достаточно узком диапазоне параметров. Отсутствуют работы по исследованию излучения непрерывного спектра отрицательного свечения тлеющего разряда. Основная трудность измерения непрерывного спектра ТР низкого давления связана с тем, что интенсивность его излучения чрезвычайна мала.

Принимая во внимание отсутствие в литературе достаточных сведений о поведении тлеющего разряда в магнитном поле, можно сделать вывод об актуальности данных исследований.

Целью работы является проведение комплексных экспериментальных исследований спектральных и электрических характеристик тлеющего разряда в различных плазмообразующих газах в широком диапазоне определяющих параметров (давление разрядного газа, сила тока разряда, длина разряда).

Для достижение поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- Получить новые экспериментальные данные о зависимости напряжения, температуры и плотности заряженных частиц, спектральных характеристиках излучения тлеющего разряда низкого давления от величины прикладываемого магнитного поля, давления и состава плазмообразующего газа.

- Изучить влияние продольного магнитного на оптические характеристики излучения тлеющего разряда, провести исследования тлеющего разряда с применением оптических методов диагностики плазмы.

- Выполнить численный анализ интенсивности излучения непрерывного спектра области отрицательного свечения, темного фарадеева пространства и положительного столба тлеющего разряда низкого давления на основе теории излучения низкотемпературной плазмы с учётом нелокальности энергетического спектра электронов.

- Выявить основные закономерности распределения спектральной плотности излучения непрерывного спектра на основе полученных экспериментальных данных и выполненных расчётов.

Научная новизна:

1. В работе получены новые экспериментальные данные о зависимости общего напряжения тлеющего разряда низкого давления (10—133 Па), находящегося в продольном магнитном поле до 1400 Гс. Показано, что при наложении магнитного поля общее напряжение на разряде уменьшается в 2—3 раза. С повышением давления плазмообразующего газа (до ~ 200 Па) магнитное поле перестаёт оказывать влияние на напряжение и геометрию тлеющего разряда.

2. Обнаружено, что наложение магнитного поля приводит к росту температуры (в 3-7 раз) и плотности электронов (в 5-20 раз) в области отрицательного свечения тлеющего разряда, в отличие от случая, когда

магнитного поле воздействует на область положительного столба, где температура и плотность электронов падает.

3. Впервые получено продольное распределение температуры и плотности электронов в области отрицательного свечения тлеющего разряда, находящегося в магнитном поле.

4. Показано, что гибель пучка быстрых электронов на стенке разрядной камеры влияет на длину отрицательного свечения тлеющего разряда низкого давления. В случае если разряд находится в продольном магнитном поле длина отрицательного свечения совпадает с энергетической длиной релаксации быстрых электронов.

5. Получены новые экспериментальные данные о спектральных характеристиках излучения тлеющего разряда в широком диапазоне условий горения: давления разрядного газа 1СН-200 Па, силы тока разряда 5-К 00 мА, индукции магнитного поля 0-И400 Гс, рода разрядного газа Не, Н2, №. Спектральные измерения выполнены в абсолютных единицах.

6. Установлено, что при низком давлении в области отрицательного свечения тлеющего разряда измеренная интенсивность излучения непрерывного спектра существенно превосходит расчётную интенсивность тормозного излучение электрона на атомах в предположении наличия у электронов максвелловской функции распределения по энергиям. Учёт не локальности функции распределения уменьшает расхождение экспериментальной и расчётной величины интенсивности непрерывного спектра.

Практическая значимость результатов:

Найденные в работе условия увеличения интенсивности излучения тлеющего разряда низкого давления, находящегося в магнитном поле, могут быть использованы при создании новых источников света.

Влияние магнитного поля на тлеющий разряд низкого давления приводит к увеличению концентрации заряженных частиц, что может быть использовано при модификации поверхностей различных материалов.

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для развития и обоснования теории тлеющего разряда.

Достоверность полученных результатов достигается использованием стандартных методик измерения электрокинетических и спектральных характеристик разряда; калибровкой и поверкой используемой аппаратуры; проведением многократных экспериментальных исследований тлеющего разряда для фиксированного режима горения разряда (проверка воспроизводимости результата); сравнением полученных результатов с работами других авторов.

Личный вклад соискателя: Автор провёл анализ литературных данных по теме работы, принимал непосредственное участие в постановке задачи. Им создана и модернизирована экспериментальная установка, с целью подготовки и автоматизации эксперимента, проведены эксперименты и обработка полученных данных для определения электрических и спектральных характеристик тлеющего разряда, выполнен расчёт и анализ представленных результатов; разработана модель релаксации пучка быстрых электронов в катодных областях тлеющего разряда, подготовлены публикации по результатам исследований.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментального исследования электрических характеристик тлеющего разряда низкого давления.

2. Обнаруженный эффект влияния рассеяния пучка быстрых электронов на длину отрицательного свечения тлеющего разряда низкого давления.

3. Результаты экспериментального исследования излучательных характеристик тлеющего разряда в водороде и инертных газах Не, Ne.

4. Обнаруженный эффект превышения экспериментально измеренной спектральной плотности излучения непрерывного спектра над тормозным излучением электронов основной группы в области отрицательного свечения тлеющего разряда низкого давления.

Апробация научных результатов: Основные научные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и отечественных конференциях:

VI International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, 18-22 September, 2009.

Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы». Петрозаводск, 21-27 июня 2011 г.

Всероссийская научная конференция студентов физиков. Красноярск, 29 марта-5 апреля, 2012 г.

XLVII Международная научная студенческая конференция. Новосибирск. 11-16 апреля, 2012 г.

VII International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, 17-21 September, 2012.

Всероссийская научная конференция студентов физиков. Архангельск, 28 марта-4 апреля, 2013 г.

51 Международная научная студенческая конференция. Новосибирск. 12-18 апреля, 2013 г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 3 в реферируемых журналах, 6 в материалах и трудах конференций.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 108 стр., включая 46 рисунка.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА

Глава посвящена обзору работ по исследованию излучательных и электрокинетических характеристик тлеющего разряда. Основное внимание уделяется вопросам формирования и излучения непрерывного спектра, а также нелокальности функции распределения электронов по энергии в области отрицательного свечения тлеющего разряда. Рассматривается вопрос о влиянии магнитного поля на тлеющий разряд. Обсуждается характер диффузии заряженных частиц в поперечном направлении к приложенному магнитному полю. В заключении главы сделаны выводы, на основании которых определена цель диссертационной работы и задачи исследований.

1.1. Непрерывный спектр излучения тлеющего разряда

Исследование излучения непрерывного спектра в области положительного столба (ПС) тлеющего разряда опубликовано в работах [1-3]. Следует отметить, что большинство работ по исследованию излучения тлеющего разряда (ТР) выполнено в области ПС, поскольку, как отмечено в монографии [4], область ПС является наиболее изученной и представляет наибольший интерес с практической точки зрения.

В слабоионизованной плазме при степенях ионизации 3< 10" в непрерывном спектре преобладает тормозное излучение, возникающее вследствие рассеяния электронов на нейтральных частицах [5]. При больших степенях ионизации существенным становится вклад тормозного излучения возникающего за счёт рассеяния электронов на ионах и фоторекомбинационного излучения:

А+ + е -» А* + Ъсо. (1.1)

При степенях ионизации 5~ 10"7-10"4, характерных для тлеющего разряда низкого давления, находящегося в магнитном поле [6], вклад в интенсивность

непрерывного спектра процесса (1.1) и тормозного рассеяния на ионах становится не существенным и может не учитываться [7]. Таким образом, основным процессом, формирующим излучение непрерывного спектра тлеющего разряда низкого давления, является тормозное рассеяние на нейтральных частицах. Теория тормозного излучения электронов на атомах и различных частицах (ионах, кластерах, дебаевских сфер в плазме, наночастицах и т.д.) изложена в работах [8-17].

В работе [1] спектральная плотность тормозного излучения УыЬгстз плазмы ТР использовалась для определения концентрации электронов пе. Расчёта /мЬгст5 осуществлялся по следующей формуле:

JvЛmaada> = 5ЛV-3 ~-^пеЫ(кТеУ312 ]^£{е-Псо)[бС71г{8-Псо) +

тс По

£

+ {8-По))сгХт(е)\1 кт'с1£с1со (1.2)

где N — концентрация атомов, Те - электронная температура, сг^е) - транспортное сечение упругих столкновений, со- частота излучения. Температура электронов рассчитывалась по измеренным значениям напряженности электрического поля Е из уравнения баланса энергии, в котором пренебрегалось электронной теплопроводностью. Так как в области давлений в десятки торр основными потерями электронов являются упругие потери при столкновении электрона с атомами [4], то можно связать электронную температуру с продольным электрическим полем простыми соотношениями. В случае разряда в Не это соотношение приобретает следующий вид [19]:

0.3)

3 т V

еа

где уса -частота упругих столкновений электрона с атомами, М - масса атома. Измеряя абсолютную величину интенсивности «/«ьгетв из выражения (1.2) с предварительно найденными значениями Те и N авторы [1] определяли

концентрацию электронов. При сопоставлении найденной таким образом концентрации электронов с соответствующими значениями, полученными другим методом, установлено удовлетворительное согласие. Тем самым подтверждена возможность применения данного метода и справедливость формулы (1.2). Измерения проводились в ПС тлеющего разряда гелия при давлениях р = 10-80 торр и токах = 100, 200 мА.

В отличие от [1], где вычисление интенсивности тормозного излучения (1.2) осуществлялось в предположении наличия у электронов максвелловской функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), в работе [2] выполнен расчёт абсолютной интенсивности сплошного спектра ПС разряда в неоне для случая реальной функции распределения Дм), взятой из [19]:

т=

г \3/2

т.

К2кТе;

1

ехр

}1 + уи2 + 2 уи

п 1

с1и

(1.4)

2 я<р(у)

Здесь и = т\ /2к0, 0— параметр, характеризующий среднюю энергию электронов и связанный с продольным электрическим полем Е следующим соотношением:

к0 = О.29л—еЕЛо, V т

где Яо - длина свободного пробега,

Г =

Муеа{0) т уее(0)'

уее -частота электрон-электронных соударений, (р{у) - нормировочная постоянная, зависимость которой приведена в [19].

Интенсивность тормозного излучения Льгег™ в этом случае равна [2]:

\-3 _„^г7/2

Льгешз = 5.2 • 10- рп'& Г),

(1.5)

ЛЛ'&',Г) =

1 00 1-Г

J

ср{у){Ш)2 30

1/2 14.4

х Ах +

Л'&

' 14.4

2хч--х

ч Ш)

где и!— rie Ю"п, &= <9Т О"4, Л'= Л'105, Я - длина волны в сантиметрах.

В [2] показано, что если измерить абсолютную интенсивность излучения непрерывного спектра на фиксированной длине волны и отношение интенсивностей на двух различных длинах волн, то из (1.5) можно определить температуру и концентрацию электронов чисто оптическим способом, не прибегая к зондовым измерениям. Полученная таким образом величина rte сравнивалась с расчётной величиной концентрации электронов, вычисленной из выражения для разрядного тока

где Ье - подвижность электронов. Радиальный профиль концентрации электронов в (1.6) измерялся по радиальному спаду интенсивности сплошного спектра. Найденная температура электронов совпадала со значением, полученным из (1.3). Расхождение температуры электронов составило не более 5%, концентрации электронов - 45%, что доказывает справедливость применения формул (1.4), (1.5) для описания непрерывного спектра излучения ПС тлеющего разряда. В [2] параметр рЯ = 96 торр-см, величина УЯ менялась в диапазоне 4.16-^-167 мА'см'1, радиус трубки Я = 2.8 см.

С повышением давления разряда также наблюдается хорошее совпадение между результатами, полученными с помощью измерения яркости тормозного континуума, которая определяется формулой (1.5), и расчётными значениями Те и пв. Так в работе [3] выполнено исследование ПС разряда в неоне при повышенных давлениях (рЯ = 210, 316, 560 торр-см), когда применение зондового метода диагностики плазмы оказывается невозможным [4]. Для определения температуры электронов было использовано следующее выражение:

(1.6)

~кТе = 0.4

M еЕ

V т сгхгИ'

которое при использовании уравнения состояния приобретает следующий

вид:

Те=1.6Л02-Т, Р

где Т - температура газа. Значения Е и р определялись экспериментально, Т рассчитывалась из уравнения баланса энергии атомов со следующими граничными условиями:

ат

1 d_

г dr б/Г

dr

гк{Т)

= -Лг)Е

dr

= 0, T(R) = TR,

r=0

где j(r) - плотность тока, к(г) — коэффициент теплопроводности. Значение концентрации электронов рассчитывалось из (1.6) с привлечением экспериментальных данных о её радиальном распределении. Авторы [3] получили хорошее совпадение расчётных и измеренных значений Ге и пе, как в диффузионном режиме положительного столба, так и в контрагированном состоянии при i/R > 35 мА/см.

1.2. Функция распределения электронов по энергиям в области отрицательного свечения

Механизм излучения линий в отрицательном свечении (ОС) тлеющего разряда изучался в [20]. В диапазоне давлений р = 0.5+2 торр измерена зависимость хода интенсивности спектральных линий по длине разряда. Для расчёта числа прямых возбуждений уровня п функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) по длине отрицательного свечения бралась в следующем виде:

( 2 о >

™ ¿о %7ТЪ11Ы ;

3/2

1 1 4Л2[1-(/„/^,/)'1^

где ¿ь - число электронов, эмитируемых катодом в единицу времени, Z — число электронов во внешней оболочке атома, 1//ац - потенциал катодного падения, /„ - потенциал возбуждения уровня п, х - расстояние отсчитываемое от начала ОС. Сравнение хода измеренной интенсивности лини 763.5 нм и рассчитанного числа прямых возбуждений с помощью (1.7), показало хорошее совпадение полученных результатов. В работе [21] показано, что в области ОС, в отличие от ПС, преобладает ионизация электронным ударом из основного состояния.

Функция (1.7) учитывает наличие в распределении электронов высокоэнергетичной группы с энергией ~ и/ац, которая формируется в зоне катодного падения тлеющего разряда. Механизм формирования данной группы рассмотрен в [22]. Установлено, что для электронов с энергией больше некоторого порогового значения фиктивная сила трения в среде становится меньше силы ускорения в электрическом поле Екр. В результате такие электроны начинают ускоряться, набирая дополнительную энергию на длине свободного пробега. Такое «убегание» электронов и приводит к формированию пучка высокоэнергетичных электронов в области ОС тлеющего разряда. Измерения продольного электрического поля в области катодного падения ТР, выполненные в [23] зондовым и в [24-26] оптическими методами, показали наличие сильного электрического поля (1-ИО кВ/см), которое линейно спадает практически до нуля к началу ОС. Данное поле приводит к формированию пучка, возникновению нелокальной ионизации и возбуждения атомов в области ОС [27].

В работе [28] проводится измерение температуры и плотности первичных и вторичных электронов в ОС тлеющего разряда гелия при давлениях р = 3-Н2 мм. рт. ст. Измерения выполнены двумя методами — зондовым и микроволновым. Получено совпадение результатов при плотностях первичных электронов выше

4* 10й см"3. Распределение каждой группы электронов считалось максвелловским. Авторы [28] установили, что при р = 8 мм. рт. ст. и токе = 1-Н0 мА плотность вторичных электронов на 2-3 порядка меньше плотности первичных, температура больше на два порядка. Указываются причины формирования каждой из электронных групп. Вторичные электроны возникают при ионизации атомов газа пучком быстрых электронов, ускоренных в катодном слое ТР. Столкновения вторичных электронов с нейтральным газом и ионами приводят к их релаксации и образованию основной, самой многочисленной группы электронов.

ФРЭЭ в области отрицательного свечения тлеющего разряда измерялась в [29]. Давление варьировалось в пределах З-КЗО торр, ток = 1-Н0 мА, а напряжения разряда £7^ = 200+500 В. Вид полученной ФРЭЭ отчетливо демонстрирует наличие всех выше перечисленных энергетических групп. Отмечено, что в отличие от ПС распределение электронов по энергиям в области отрицательного свечения имеет существенную долю высокоэнергетичных электронов и в значительной степени отличается от максвелловского в области энергий, больших кТс. Графическая оценка доли вторичных электронов, энергия которых лежит в интервале 24.6+(е£^-а//-20) эВ, даёт величину 0.3 и 0.45 от общего числа электронов длярс! = 1.5 торр'см (и/ац= 190 В) ирс1= 2.5 торрхм (и/ац= 500 В) соответственно. Доля высокоэнергетичных электронов пучка составляла 0.01-0.03 при рс1 ~ 1.5 торр'см. Также в [29] экспериментально показано, что в области ПС при данных условиях разряда пучок и группа вторичных электронов практически отсутствуют, а основная группа электронов имеет максвелловское распределение, характеризующееся средней энергией 1 эВ, и едва заметный хвост быстрых электронов, простирающийся лишь до 5-10 эВ. Подробное описание техники измерения ФРЭЭ в плазме низкого давления приводится в [30].

Отсутствие пучка быстрых электронов подтверждается также результатами спектральных измерений, выполненных в [31] в области ПС и ОС тлеющего разряда в воздухе при давлении 0.06+1.2 мм.рт.ст. Показано, что возбуждение первой отрицательной системы полос азота (19.6 эВ) наблюдается только в

области ОС и отсутствует в ПС. В области ПС происходит возбуждение второй положительной системы с меньшим потенциалом возбуждения (13 эВ).

Вопрос установления функции распределения медленных электронов в ОС рассмотрен в работе [32]. Рассматриваемый диапазон давлений составляет 0.5+15 мм. рт. ст., токов - 600+1000 мкА. Вводится параметра т/, который определяет относительное влияние электрон-электроных и электрон-атомных соударений на энергетическое состояние электронов плазмы. Показано, что если 77 >1, то основная доля электронов уже на расстоянии 1.5-2 см от начала ОС имеет максвелловскую ФРЭЭ в интервале от 0 до 5-6 кТе.

Изучение функции распределения пучка быстрых электронов в области давлений 0.15+0.8 торр и диапазоне токов 60+700 мА выполнено в [33]. Максимальное напряжение разряда составляло 1.5 кВ. Показано, что полуширина пучка при данных условиях составляет 100+300 эВ.

Сопоставление измеренной длины релаксации моноэнергетического пучка ускоренных электронов в газе [34] показало, что длина ОС тлеющего разряда совпадает с данной величиной в [35]. Это показывает, что длина ОС определяется длиной релаксации группы быстрых электронов с энергиями, близкими к потенциалу катодного падения. Измерение длины ОС осуществлялось в тлеющем разряде гелия при р = 2 мм.рт.ст. для напряжений 200+-1100 В.

В работах [27, 36, 37], посвященных моделированию ТР, длина отрицательного свечения определялась с помощью функции потерь [38], которая объединяет вклад всех неупругих процессов и определяет длину релаксации пучка быстрых электронов. Основным механизмом потери энергии пучка электронов является ионизация невозбуждённых атомов.

В работе [36] выполнен расчёт продольного распределения напряженности электрического поля, плотности электронов и ионов, средней энергии электронов и других величин по длине разряда. При расчёте учитывалась нелокальность ФРЭЭ в катодном слое, диффузия и потери медленных электронов, присутствие двух групп электронов - быстрых и медленных в зоне ОС. Показано, что в конце

области ОС и начале тёмного фарадеева пространства (ТФП) температура медленных электронов падает, частота vee начинает превышать vea, что обуславливает установление максвелловского спектра медленных электронов. Также в [36] показано, что к началу ТФП группа быстрых электронов полностью исчезает (что подтверждает результаты работы [29]). Ионизация, возбуждение прекращаются, начинает формироваться область ПС. К сожалению, в [36] не приведено сравнения полученных результатов расчёта с соответствующими экспериментальными данными, однако наблюдается качественное совпадение с результатами, приведенными в [4, 39, 40].

Измерение продольного распределения электрического поля, температуры и плотности электронов в области ФТП выполнено в [41]. Установлено, что температура электронов и продольное электрическое поле возрастают, в то время как концентрация электронов падает. Показано, что при вычислении полного потока электронов необходимо учитывать три потока: дрейфовый в электрическом поле, диффузионный и термодиффузионный, причём последние два направлены в противоположных направлениях и практически компенсируют друг друга.

1.3. Влияние продольного магнитного поля на тлеющий разряд

Вопрос влияния магнитного поля на тлеющий разряд изучался в работе [42]. Экспериментально исследовалось влияние продольного магнитного поля на области ОС и ТФП при токе 11 мА и давлениях р = 100-К200 Па. С помощью электрических зондов показано, что продольное электрическое поле в ОС при наложении магнитного поля на разряд меньше 0.01 В/см. Наложение магнитного поля приводило к уменьшению напряжения разряда, исчезновению ПС при давлениях, меньших 180 Па. С повышением давления магнитное поле не оказывало заметного влияния на оптические и электрические характеристики разряда.

Влияние магнитного поля на излучение линейчатого и непрерывного спектра в области ОС и ТФП изучалось в [43]. Установлено, что наложение магнитного поля приводит к возрастанию интенсивности спектральных линий и непрерывного континуума в 200-300 раз при давлениях меньших 140 Па, а при увеличении давления гелия в разрядной камере до р > 180 Па продольное магнитное поле слабо влияет на излучение тлеющего разряда.

В работе [21] исследовано отрицательное свечение ТР в продольном магнитном поле в диапазоне давлений р = 0.5+5 торр при токе разряда до 90 мА. Выполнено измерение распределения интенсивности линий по длине разряда без наличия магнитного поля и с полем Н= 500 Гс. Определены константы скоростей перехода для 17 линий в видимой области спектра в ОС и ПС разряда. Показано, что в ОС процессы возбуждения линий происходят интенсивней, чем в ПС. Зондовые измерения показали, что температура основной группы электронов в ОС меньше, чем в ПС, а концентрация выше. Измерены заселённости верхних и

1 3

метастабильных (2 8, 2 Э) уровней в магнитном поле. В предположении, что пучок с энергией 4 кВ в начале ОС является моноэнергетичным, выполнен расчёт функции распределения электронов пучка по энергиям по длине разряда. С помощью полученной функции распределения найдена частота ионизации нейтрального газа, которая отвечает за скорость появления вторичных электронов с энергией 0+100 эВ, выполнен расчёт концентрации медленных электронов, скорости перехода линий и концентрации метастабильных уровней. Полученные данные хорошо согласуются с экспериментальными значениями.

Излучение непрерывного спектра ПС в магнитном поле рассмотрено в [44]. Разряд в парах цезия изучался при давлениях р = 8.2+74 мкм. рт. ст. и токах = 1+2.5 А. Обнаружено, что интенсивность излучения на длине волны 494.3 нм линейно увеличивается с ростом магнитного поля, причем с возрастанием давления рост замедляется и при 74 мкм рт. ст. интенсивность излучения перестаёт зависеть от величины прикладываемого магнитного поля Н< 1300 Гс. В отличие от непрерывного спектра излучение в линиях уменьшалось с ростом

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пинаев, Вадим Александрович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каган Ю.М., Христов Н.Н Об использовании сплошного спектра гелия для

диагностики плазмы среднего давления // Оптика и спектроскопия. 1969. Т. 27. №4. С. 710-711.

2. Ю. Б. Голубовский, В. А. Иванов, Каган Ю.М. Диагностика разряда в неоне при

средних давлениях по тормозному континууму // Оптика и спектроскопия. 1973. Т. 35. №2. С. 213-220.

3. Ю. Б. Голубовский, А. К. Зинченко, Каган Ю.М. Исследование положительного

столба в неоне при повышенных давлениях // ЖТФ. - 1977. Т. 47. № 7. С.1478-1485

4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. 536 с.

5. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. М.: ФИЗМАТЛИТ,

2010. 592 с.

6. Уланов И.М., Литвинцев А.Ю. Экспериментальные исследования влияния

продольного магнитного поля на катодные части тлеющего разряда в гелии // ЖТФ. 2004. Т. 74. №. 9. С. 32-38.

7. Pinaev V. A., Ulanov I. М. Investigation of electric and spectral characteristics of the

low-pressure glowing discharge in longitudinal magnetic field // VII international conference PPPT-7. Minsk: kovcheg, 2012. P. 208-211.

8. Bethe H. A., Oppenheimer J. R. Reaction of radiation on electron scattering and

Heitler's theory of radiation damping // Phys. Rev. 1946. V. 70. P. 451-458.

9. Фирсов О. Б, Чибисов М.Н. Тормозное излучение электронов на нейтральных

частицах // ЖЭТФ. 1960. Т. 39. С. 1770.

10. Касьянов В. Н, Старостин А. К теории тормозного излучения медленных электронов //ЖЭТФ. 1965. Т. 48. № 1. С. 293-305.

11. Романихин В.П. Расчёт тормозного излучения электронов на атомах в широком диапазоне энергий фотонов// ЖЭТФ. 2002. Т. 121. № 2. С. 286-290.

12. Цытович В.Н., Ойрингель И.М. Поляризационное тормозное излучение частиц и атомов. М.:Наука, 1987. 336 с.

13. Galitskii V. М., Kelner S.R. Bremsstrahlung in the collision of a muon with an electron at rest // Soviet Physics JETP. 1967. V. 25. № 5. P. 948-951.

14. Tikhonov V. V., Alikaev V. V., Arsenin V. Ya., Dumova A. S. Determination of the distribution function of plasma electrons from the bremsstrahlung spectrum // Soviet Physics JETP. 1969. V. 28. № 5. P. 1006-1008.

15. Batenin V. M., Chinnov V. F. Electron bremsstrahlung in the of argon or helium atoms // Soviet Physics JETP. 1972. V. 34. № 1. P. 30-34.

16. Dyachkov L. G., Kobzev G. A., Norman G. E. Effect of resonances in elastic scattering on the bremsstrahlung of electrons in an atomic fields // Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1973. V. 65. P. 697-700.

17. Астапенко B.A., Буреева JI.A., Лисица B.C. Поляризационные эффекты в атомных переходах // УФН. 2002. Т. 172. № 2. С. 155-192.

18. Голубовский Ю.Б., Каган Ю. М., Лягушенко Р.И. О распределении по энергии и подвижности электронов в газах и полупроводниках //ЖЭТФ. 1969. Т. 57. № 6. С. 2222-2229.

19. Каган Ю.М., Христов Н.Н Об использовании атомных температур при диагностике плазмы при средних давлениях // Оптика и спектроскопия. 1969. Т. 27. № 4. С. 573-577.

20. Каган Ю. М., Лягушенко Р.И., Мелик-Шахназарова Г.А. О процессах возбуждения и излучения в отрицательном свечении тлеющего разряда // Оптика и спектроскопия. 1975. Т. 38. № 6. С. 1078-1083.

21. Cohen С., Kagan Yu. М., Avivi P. The negative glow in a magnetic field in a helium discharge // J. Appl. Phys. 1989. V. 66. № 7. P. 2914-2919.

22. Ткачёв A. H., Яковленко С.И. О механизме убегания электронов в газе. Верхняя ветвь кривой зажигания самостоятельного разряда для гелия,

ксенона и азота // Материалы VI Международной конференции Забабахинские научные чтения. Снежинск, 2003. Т. 1. С. 1-21.

23. Roger Warrant Field measurements in glow discharge with a refined electron beam probe and automatic recording // Physical Review. 1955. V.98. № 6. P. 1650-1658.

24. M.M.Kuraica and N.Konjevic Electric field measurement in the cathode fall region of a glow discharge in helium // Appl.Phys.Lett. 1997. V. 70. P. 1521-1523.

25. Doughty D. K., Lawler J. E. Spatially resolved electric field measurements in the cathode fall using optogalvanic detection of Rydberg atoms // Appl. Phys. Lett. 1984. V. 45. №6. P. 611-613.

26. Den Hartog E. A.,Doughty D.A., Lawler J.E. Laser optogalvanic and fluorescence studies of a glow discharges // Physical Review A. 1988. V. 38. № 5 P. 2471-2491.

27. Kolobov V. I., Tsendin L. D. Analytic model of the cathode region of a short glow discharge in light gases // Physical Review A. 1992. V. 46. № 12 P. 7837-7852.

28. Anderson J.M. Ultimate and secondary electron energies in the negative glow of a cold-cathode discharge in helium // Journal of Applied physics. 1960. V. 31. № 3. P. 89-94.

29. Gill P., Webb С. E. Electron energy distributions in the negative glow and their relevance to hollow cathode lasers // J. Phys. D.: Appl. Phys. 1977. V. 10. P. 299-311.

30. Neiswender D. D., Kohout F. C. An apparatus for electron energy analysis in glow discharge plasmas // The review of scientific instruments. 1972. V. 43. № 10. P. 1475-1480.

31. Chao К. Т., Tang T. Y. Electron temperature in electrical discharges //Physical Review. 1945. V. 68. № i p. 30-39.

32. Солнцев Г.С, Орлов А.И., Довженко B.A. О механизме установления функции распределения электронов по энергиям в плазме отрицательного свечения тлеющего разряда // Радиотехника и электроника. 1970. Т. 9. С. 1980-1982.

33. , Zeng qi Yu, Jorge J. Rocca, George J. Collins Studies of a glow discharge electron beam//J. Appl. Phys. 1983. V. 54. P. 131-136.

34. Lehman J. F. The absorption of slow cathode rays in various gases //Proc. R. Soc. Lond. A. 1927. V. 115. P. 624-639.

35. Brewer A. K., Westhaver J. W. The cathode region in the glow discharge //J. Appl. Phys. 1937. V. 8. P. 779-782.

36. Райзер Ю.П, Шнейдер M.H. Продольная структура катодных частей тлеющего разряда!/ ТВТ. 1991. Т. 29. № 6. С. 1041-1052.

37. Кудрявцев А.А., Смирнов А.С., Цендин Л.Д. Физика тлеющего разряда. СПб.: Лань, 2010.512 с.

38. Petersen L. R., Green А. Е. S. The relation between ionization yields, cross sections and loss functions //J. Phys. B: At. Mol. Phys. 1968. V. 1. P. 1131-1140.

39. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. М.:Наука, 1971. 543 с.

40. Wolsey G. A., Reynolds R. М., Montgomery W. В., Emeleus K.G. The negative glow and Faraday dark space in near-normal neon discharges //Int. J. Electronics. 1969. V. 26. №6 P. 505-517.

41. Kagan Yu. M., Cohen C., Avivi P. The Faraday dark space of a He glow discharge //J. Appl. Phys. 1988. V. 63. P. 60-62.

42. Уланов И.М., Литвинцев А.Ю. Экспериментальные исследования влияния продольного магнитного поля на катодные части тлеющего разряда в гелии // ЖТФ. 2004. Т. 74. №. 9. с. 32-38.

43. Уланов И.М., Литвинцев А.Ю. Влияние продольного магнитного поля на излучение тлеющего разряда в гелии // ТВТ. 2005. Т. 43. № 4. С. 516-524.

44. Алесковский Ю.М., Грановский В.Л., Михалец Е. Рекомбинационное излучение цезиевой плазмы в магнитном поле // Радиотехника и электроника. 1961. Т. 6. С. 674-675.

45. Рохлин Г.Н. Влияние магнитного поля на излучение ртутного разряда // ЖЭТФ. 1939. Т. 9. № 7. С. 804-812.

46. Фабрикант В.А. Механизм излучения газового разряда // Электронные и ионные приборы/ Под ред. П. В. Темофеева.-М.: ГЭИ, 1940.С. 237-296.

47. Васильева И.А. Краевое условие для концентраций носителей зарядов в плазме, помещённой в магнитное поле // Радиотехника и электроника. 1960. № 12. С. 2015-2025.

48. Bickerton R.J., Engel A. The positive column in a longitudinal magnetic field // The proceedings of the physical society. V. 69. № 436 B. P. 468-481.

49. Forrest J.R., Franklin R.N. The positive column in a magnetic field at low pressure: the transitions from free-fall to ambipolar conditions // Brit. J. Appl. Phys. 1966. V. 17. P. 1569-1574.

50. Forrest J.R., Franklin R.N. The positive column in a magnetic field // Brit. J. Appl. Phys. 1966. V. 17. P. 1061-1067.

51. Сыргий A.C., Грановский B.JI. Скорость деионизации разреженного гелия в магнитном поле // Радиотехника и электроника. 1960. № 9. С. 1522-1530.

52. Васильева И.А., Грановский B.JI. Влияние магнитного поля на диффузию ионов в стационарной плазме в гелии // Радиотехника и электроника. 1959. № 12. С. 2051-2060.

53. Васильева И.А., Грановский B.JI., Черноволенко А.Ф. Новые данные о влиянии магнитного поля на уход ионов в гелии и аргоне // Радиотехника и электроника. 1960. № 9. С. 1508-1515.

54. Townsend J.S. Diffusion of electrons in a magnetic field // Philos. Mag. 1938. V. 25. № 7. P. 459-470.

55. Вагнер С.Д., Нисимов С.У., Хитров A.A., Червяков А.В. Влияние магнитного поля на радиальные профили параметров плазмы тлеющего разряда в неоне // Материалы конференции Карелия и РФФИ, Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2002. С. 83-84.

56. Шайхитдинов Р.З, Шибков В.М Влияние продольного магнитного поля на радиальное электрическое поле в разряде низкого давления // Вестник московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2004. № 4. С. 46-48.

57. Карасёв В.Ю., Семенов Р.И., Чайка М.П., Эйхвальд А.И. Измерение радиального распределения плотности газа положительного столба разряда в магнитном поле// Оптика и спектроскопия. 1997. Т. 83. № 3. С. 369-372.

58. Грановский В.Л., Уразаков Э.И. Вращательный магнито-механический эффект в плазме низкого давления // ЖЭТФ. 1960. Т. 38. № 4. С. 1354-1355.

59. Кацнельсон Б.В., Калугин A.M., Ларинов А.С. Электро-вакумные электронные и ионные приборы. М.:Энергия, 1976. 920 с.

60. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.:Наука, 1979. 480 с.

61. De Vos J. A New Determination of the Emissivity of Tungsten Ribbon // Physica. 1954. V.20. P. 690-712.

62. Дмитриев В.Д., Хохлов Г.К. Спектральная лучеиспускательная способность вольфрамовой ленты в видимой и ближней инфракрасной областях спектра // ЖПС. 1967. Т.6. С. 425-430.

63. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. М.: МГУ, 1986. 352 с.

64. Луизова Л.А. Оптические методы диагностики плазмы. Петрозаводск: ПетрГУ, 2003. 148 с.

65. Хаддлстоун Р. и Леонард С. Диагностика плазмы. Мир 1967.

66. Гримм Г. Спектроскопия плазмы. - М.: Атомиздат, 1969. 451 с.

67. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. М.: Наука, 1979. 491 с.

68. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. М.: Наука, 1963. 639 с.

69. Ulanov I. M., Isupov M. V. Induction transformer coupled discharges: investigation and application //Applied physics in the 21st century. New York: Nava Science Pubishers. 2010. P. 113-167.

70. Лохте-Хольтгревен В. Методы исследования плазмы. Мир 1971.

71. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969. 290 с.

72. Tsiolko V. V., Matsevich S. V., Bazhenov V. Yu., Piun V. M., Ryabtsev A. V. Kinetic processes in negative glow plasma of low pressure discharge in oxygen //BAHT. 2013. V. 86. № 4 P. 166-170.

73. Pringle D. H., Farvis W. E. J. Screened probe measurements in the helium negative glow // Proc. Phys. Soc. В 1955. V. 68. P. 836-848.

74. http://physics.nist.gov/cgi-bin/Ionization/diff.pl

75. Muller-Fiedler R., Jung K., Ehrhardt H. Double differential cross sections for electron impact of helium // J. Phys. B: At. Mol. Phys. 1986. V. 19. P. 1211-1229.

76. Jablonski A., Salvat F., Powell C.J. Comparison of electron elastic-scattering cross sections calculated from two commonly used atomic potentials // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2004. V. 33. № 2. P. 409-451.

77. Jansen R. H. J., de Heer F. J., Luyken H.J., В wan Wingerden, Blaauw H.J. Absolute differential cross sections for elastic scattering of electron by helium, neon, argon, molecular nitrogen //J. Phys. B: Atom. Molec. Phys. 1976. V. 9. P. 185-212.

78. Brunger M. J., Buckman S. J. Electron-molecule scattering cross-sections. I. Experimental techniques and data for diatomic molecules //Physics Reports. 2002. V. 357. P. 215-458.

79. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М.: Энергоатомиздат, 1991. 720 с.

80. Пирс Р, Гейдон А. Отождествление молекулярных спектров. Москва.: Издательство иностранной литературы, 1949. 238 с.

81. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинимаических явлений. М.: Наука, 1966. 686 с.

82. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах/ Пер. с англ.; Под ред. JI.A. Арцимовича.-М.: Мир, 1965. 832 с.

83. Krishnakumar Е, Srivastava S. К. Ionisation cross section of rare-gas atoms by electron impact // J. Phys B: At. Mol. Opt. Phys., 1988. V. 21. P. 1055-1082.

84. Lister G.G. Low-pressure gas discharge modeling (Review Article) // J.Phys. D: Appl. Phys. 1992. V. 25. P.1649-1680.

85. Caron P. R., Russo F. Some measurements of primary electrons in the helium negative glow // J. Appl. Phys. 1970. V. 41. P. 3547-3548.

86. I. M. Ulanov, A. Yu. Litvintsev, V.A. Pinaev The effect of longitudinal magnetic field on recombination radiation of a low-pressure glow discharge in hydrogen // VI International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, 2009. V. l.P. 5-7.

87. Уланов И.М., Литвинцев А.Ю., Пинаев B.A. Влияние продольного магнитного поля на рекомбинационное излучение тлеющего разряда низкого давления в водороде и гелии // ТВТ. 2011. Т. 49. № 1. С. 3-12.

88. V.A. Pinaev, I.M. Ulanov Investigation of electric and spectral characteristics of the low-pressure glowing discharge in longitudinal magnetic field // VII International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, 2012. V. l.P. 238-242.

89. Пинаев В.А., Уланов И.М. Излучение тлеющего разряда в видимой области непрерывного спектра в зависимости от магнитного поля // Всероссийская Научная Конференция Студентов Физиков. Красноярск, 2012. Т. 1. С. 273.

90. В.А. Пинаев Влияние продольного магнитного поля на рекомбинационное излучение тлеющего разряда в водороде // XLVII Международная Научная Студенческая Конференция. Новосибирск. 2012. Т. 3. С. 100.

непрерывного спектра в зависимости от магнитного поля // Всероссийская Научная Конференция Студентов Физиков. Архангельск. 2013. Т. 1. С. 252.

92. В.А. Пинаев Исследование влияние анизотропии функции распределения электронов на излучение непрерывного спектра тлеющего разряда низкого давления // 51 Международная Научная Студенческая Конференция. Новосибирск. 2013. Т. 3. С. 94.

93. В.А. Пинаев, И.М. Уланов. Исследование непрерывного спектра излучения тлеющего разряда низкого давления // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2013. N12. URL: http://ire.cplire.ru/ire/dec 13/10/text.pdf

94. Уланов И.М., Пинаев В.А. Исследование непрерывного спектра тлеющего разряда низкого давления в водороде и гелии в продольном магнитном поле // ТВТ 2014. Т.52. № 1. С. 30-38.