Исследование нелокальной плазмы тлеющих разрядов и ее применение для анализа состава газовых смесей методом Плазменной Электронной Спектроскопии (ПЛЭС) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Сысоев Сергей Сергеевич

• Сысоев Сергей Сергеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Сысоев Сергей Сергеевич

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Тлеющий разряд, его структура и особенности

1.2. Зондовые методы диагностики плазмы

1.3. Метод Плазменной Электронной Спектроскопии

(ПЛЭС)

1.4. Микроразряд атмосферного давления с полым катодом

1.5. Разряды с сетчатыми коаксиальными электродами

1.6. Обзор экспериментальных исследований по методам удержания пылевых частиц в плазме

Выводы к главе

Глава 2. Зондовая диагностика стационарного тлеющего разряда при низких давлениях

2.1. Описание экспериментальной установки для зондовой диагностики тлеющего разряда при низких давлениях

2.2. Результаты зондовой диагностики стационарного тлеющего разряда при низких давлениях

2.3. Описание экспериментальной установки разряда большого объема с коаксиальными сетчатыми электродами

2.4. Исследование параметров разряда переменного тока большого объёма с коаксиальными сетчатыми электродами

2.5. Исследование параметров разряда постоянного тока большого объёма с коаксиальными сетчатыми электродами

Выводы к главе

Глава 3. Зондовая диагностика прикатодных областей тлеющих разрядов при средних и высоких давлениях

3.1. Описание экспериментальной установки для зондовой диагностики плазмы отрицательного свечения с помощью пристеночного зонда при давлении от 40 до 150 торр

3.2. Результаты зондовой диагностики плазмы отрицательного свечения при помощи пристеночного зонда при давлении

и 150 торр

3.3. Описание экспериментальной установки для исследования параметров микроразряда в потоке гелия при атмосферном давлении

3.4. Результаты зондовой диагностики микроразряда с полым катодом в потоке гелия при атмосферном давлении

Выводы к главе

Глава 4. Экспериментальное исследование поведения пылевых частиц в нелокальной плазме положительного столба тлеющего разряда

4.1 Описание экспериментальной установки для исследования поведения пылевых частиц в нелокальной плазме положительного столба тлеющего разряда

4.2. Результаты экспериментального исследования поведения пылевых частиц в нелокальной плазме положительного столба тлеющего разряда

Выводы к главе

Заключение

Благодарности

94

Список литературы

Введение

Данная работа посвящена исследованию нелокальной плазмы тлеющих разрядов и ее применению для анализа состава газовых смесей методом Плазменной Электронной Спектроскопии (ПЛЭС).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование нелокальной плазмы тлеющих разрядов и ее применение для анализа состава газовых смесей методом Плазменной Электронной Спектроскопии (ПЛЭС)»

Актуальность работы

Тлеющий разряд является распространенным источником плазмы. Он широко используется в газовых лазерах, источниках света [1], установках по синтезу углеродных нано-трубок [2], плазменных дисплеях, катодном распылении металлов для нанесения тонких плёнок [3-5]. Особое место плазма занимает в научных исследованиях, в частности, она используется для получения пучков заряженных частиц, в газоанализаторах и т.п.

Важный практический интерес представляют миниатюрные газоанализаторы высокого давления. С одной стороны, такие приборы позволят проводить измерения вне лаборатории. С другой стороны, высокое давление позволит отказаться от вакуумного оборудования, что значительно удешевит данный класс приборов. Для конструирования, оптимизации таких приборов и устройств необходимо детальное понимание процессов, протекающих в плазме газового разряда.

Экспериментальный подход является основным источником данных о тлеющем разряде. Экспериментальные методики очень разнообразны и хорошо развиты. Они позволяют проводить диагностику плазмы на основании таких данных, как излучение плазмы, распределение потенциала, концентраций заряженных и возбужденных частиц и т.д.

Зондовый метод диагностики является одним из основных экспериментальных методов изучения плазмы тлеющего газового разряда, благодаря которому возможно получить большинство сведений об ее основных свойствах [6]. Еще со времен Ленгмюра, основное внимание уделялось положительному столбу тлеющего разряда, параметры которого постоянны по его длине. Процессы, происходящие в прикатодных областях, размеры которых при средних и высоких давлениях сравнительно малы, оставались до конца не изученными. Данные области разряда обладают рядом свойств, важных для практических приложений, в частности для реализации метода ПЛЭС [7, 8], развитого на кафедре оптики СПбГУ. Данный метод позволяет при помощи зондов Ленгмюра проводить качественный и количественный анализ состава газовой смеси. Однако применимость зондов Ленгмюра для диагностики плазмы ограничена низкими давлениями [9]. При атмосферных давлениях характерный размер объема плазмы не должен превышать десятки или сотни микрон. При таких небольших размерах становится технически невозможным ввести в плазму классический зонд Ленгмюра. Однако в нелокальной плазме электроны попадают на стенку со своей энергией рождения (у них недостаточно времени для изменения энергии за счет столкновений в плазменном объеме). В этой ситуации нет необходимости вводить измерительный электрод (зонд) в объем плазмы, было бы достаточно установить его на границе объема плазмы, то есть использовать дополнительный электрод - стеночный зонд [10-16].

Примеси в основном газе могут быть представлены не только в газовой фазе, но и в виде твердых частиц пыли, которые следует контролировать и, если это необходимо, улавливать и удерживать. Интерес к изучению пылевой плазмы не ослабевает это связано с тем, что пыль и пылевая плазма широко распространены как в космосе (в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках), так и в земных условиях. Пылевая плазма обнаружена вблизи искусственных спутников земли и космических аппаратов, в термоядерных установках с магнитным удержанием, в технологических установках при изготовлении объектов микро и нано

электроники. Все это стимулирует активное исследование комплексной плазмы в лабораторных условиях.

Основные исследования пылевой плазмы проводились в стратифицированной плазме положительного столба либо в ВЧ разрядах [17-23]. Однако природа страт остается до конца не изученной. В работах [17-20] также утверждалось, что поперечное поле в цилиндрической разрядной трубке не способно скомпенсировать силу тяжести Земного притяжения. Это утверждение требует экспериментальной проверки.

В настоящее время возрос интерес к экспериментальным исследованиям, связанным с распространением электромагнитных волн в плазме в лабораторных условиях. Это связано с попытками устранить затухание связи при заходе космического корабля в атмосферу Земли, а также с разработкой технологии создания плазмы вокруг самолета для поглощения электромагнитных волн в широкой полосе частот для того, чтобы спрятать летательный аппарат от радаров. Для этих целей в работах [24-28] использовался генератор плазмы большого объёма с коаксиальными сетчатыми электродами. Последние исследования в этой области демонстрируют результаты, требующие проверки. В частности, в работах [26, 27] было показано, что область плазмы внутри такого типа разряда представлена положительным столбом с температурой электронов Те ~ 3эВ. В работе [24] на основе оптических наблюдений был сделан вывод об однородном характере распределения концентрации плазмы. Простые оценки показывают, что в исследуемых условиях параметр рЯ = 1 -10 см-торр (Я - размер разрядного объема), так что образующаяся во внутренней области плазма, по-видимому, относится к плазме отрицательного свечения, аналогичной классическому цилиндрическому полому катоду с низкой электронной температурой [29, 30].

Поэтому важный научный интерес представляет комплексная зондовая диагностика данных источников плазмы.

Таким образом, актуальной остается задача исследования нелокальной плазмы тлеющих разрядов и ее применение для анализа состава газовых смесей методом Плазменной Электронной Спектроскопии (ПЛЭС).

Целью данной работы является проведение исследования нелокальной плазмы тлеющих разрядов и ее применение для анализа состава газовых смесей методом Плазменной Электронной Спектроскопии (ПЛЭС).

Научная новизна и практическая значимость работы:

1. Представлена комплексная диагностика разряда большого объёма с коаксиальными сетчатыми электродами. Показано что плазма, создаваемая таким генератором, представляет собой плазму отрицательного свечения.

2. Зондовыми методами получены энергетические спектры электронов. При помощи метода ПЛЭС по спектрам Пеннинговских электронов оценено количество примеси в газовой смеси, а также концентрация метастабильных атомов гелия.

3. В работе при помощи кольцевого сенсора исследован микроразряд с полым катодом в потоке гелия при атмосферном давлении.

4. Разработана Ц-образная конструкция цилиндрической трубки для удержания пылевых частиц при помощи амбиполярного поля в гомогенном положительном столбе тлеющего разряда.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты зондовой диагностики нелокальной прикатодной плазмы отрицательного свечения и фарадеева темного пространства тлеющего разряда в трубке при помощи цилиндрического зонда Ленгмюра и стеночного электрода при низких и средних давлениях.

2. Результаты зондовой диагностики параметров плазмы разряда с коаксиальными сетчатыми электродами в вакуумной камере большого объема

(диаметром 30 см), инициируемого а) переменным и б) постоянным источником напряжения в аргоне и гелии.

3. Результаты экспериментальных исследований спектров энергии быстрых электронов в нелокальной плазме отрицательного свечения в классической цилиндрической трубке тлеющего разряда и разряда большого объема с сетчатыми электродами.

4. Результаты диагностики микроразряда с полым катодом в потоке гелия при атмосферном давлении с помощью кольцевого стеночного электрода.

5. Результаты экспериментов по контролю пылевых частиц в и-образной цилиндрической трубке в нелокальной плазме однородного положительного столба тлеющего разряда.

Достоверность полученных результатов обусловлена тем, что все измерения были выполнены на аттестованном современном оборудовании с хорошей воспроизводимостью, результаты обработаны в соответствии с существующей теорией зондовых измерений и ее уточнений, а также в соответствии с теорией ошибок.

Личный вклад автора

Все представленные в диссертации результаты и оценки получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Обработка результатов исследований проводилась автором.

Апробация полученных результатов

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих российских и международных конференциях:

1. Сайфутдинов А.И., Сысоев С.С., Кудрявцев А.А., Трофимов И.В. Анализ примесей по спектрам энергий Пеннинговских электронов в плазме с помощью стеночного электрода // Сборник статей Всероссийской (с международным участием) конференции "Физика низкотемпературной плазмы " (ФНТП - 2017) — г. Казань. — 2017.

2. Сайфутдинов А.И., Сысоев С.С., Кудрявцев А.А., Трофимов И.В. Моделирование параметров плазмы в газовом анализаторе Хромато-ПЛЭС // Сборник статей Всероссийской (с международным участием) конференции "Физика низкотемпературной плазмы" (ФНТП - 2017) — г. Казань. — 2017.

3. Saifutdinov A., Kudryavtsev A., Sysoev S. Measurement of Plasma Parameters in Micro-Discharge by Wall Probe // 69th Annual Gaseous Electronic's Conference. — 2016.

4. Кирсанов Г.В., Бекасов В.С., Сысоев С.С., Елисеев С.И., Сайфутдинов А.И., Кудрявцев А.А. Моделирование холодной плазмы атмосферного давления в воздухе // Материалы докладов X Научно-практическая конференция «Информационно-компьютерные технологии в экономике, образовании и социальной сфере». — 2016. - № 10. - С. 28-30

5. Бекасов В.С., Сысоев С.С., Елисеев С.И., Кирсанов Г.В., Степанова О.М., Кудрявцев А.А. Компьютерное моделирование коронного разряда как источника низкотемпературной плазмы для медицинского применения Информационные технологии в экономике, образовании и социальной сфере // Симферополь: ИП Хотеева Л.В., — 2016. - С. 13-15.

6. Sisoev S., Saifutdinov A., Kudryavtsev A. An investigation of short glow discharge in helium and the development of its applications for the analysis of gases // 57th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics. — 2015. - Vol. 60.

7. Saifutdinov A.I., Barsilovich K., Kudryavtsev A.A., Sysoev S.S., Chirtsov A.S. Simulation Parameters of Microplasma Detectors PLES in Helium at High Pressures // International Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications". — 2015.

8. An. Junwei, Saifutdinov A.I., Belyaev V. Yu., Sysoev S.S., Chirtsov A.S., Pramatarov P., Stefanova M. The Measurements of the Electron Temperature in the Microplasma Detectors PLES Using Wall Electrode - Probe // International Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications", - 2015.

9. Chunahunova S., Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A., Sysoev S.S., Belyaev V. Yu., Khromov N. Analysis of Impurities on the Energy Spectrum of Electrons in a Penning Plasma Using a Wall Probe // International Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications". - 2015.

10. Kudryavtsev A.A., Sayfutdinov A.I., Sysoev S.S., Belyaev V.Yu., Khromov N.A. Analysis of impurities from the energy spectra of Penning electrons in plasma using a wall electrode // XLII International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Thermonuclear Fusion. - 2015.

11. Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Kudryavtsev A.A., Pramatarov P.M., Stefanova M.S. The measurements of the electron temperature in microplasma detectors in helium at high pressures using wall probe // VIII International Conference plasma physics and plasma technology (PPPT-8). - 2015.

12. Belyaev V. Yu., Kudryavtsev A.A., Chromov N.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S. Ionization Detector Chamber International // Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications". - 2015.

13. Sysoev S.S., Wei An. Z., Saifutdinov A., Kudryavtsev A.A., Chirtsov A.S. Investigation of the Parameters of Microplasma Detectors PLES in Helium Using Modern Automated Diagnostic Scheme Plasma Probe Analyzer // International Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications". - 2015.

14. Saifutdinov A.I., Kudryavtsev A.A., Sysoev S.S., Eliseev S.I., Cakir S., Rafatov I. Impurity gas analysis from the energy spectra of penning electrons in plasma using a wall probe // 9th International Physics Conference of the Balkan Physical Union -BPU9. - 2015.

15. Junwei An., Saifutdinov A.I., Belyaev V. Yu., Sysoev S.S., Chirtsov A.S., Pramatarov P., Stefanova M. The Measurements of the Electron Temperature in the

Microplasma Detectors PLES Using Wall Electrode - Probe // International Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications". - 2015.

16. Sysoev S.S., Sayfutdinov A.I., Kudryavtsev A.A. Investigation of the parameters of a microplasma detector for gas chromatography // Low-temperature plasma in the processes of applying functional coatings. - 2018.

17. Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Chengxun Yuan, Zhe Ding, Shubo Li The influence of the ambipolar field on the levitation conditions of dust particles in the positive column of the glow discharge with a change the spatial orientation of the discharge tube". - 2019.

Публикации автора по теме диссертации

Основные результаты по теме диссертации изложены в 9 статьях в рецензируемых журналах, индексируемых Web of Science, Scopus и рекомендованных ВАК:

1. Sysoev S., Saifutdinov A., Kudryavtsev A., Eleseev S., Bekasov V. Experimental investigation of short glow discharge in Helium for gas analyzers based on PLES methods // High Temperature Materials and Processes. - 2015. - Vol. 18. - P. 91-98.

2. Bekasov V., Kirsanov G., Eliseev S., Kudryavtsev A., Sysoev S., Saifutdinov A. Numerical study of heating the gas in an atmospheric pressure cold plasma generator // High Temperature Materials and Processes. - 2015. - Vol. 18. - P. 155-163.

3. Yuan C., Kudryavtsev AA, Saifutdinov AI, Sysoev SS, Tian R., Yao J., Zhou Z.Probe diagnostics of plasma parameters in a large-volume glow discharge with coaxial gridded hollow electrodes // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2017. -Vol. 45. - P. 3110-3113.

4. Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Stefanova M.S., Pramatarov P.M., Sysoev S.S. Measurement of plasma parameters in He microdischarge by means of additional sensor electrode // Physics of Plasmas. - 2017. - Vol. 24.

5. Chengxun Y., Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Stefanova M.S., Pramatarov P.M., Zhongxiang Zhou Determining the spectrum of penning electrons by current to a wall probe in nonlocal negative glow plasma // Physics of Plasmas. - 2018. - Vol. 25.

6. Chengxun Y., Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Jingfeng Y. Zhongxian Z. Diagnostics of large volume coaxial gridded hollow cathode DC discharge // Plasma Sources Science and Technology. -2019. - Vol. 28.

7. Zhi Y., Chengxun Y., Zhongxiang Z., Xiaoou W., Sysoev S. The smooth effect of fast electron detection in the positive column in DC glow discharge // AIP Advances. -2019. - Vol. 9.

8. Zhe D., Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Chengxun Y., Shubo L., Jiengfeng Y., Zhongxiang Z. The Influence of the Ambipolar Field on the Levitation Conditions of Dust Particles in the Positive Column of the Glow Discharge With a Change the Spatial Orientation of the Discharge Tube // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2019. - Vol. 47.

9. Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Kudryavtsev A.A. Register impurities in the plasma forming gas helium in a large volume reactor using plasma electron spectroscopy method // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1328.

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации составляет 105 страниц с 69 рисунками и 6 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 112 наименований.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Тлеющий разряд, его структура и особенности

Тлеющий разряд имеет ярко выраженную пространственную структуру,

описанную во многих источниках, например, в [9, 31-35]. На Рисунке 1.1

изображена структура газового разряда с соответствующими внутренними характеристиками.

Рисунок 1.1. Структура тлеющего разряда.

а) видимая структура

б) интенсивность излучения

в) потенциал плазмы

г) электрическое поле

д) распределение объемного заряда

е) плотности тока

Самым ярким источником света является отрицательное свечение. Между ним и катодом находится ряд неярких полос, которые формируют катодный слой. Он состоит из астонова темного пространства, катодного свечения и

катодного темного пространства, которое прилегает к отрицательному свечению и имеет очень четкую границу. Ближе к аноду находится фарадеево темное пространство и положительный столб, который замыкает прикатодные и прианодные области. Между положительным столбом и анодом находятся анодное темное пространство и анодное свечение.

Определяющую роль для разряда играет прикатодная область, т.к. именно она снабжает разряд электронами. Размер и структура прикатодной области зависит от сорта газа и давления, но не зависит от расстояния между электродами. В ней наблюдаются высокие концентрации метастабильных атомов и электронов, что отражается в яркости отрицательного свечения. Если размеры прикатодной области определяются условиями разряда, то длина положительного столба определяется расстоянием между катодом и анодом, фактически обеспечивая лишь транспортную функцию для электронов. Если сблизить, электроды настолько, что места для положительного столба не останется, то разряд будет существовать без него. Но если не хватит места для прикатодной области, то разряд не зажжется [36]. Несмотря на это, основным объектом исследования многое десятилетия оставался положительный столб, процессы, происходящие в прикатодных областях, оставались до конца не изученными.

Более подробно структура разряда описана в [37]. На Рисунке 1.2 изображен короткий разряд, т.е. разряд без положительного столба. Здесь используется классификация областей не по яркости свечения, а по значению поля, концентраций частиц и других физических параметров [38].

Важной точкой в структуре разряда является граница катодного слоя и плазмы. Ближе к катоду условие квазинейтральности не выполняется т.к. ионов обычно больше, чем электронов. Граница слой-плазма с хорошей точностью совпадает с точкой максимальной ионизации [38]. В плазме ионизация экспоненциально падает и на длине пробега быстрых электронов Л г сходит на

ноль. В катодном слое, наоборот, наблюдаются самые большие поля (падение потенциала в слое составляет 102 В и выше), и ионизация экспоненциально

нарастает. Электрон, выбитый с катода, имеет начальную энергию порядка 1эВ. Он сразу попадает в сильное ускоряющее поле и быстро набирает энергию, необходимую для ионизации. Таким образом, в катодном слое происходит лавинообразная ионизация, что вызывает резкое (экспоненциальное) нарастание концентрации электронов.

4 КТП ос ФТП АС 1}

л V

,г ■ч +

"У КТП КС1 ПОС ФТП АС о-

кг ПЛАЗМА АС

г [ Л/ Л \ ; I /' X ' IV ' 1 Д ;/ 1 \ •1 / \ •I' Л 1/ ! \ 1/ 1 \ П \ \ \ \ \ \ \ \ \\ \ ь

\\ Л \\Е Л/ ь

ь

\ т

Рисунок 1.1. Продольное распределение основных параметров короткого тлеющего разряда длины L. КТП - катодное темное пространство; КСП - катодное светящееся пространство; ПОС - плазменная часть отрицательного свечения; ФТП -фарадеево темное пространство; КС -катодный слой толщиной ОС -

отрицательное свечение, АС - анодный слой. 2 - источник ионизации, п -концентрация электронов (хт - точка максимума), Л7 - пробег быстрых

электронов, у, е - потенциал и напряженность электрического поля (пунктир - принятое в модели однородное поле в КС), ]е - плотность тока и его составляющих.

В положительном столбе, который существует независимо от приэлектродных областей разряда, возбуждение и ионизация осуществляются локальным электрическим полем. Напротив, плазма отрицательного свечения

относится к прикатодной области разряда и образуется «внешним» ионизатором — пучком электронов из катодного слоя, а не ионизацией, определяемой локальным электрическом полем. Электрическое поле в отрицательном свечении близко к нулю и может быть противоположным току [39, 40]. Плазменные электроны, механизмом нагрева которых являются их столкновения с быстрыми электронами пучка, должны иметь низкую температуру [41, 42].

Как уже упоминалось выше, давление влияет на размер катодного слоя. Это связано с тем, что длина каждой области напрямую связана с длиной пробега электрона. Увеличение давления приводит к пропорциональному уменьшению длины пробега электрона, что, в свою очередь, уменьшает размер катодного слоя. Катодный слой очень ярко проявляет свои свойства, как целостной структуры, при вращении диска катода вокруг своей оси. При этом весь слой повторяет в точности вращения катода, как будто он неотделим от его поверхности. Изгиб происходит только в области положительного столба. Такое же поведение проявляется при зажигании разрядов в сосудах со сложной формой. Положительный столб легко подвергается изменению формы за счет усложнения геометрии, а катодный слой - нет.

Интересно также поведение разряда при изменении тока. Результаты, как экспериментов, так и моделирования, зависимости напряжения от тока (вольт -амперные характеристики) проводятся в цепи с балластным сопротивлением. Это стабилизирует разряд и препятствует неконтролируемому росту разрядного тока. Уравнение замкнутой цепи в данной ситуации имеет вид:

е = V + /П. (11)

На графике U(I) решение уравнения изображается прямой, которая называется нагрузочной (Рисунок 1.3). Наклон этой прямой определяется балластным сопротивлением. Пересечение нагрузочной кривой с вольт-амперной характеристикой определяет ток и напряжение на разряде при данных условиях.

На Рисунке 1.3 изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) разряда. Маленькие токи соответствуют таунсендовскому (темному) разряду. Для поддержания такого разряда на электроды необходимо подавать напряжение, равное потенциалу зажигания [9]. При увеличении тока (этого можно достичь увеличением внешнего напряжения и или уменьшением балласта) происходит скачкообразное уменьшение напряжения, что соответствует переходу к тлеющему разряду. Нормальный тлеющий разряд замечателен тем, что плотность тока на катоде не меняется при увеличении полного тока (прямолинейный участок на ВАХ). Увеличение тока приводит к увеличению используемой площади катода. Когда токовое пятно покрывает всю поверхность катода, происходит переход к аномальному разряду [9, 43]. На ВАХ это возрастающий участок.

м

Темный разряд Тлеющий разряд Дуговой разряд

\ р \Л х \ V? \ \ ->

I

Рисунок 1.2. Вольт-амперная характеристика разряда.

В данной работе центральным объектом изучения является прикатодная область отрицательного свечения короткого (без положительного столба) тлеющего разряда. Исследования проводились при помощи зондовых методов в классическом тлеющем разряде с плоскопараллельными цилиндрическими электродами в стеклянных трубках, а также в разряде большого объема с

коаксиальными сетчатыми электродами и в микроразряде с полым катодом в потоке гелия при атмосферном давлении.

1.2. Зондовые методы диагностики плазмы

Первым исследователям тлеющих разрядов были доступны только визуальные наблюдения и электротехнические характеристики разряда, как целого. По этой причине традиционно области тлеющего разряда различают по его свечению (см. Рисунок 1.1) [9]. Однако видимое излучение разряда не связано напрямую с внешними параметрами, задаваемыми вручную, такими как геометрия разрядной камеры и электродов, состав и давление газа, разрядный ток, а является следствием цепи электродинамических, кинетических и транспортных процессов. Установить эту взаимосвязь без знания параметров плазмы разряда, представляется затруднительным.

Экспериментальные методы локальной диагностики внутренних параметров сталкивались со значимой трудностью: измерительный прибор, вводимый в разряд, создает возмущение плазмы, которое нельзя сделать бесконечно малым. Ленгмюр предположил, что нужно включить возмущенную область в измерительный прибор. Для того чтобы связать параметры невозмущенной плазмы с данными прибора, необходимо достоверно знать, происходящее в возмущенной области. В случае если размер зонда и возмущенной им области плазмы малы, и плазму вдали от зонда можно считать невозмущенной, то приходящие на зонд электроны, принесут информацию о невозмущенной плазме. Необходимо только установить способ восстановления этой информации из зондового тока.

С помощью зондовой методики получено множество сведений о распределении полей в плазме, средней энергии и концентрации электронов, а также информация об электронной кинетике.

Если размеры зонда и призондового слоя малы в сравнении с длиной свободного пробега электрона X, тогда ФРЭ электронов, улавливаемых зондом, совпадет с ФРЭ в невозмущенной плазме.

Способ восстановления невозмущенной изотропной ФРЭ в случае низких давлений дается формулой Дрювестейна. Вторая производная электронного тока зонда 1Р по приложенному потенциалу Ур пропорциональна изотропной компоненте ФРЭ иД) [44-46]:

f--р

Л '1, (1.2)

ФРЭ в призондовом слое зависит только от полной энергии электрона (кинетической и потенциальной в поле зонда). Если ФРЭ является анизотропной, то изменяя параметры зонда можно установить эту анизотропию [47, 48].

На Рисунке 1.4 изображена простейшая схема для получения зондовой вольт-амперной характеристики [6, 9].

Рисунок 1.4.

Схема зондовых измерений

В этой схеме ток зонда замкнут через анод, поэтому полярность источника напряжения для зонда выбирается таким образом, чтобы потенциал зонда был промежуточным между потенциалами анода и катода и ниже, чем потенциал

анода. Потенциометр используется для изменения потенциала зонда. Суть эксперимента заключается в измерении тока, проходящего через зонд, и приложенного к нему напряжения - в снятие вольт-амперной характеристики зонда.

Главным выводом работы Ленгмюра и Мотт-Смитта является то, что слой плазмы, который прилегает к зонду, можно считать тонким и вплоть до его границы выполняется условие квазинейтральности.

На Рисунке 1.5 представлена зондовая ВАХ - график изменения зондового тока в зависимости от приложенного потенциала [6, 9]. Ток на зонд является функцией потенциала зонда V. Такой график легко получить путем измерений в стационарном разряде или в импульсном разряде, меняя от импульса к импульсу потенциал зонда; в последнем случае всю кривую можно получить за несколько микросекунд, пользуясь источником быстро меняющегося пилообразного напряжения.

Рисунок 1.5. Типичный вид зондовой вольт-амперной характеристики.

Качественное объяснение графика строится следующим образом. В точке V потенциал зонда совпадает с потенциалом плазмы. Вокруг зонда нет электрического поля, и заряженные частицы попадают на зонд со своими тепловыми скоростями. Величина V называется потенциалом плазмы или

потенциалом пространства. На зонд течет в основном электронный ток, т.к. электроны движутся намного быстрее медленных и тяжелых ионов. Если на зонд подать положительный относительно плазмы потенциал, тогда электроны будут притягиваться к нему, а ионы отталкиваться. При потенциале, превышающем У5 , ионный ток исчезает, ионы отталкиваются от зонда, электроны притягиваются [6, 9]. Данный участок является областью электронного тока насыщения.

Если на зонд подать потенциал отрицательный относительно Уэ, то ионы начнут притягиваться, а электроны отталкиваться. На переходной области В электронный ток начинает падать с уменьшением V. Далее в точке V/ поток электронов равен потоку ионов, и общий ток на зонд становится равен нулю. Такой потенциал V/ называют «плавающим потенциалом», его приобретает изолированный электрод в плазме [6, 9].

При еще больших отрицательных значениях V почти все электроны отталкиваются от зонда, поэтому вблизи него образуется ионный слой и на зонд течет ионный ток насыщения 1+0 (участок С).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сысоев Сергей Сергеевич, 2022 год

Источник питания

0-1000Г

о

о -50У

Рисунок 3.2. Блок-схема экспериментальной установки.

3.2. Результаты зондовой диагностики плазмы отрицательного свечения при помощи пристеночного зонда при давлении 40 и 150 торр

Вольт-амперные характеристики кольцевого сенсора, а также их первая и вторая производные по потенциалу при различных значениях разрядных токов представлены на Рисунках 3.3-3.4.

Как видно из Рисунка 3.3 (в) и 3.4 (в), как и в случае низких давлений, спектры характерных электронов наблюдаются около 19,8-20 эВ, что соответствует быстрым электронам, возникающим при столкновениях второго рода в результате реакций (2.1) и (2.2).

Также выражены максимумы энергии в области 3-7 эВ, которые образуются в результате реакции Пенинговской ионизации молекул примеси азота и кислорода метастабильными атомами гелия (реакции 2.3-2.5).

б)

в)

б)

в)

Рисунок 3.3. а) ВАХ стеночного Рисунок 3.4. Аналогично рис. 3.3,

электрода в плазме короткого но в трубке 2 при давлении 150 торр.

тлеющего разряда в трубке 1, а также

их б) первые и в) вторые

производные по напряжению при

давлении 40 торр.

Стоит отметить, что вторые производные вольт-амперных характеристик зонда при низких и средних давлениях практически идентичны. Это может говорить о том, что спектр электронов Пеннинга (ФРЭ) в нелокальном режиме при средних давлениях связан со второй производной зондового тока по потенциалу [10-13, 103].

Как было сказано выше, проведение зондовых исследований при повышенных давлениях имеет важный практический интерес для создания миниатюрных газоанализаторов. Атмосферное давление позволит отказаться от вакуумного оборудования, что позволит проводить измерения вне лаборатории и значительно удешевить данный класс приборов.

Перейдем далее к исследованию тлеющего разряда при атмосферном давлении.

3.3. Описание экспериментальной установки для исследования параметров микроразряда в потоке гелия при атмосферном давлении

Для экспериментальных исследований тлеющего микроразряда с полым катодом при атмосферном давлении в потоке гелия были собраны две трехэлектродные разрядные ячейки ЖИО и MHC2, принципиальная схема которых представлена на Рисунке 3.5.

В первом случае для электродов - катода и анода, а также измерительного стеночного сенсора использовались никелевые пластинки, толщиной 0.05 мм: (1) - катод, (2) - зонд, (3) - анод, а во втором - никелевые пластины толщиной 0.1 мм. Металлические пластины в обоих случаях были разделены керамическими пластинками (4), толщиной 0.12 мм. Через пластины металла и диэлектрика было проделано сквозное отверстие с диаметром 0.1 мм и 0.3 мм, соответственно, для первой и второй разрядных ячеек. Конструкции были прочно зажаты винтами

между листами диэлектрика толщиной 2 см, диаметр отверстия внешнего диэлектрика составлял порядка 0.5 см.

Схема экспериментальной установки представлена на Рисунке 3.6. Гелий из баллона по трубке поступал к отверстию в ячейке со стороны катода. Для контроля потока газа использовался редуктор и игольчатый натекатель. Скорость потока контролировалась с помощью расходомера и составляла 3 литра в минуту. Инициирование разряда производилось с помощью источника постоянного напряжения марки CE1500-005T мощностью 750 ватт с варьируемым напряжением с максимальной амплитудой 1500 вольт и с возможностью измерения тока. Ток разряда от источника напряжения ограничивался балластным реостатом мощностью 1000 Вт с возможностью регулировки сопротивления от 1 до 100 кОм. Измерение напряжения на разряде проводились с помощью высоковольтного щупа марки P4100 с возможностью измерения напряжения до 2 кВт и четырехканального цифрового осциллографа TDS 3034 B. Для регистрации зондовых вольт-амперных характеристик использовалась коммерческая зондовая измерительная схема Impedans Langmuir Probe Measurement System.

Рисунок 3.5. Схема микроразряда с полым катодом. 1 - катод, 2 - зонд, 3 -анод. 4-керамическая изоляция. 5-диэлектрический держатель. 6 - болты. МНС1: катод (1), зонд (2), анод (3) -0.05 мм; керамическая изоляция (4) -0.12 мм. Отверстие - 0.1 мм. МНС2: катод (1), зонд (2), анод (3) - 0.1 мм; керамическая изоляция (4) - 0.12 мм. Отверстие - 0.3 мм. Диэлектрический держатель толщиной порядка 2 см с отверстием порядка 1 см.

Рисунок 3.6. Схема экспериментальной установки.

3.4. Результаты зондовой диагностики микроразряда с полым катодом в потоке гелия при атмосферном давлении

На Рисунке 3.7 представлены вольт-амперные характеристики для разрядных ячеек МНС1 и МНС2. На вольт-амперных характеристиках можно выделить два участка: первый - характеризуется падением напряжения (для ячейки МНС1 от 210 В до 160 В, для ячейки МНС2 от 195 В до 170 В) при увеличении разрядного тока примерно до 50 мА; второй участок характеризуется практически постоянным напряжением (для ячейки МНС1 около 160 В, для ячейки МНС2 - 170 В) при дальнейшем увеличении тока до 140 мА. Такое поведение ВАХ разрядов, свидетельствует о том, что разряд в обеих ячейках горит в нормальном режиме. Подобная картина была получена также в рамках численных расчетов (см., например [73, 104]). Данная область соответствует нормальному тлеющему разряду [104], где токовое пятно растет на внешней (открытой) поверхности катода.

210 : 200:

■ МНС 1

• МНС 2

190 *«

>

С* 180

ч

• ■

Ч"

170 160 150^

0 30 60 90 120 /, шА

Рисунок 3.7. Вольт-амперные характеристики микроразрядных ячеек с

полым катодом.

На Рисунке 3.8 представлены вольт-амперные характеристики стеночного электрода для ячеек МНС1 и МНС2 при различных значениях разрядного тока. Как видно они имеют типичный вид, характерный для зондовых ВАХ, полученных при более низких давлениях.

Значения параметров плазмы для разрядных ячеек МНС1 и МНС 2 представлены в Таблице 3.1.

и, V и, V

а) б)

Рисунок 3.8. Вольт-амперные характеристики стеночного электрода для а) первой МНС1 и б) второй МНС2 разрядных ячеек, соответственно, при различных значениях разрядного тока

а)

б)

Рисунок 3.9. Вторые производные тока стеночного электрода по потенциалу для различных разрядных токов а) первой МНС1 и б) второй МНС2 разрядной

ячеек, соответственно.

Таблица 3.1.

Разрядная ячейка МНС1 Разрядная ячейка МНС 2

Разрядный ток, мА -3 пе, т Те , ЭВ Разрядный ток, мА -3 пе, т Те , ЭВ

11.0 мА 6.4-1018 0.20 11.2 мА 6.4-1019 0.40

18.3 мА 1.5-1019 0.20 21.7 мА 7.3-1019 0.28

21.0 мА 1.8-1019 0.21 38.0 мА 8.9-1019 0.26

36.6 мА 2.6-1019 0.24

Как видно, из Таблицы 3.1 значение Те, рассчитанное по формуле (1.4), составляет порядка нескольких десятых долей электрон вольта ~ 0.2-0.4 эВ для всего диапазона разрядных токов. Концентрация электронов, которая определялась по формуле (1.3), увеличивается с ростом разрядного тока от

значения 6.4 • 1018 до 8.9 -1019 м-3. Низкое значение электронной температуры

говорит о том, что область плазмы внутри микроразряда, по-видимому, является отрицательным свечением.

Выводы к главе 3

В данной главе приведены результаты зондовой диагностики плазмы отрицательного свечения при средних и высоких давлениях. При повышенных давлениях эксперименты затрудняются тем, что плазменный объем становиться слишком мал, и поместить зонд в плазму представляется крайне сложно технически. Данная проблема была решена при помощи пристеночного зонда в режиме нелокальности плазмы.

Один из вариантов плазменного детектора примесей описан в диссертации [105], в которой основные исследования проводились в послесвечении импульсного разряда при давлениях до 40 торр, зондовой диагностике параметров плазмы отрицательного свечения уделялось недостаточно внимания.

В главе представленной диссертации проведено детальное исследование области отрицательного свечения стационарного тлеющего разряда в гелии при средних давлениях (40 и 150 торр).

Получены основные параметры плазмы отрицательного свечения: её концентрация, электронная температура, а также энергетические спектры характерных электронов, которые позволяют проводить анализ газовой смеси при повышенных давлениях. Энергетический спектр электронов аналогичен спектру, полученному при низких давлениях. Это может говорить о том, что спектр электронов Пеннинга в нелокальной эквипотенциальной плазме при повышенном давлении связан со второй производной их тока на пристеночный электрод.

В главе также проведена диагностика микроразряда с полым катодом в потоке гелия при атмосферном давлении. Последние исследования разрядов данного типа проводились либо в рамках электрофизических измерений ВАХ и спектроскопических измерений концентрации плазмы и температуры газа, либо в рамках численного моделирования, исследование при помощи зондов не проводилось.

Кольцевой электрод позволяет значительно упростить исследования свойств микроразряда. В работе представлены вольт-амперные характеристики пристеночного электрода, а также их вторые производные.

Вольт-амперные характеристики пристеночного зонда имеют типичный вид. Полученная из вторых производных зондовых ВАХ температура электронов составляет порядка нескольких десятых долей 1 эВ (~ 0,2-0,4 эВ), что указывает на то, что плазма этого разряда по своей природе является отрицательным свечением. Кроме того, электронная плотность типична для газоразрядной плазмы при атмосферном давлении и увеличивается вместе с током разряда (от 6.4 • 1018 до 8.9-1019 м-3).

Конструкция микроразряда с полым катодом является прототипом микроплазменного анализатора примесей в газах и может использоваться как ионизационный Пеннинговский детектор в хроматографии, так и как самостоятельный газовый анализатор.

Полученные результаты демонстрируют возможность использования стеночных зондов для исследования параметров плазмы при повышенных давлениях.

Глава 4. Экспериментальное исследование поведения пылевых частиц в нелокальной плазме положительного столба тлеющего разряда

Для демонстрации возможности удержания пылевых частиц амбиполярным полем сравним его значение Ег с продольным Ег, соответственно:

Е = Т

г е

V«

п

(4.1)

и

Т

Е2 = — 2 V

(4.2)

Длина энергетической релаксации ЛЕ определяется выражением:

к=\м л,

г V 2т '

(4.3)

где м = 2.33 • 10 26 кг - масса молекулы азота, т = 9.11 • 10 31 кг - масса электрона, а Л - длина свободного пробега электрона. Очевидно, что Ле«100Л. Длина свободного пробега электрона определяется выражением (4.4):

Л =

1

(4.4)

где а - сечение столкновения электронов с нейтральными атомами в плазме ( в данном случае для оценки используем значение а = 1.5 -10"19 м2), концентрация которых N, получается по формуле:

Р = ЖГ. (4.5)

Таким образом, получим:

Е = Л^-Л (4.6)

Е 5 п ~ Я '

где Я - размер плазменной области, в данном случае радиус разрядной трубки.

В конечном итоге получим, что Л = 2.3 40 4м, Л5 = 2.3 -10"2 м (выполняется

Е

условие нелокальности Ле> Я), — -1.2, т.е. в нелокальной плазме амбиполярное

поле превышает осевое поле, поддерживающее стационарную плазму.

В реальной ситуации, как видно из (4.1), радиальное поле неоднородно по поперечному сечению: оно мало на оси разряда и бесконечно увеличивается по мере приближения к стенке.

Для примера на Рисунке 4.1 представлены радиальные зависимости продольного и амбиполярного поля в положительном столбе в аргоне для типичных давлений в экспериментах с пылевой плазмой. Видно, что на периферии плазмы амбиполярное поле столь велико, что возможность попадания заряженных пылевых частиц на стенки практически исключена.

Рисунок 4.1. Пространственное распределение амбиполярного (сплошные кривые) и внешнего аксиального (пунктир) полей в ПС в аргоне.

Таким образом, возможность применения амбиполярного поля для удержания пылевых частиц имеет большой потенциал для управления пылевым облаком и может быть важным инструментом для создания различных пылевых ловушек.

4.1. Описание экспериментальной установки для исследования поведения пылевых частиц в нелокальной плазме положительного столба тлеющего

разряда

Для проведения экспериментов с пылевой плазмой был сконструирован специальный стенд. Его основным элементов являлась Ц-образная стеклянная газоразрядная трубка с молибденовыми электродами, конструкция которой изображена на Рисунке 4.2. Один конец трубки был закреплен на штативе с шарниром, а второй конец можно было вращать по окружности, что позволяло проводить эксперименты при различных углах наклона по отношению к нормали.

Катод

15

Анод

Датчик давления

Подоча рабочЕго газа

\

Откачка

Рисунок 4.2. Схема разрядной трубки с впаянными кольцевыми электродами. Материал трубки - молибденовое стекло, материал электродов - молибден. 1 и 2 - контейнеры с пылью

Для электропитания разряда применялся регулируемый источник постоянного напряжения марки CE 1500 005T мощностью 750 ватт с максимальной амплитудой напряжения 1500 вольт и с возможностью измерения тока в цепи.

Для изменения разрядного тока применялся балластный реостат мощностью 1000 ватт с возможностью регулировки сопротивления 0-100 кОм. Измерение напряжения на разряде проводились с помощью высоковольтного щупа марки P4100 с возможностью измерения напряжения до 2 кВ и четырехканального цифрового осциллографа TDS 3034 B.

Вакуум обеспечивался форвакуумный спиральным насосом NXDS61 с откачкой до давления газа 10-2 торр. Эксперименты проводились в атмосферном воздухе при давлениях 0.2 и 1.3 торр, при наличии страт и их отсутствии.

В работе использовались пылевые частицы ALO диаметром 200-300 нм. Для их введения в область плазмы в трубке в положениях 1 и 2 (Рисунок 4.2) располагались контейнеры с сетчатым дном, в результате механической вибрации

которых производился выброс частиц. Для предотвращения попадания пылевых частиц из газоразрядной трубки в вакуумную систему был встроен фильтр.

Для визуального наблюдения пылевых частиц использовался пучок от лазера мощностью 300 ватт с длинной волны 540 нм, который с помощью цилиндрической линзы формировался в плоскопараллельный лазерный «нож». Рассеянный частицами свет фиксировался с помощью скоростной видеокамеры Phaeton и цифровой камеры Canon EOS 750 D.

4.2. Результаты экспериментального исследования поведения пылевых частиц в нелокальной плазме положительного столба тлеющего разряда

На первом этапе были воспроизведены классические эксперименты в тлеющем разряде со стратифицированным положительным столбом, когда разрядная трубка находилась в вертикальном положении с анодом в верхней точке и катодом в нижней. Из контейнера 1 в результате механической вибрации в область разряда выбрасывались пылевые частицы, заряжались в плазме и захватывались сильным полем в стратах ПС разряда (Рисунок 4.3 (а), (б)). В промежутках между стратами пылевые частицы отсутствуют, поскольку, как было установлено ранее в многочисленных экспериментах, продольного поля здесь недостаточно для их удержания [110].

Рисунок 4.3. а) Пылевые частицы в Рисунок 4.3 б). Пылевые частицы в

страте, вертикально ориентированной страте, вертикально ориентированной

трубки. Давление воздуха - 0.2 торра, трубки. Давление воздуха - 0.2 торра,

разрядный ток - 3.3 мА. разрядный ток - 8.0 мА.

В радиальном направлении размер пылевого облака ограничивался амбиполярным полем, интенсивность которого растет от оси к стенкам (см. Рисунок 4.2).

На следующем этапе газоразрядная трубка плавно поворачивалась до угла 45° по отношению к нормали (Рисунок 4.4 (а), (б)). Пылевое облако продолжало левитировать в страте в виде единой системы, но смещалось ближе к стенке стеклянной трубки. Очевидно, что в таком положении условия удержания пылевых частиц зависят от вертикальных составляющих векторов как продольного, так и амбиполярного поля. Поскольку амбиполярное поле мало в приосевых частях трубки, пылевое облако смещается к стенке, где это поле велико и уравновешивает действие силы тяжести.

Рисунок 4.4. а) Пылевые частицы в страте. Угол между нормалью и трубкой составляет 45 °. Давление воздуха - 0.2 торра, разрядный ток - 3.3 мА.

Рисунок 4.4. б) Пылевые частицы в страте. Угол между нормалью и трубкой составляет 45 °. Давление воздуха - 0.2 торра, разрядный ток -8.0 мА.

При дальнейшем наклоне трубки до горизонтального положения, пылевые частицы не могли попасть на стенки трубки и удерживались в объеме амбиполярным полем, интенсивность которого резко растет на периферии. В продольном же направлении эти частицы выталкивались аксиальным полем из страт и начинали смещаться в сторону анода. Пылевое облако останавливалось лишь вблизи своеобразной преграды - изгиба плазмы ПС вверх в вертикальное положение. Попаданию на стенки и дальнейшему движению пылевых частиц по горизонтали здесь препятствовало запирающее амбиполярное поле. Вверх же по вертикали заряженные пылинки не могли подняться из-за действия силы тяжести. В итоге пылевое облако зависало в области, находящейся на расстоянии около двух сантиметров от вертикальной оси анода (Рисунок 4.5 и 4.6). Эти эксперименты показывают, что в горизонтально расположенной трубке сильное амбиполярное поле удерживает пылевые частицы в объеме и препятствует их попаданию на стенки.

Рисунок 4. 5. Пылевые частицы в страте горизонтально расположенной трубки. Давление воздуха - 0.2 торра, разрядный ток - 3.3 мА.

Рисунок 4. 6. Пылевые частицы в страте горизонтально расположенной трубки. Давление воздуха - 0.2 торра, разрядный ток - 8.0 мА.

На третьем этапе проводились эксперименты уже в разряде с однородным положительным столбом. При вертикальном положении трубки пылевые частицы не наблюдались, что подтверждается результатами более ранних исследований. Причиной является тот факт, что продольного поля однородного ПС

недостаточно для удержания пылевых частиц. Аналогичная ситуация наблюдалась и при повороте трубки на угол 45 ° относительно вертикали.

При проведении экспериментов в горизонтально расположенной трубке частицы пыли из контейнера 2 вводились в плазму однородного положительного столба, заряжались и перемещались вдоль продольного поля в сторону анода и зависали в области, находящейся на расстоянии около двух сантиметров от оси анода (см. Рисунок 4.7).

Рисунок 4.7. Пылевые частицы в гомогенном положительном столбе.

Давление воздуха - 1.3 торра, разрядный ток - 2.1 мА.

Таким образом, в ходе экспериментов продемонстрирована возможность удержания пылевых частиц в гомогенном положительном столбе при помощи амбиполярного поля в условиях нелокальности плазмы.

Выводы к главе 4

В работе проведены эксперименты по исследованию поведения пылевых частиц в нелокальной плазме как однородного, так и стратифицированного положительного столба тлеющего разряда в газоразрядной Ц-образной трубке в воздухе при низком давлении. Для демонстрации важной роли амбиполярного поля в удержании заряженных пылевых частиц изменялась пространственная ориентация положительного столба разряда от вертикального до горизонтального положения. Показано, что для вертикально расположенного ПС левитация пылевых частиц возможна только в сильном поле в стратах. В тоже время для горизонтально расположенного ПС, как при наличии страт, так и при их отсутствии, пылевые частицы удерживаются сильным амбиполярным полем, которое препятствует их падению на боковые стенки, при условии нелокальности плазмы. При этом пылевые частицы беспрепятственно дрейфуют к аноду в аксиальном электрическом поле. Наиболее простым способом фиксации пылевого облака в пространстве является изгиб анодной части трубки в вертикальное направление.

Поэтому для удержания пылевых частиц может быть реализована простая в техническом исполнении амбиполярная пылевая ловушка, представляющая собой Ц-образную цилиндрическую трубку.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проведен анализ имеющейся литературы посвященной теме исследования.

2. Проведены исследования параметров нелокальной плазмы отрицательного свечения тлеющего разряда в цилиндрической трубке в гелии с примесью атмосферного воздуха и аргона при низких и средних давлениях с помощью классического цилиндрического зонда и стеночного электрода.

3. Проведена зондовая диагностика параметров плазмы разряда с коаксиальными сетчатыми электродами в вакуумной камере большого объема (диаметром 30 см), инициируемого а) переменным и б) постоянным током в аргоне и гелии.

4. Показано, что плазма в разряде большого объема, инициируемого постоянным током, представляет собой отрицательное свечение с низкой температурой основной группы электронов и высокой концентрацией плазмы, аналогичное отрицательному свечению тлеющего разряда в классической цилиндрической трубке.

5. Зарегистрированы энергетические спектры электронов в области отрицательного свечения, как классического тлеющего разряда, так и разряда большого объема с коаксиальными сетчатыми электродами при помощи зонда Ленгмюра, а также пристеночного электрода. По данным спектрам оценен состав примесей в газовой смеси, а также концентрация метастабильных атомов гелия.

6. При помощи кольцевого сенсора исследованы свойства плазмы в микроразряде с полым катодом в потоке гелия при атмосферном давлении. Показано, что плазма внутри микроразряда с полым катодом является

отрицательным свечением с низкой температурой электронов (порядка нескольких десятых долей 1 эВ).

7. Предложенная конструкция является прототипом микроплазменного анализатора примесей в газах и может использоваться как ионизационный Пеннинговский детектор в хроматографии, так и как самостоятельный газовый анализатор.

8. Проведены серии экспериментальных исследований поведения пылевых частиц как со стратифицированным, так и однородным положительным столбом в газоразрядной трубке в воздухе низкого давления при различных положениях по отношению к нормали.

9. Показана возможность удержания пылевых частиц в нелокальной плазме однородного положительного столба тлеющего разряда с помощью радиального (амбиполярного) поля.

10. Реализована простейшая пылевая ловушка, представляющая собой и-образную трубку.

Благодарности

Данная диссертация является результатом работы во время обучения в магистратуре и аспирантуре под руководством Кудрявцева Анатолия Анатольевича. В связи с этим выражаю искреннюю благодарность Анатолию Анатольевичу за наставничество, внимание, помощь и поддержку при проведении моих исследований, при написании данной работы и публикации научных статей.

Выражаю искреннюю благодарность Сайфутдинову Алмазу Ильгизовичу за оказанную помощь при проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов.

Также я выражаю искреннюю благодарность всему профессорско-преподавательскому составу кафедры оптики Санкт-Петербургского государственного университета, и особенно, заведующему кафедрой, Тимофееву Николаю Александровичу, за знания и поддержку, которые они оказывали на протяжении всего обучения на кафедре.

Список литературы

1. Coe S.E., Stocks J.A., Tambini A.J. An investigation of the cathode region of a fluorescent lamp // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1993. - Vol. 26. - P. 1203-1210.

2. Nozaki T., Okazaki K. Carbon nanotube synthesis in atmospheric pressure glow discharge: a review // Plasma Processes and Polymers. - 2008. - Vol. 5. - P. 49-70.

3. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of Plasma Discharges and Material Processing // New York: Wiley. - 2005.

4. Chen F.F., Chang J.P. Lecture notes on Principles of plasma processing // Kluwer. - 2002.

5. Bacal M. Physics aspects of negative ion sources // Nuclear Fusion. - 2006. -Vol.46.

6. Каган Ю.М., Перелъ В.И. Зондовые методы исследования плазмы // УФН. -1963. -Vol. 81. - P. 409.

7. Kolokolov N. B., Kudryavtsev A. A., Blagoev A. B. Interaction processes with creation of fast electrons in the low temperature plasma // Physica Scripta. - 1994. -Vol. 50. - P. 371.

8. Девдариани А. З., Демидов В. И., Колоколов Н. Б., Рубцов В. И. Электронные спектры при медленных столкновениях возбужденных атомов инертных газов // ЖЭТФ. - 1983. - Vol. 84. - P. 1646 - 1653.

9. Райзер Ю.П. Физика газового разряда // Наука. - 1992.

10. Kudryavtsev A., Pramatarov P., Stefanova M., Khromov N. Registration of gas impurities in nonlocal plasma of helium microdischarge by an additional electrode -sensor // Journal of instrumentation. - 2012. - Vol.7.

11. Stefanova M., Pramatarov P., Kudryavtsev A., Peyeva R. Energy spectra of Penning electrons in nonlocal plasma at middle and high pressures // Journal of Physics: Conference Series. - 2014. - Vol. 514.

12. Kudryavtsev A. A., Stefanova M. S., & Pramatarov P. M. Use of nonlocal helium microplasma for gas impurities detection by the collisional electron spectroscopy method // Physics of Plasmas. - 2015. - Vol. 22.

13. Kudryavtsev A., Stefanova M., Pramatarov P. Use of DC microdischarge with nonlocal plasma for identification of metal samples // Journal of Applied Physics. -2015. - Vol. 117.

14. Kudryavtsev A.A., Tsyganov A.B. Gas analysis method and ionisation detector for carrying out said method // US Patent 7309992. - 2007.

15. Кудрявцев А.А., Цыганов А.Б. Способ анализа газов и ионизационный детектор для его осуществления // Патент РФ 2217739. - 2003.

16. Кудрявцев А.А., Чирцов А.С., Цыганов А.Б. Способ определения состава газовых смесей и ионизационный детектор для анализа примесей в газах // Патент РФ 2009143641. - 2009.

17. Piel A. Plasma Physics: An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas // Springer-Verlag. - 2010.

18. Ratynskaia S.et al. Dust mode in collisionally dominated complex plasmas with particle drift // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2003. - Vol. 32. - P. 613-616.

19. Shukla P. K. and Mamun A. A. Introduction to dusty plasma physics // Plasma Phys. Controlled Fusion. - 2002. - Vol. 44. - P. 70-92.

20. Fortov V. E., Morfill G. E. Complex and Dusty Plasmas: From Laboratory to Space // New York: Taylor & Francis. - 2010.

21. Golubovskii Yu., Karasev V., Kartasheva A., Resonance properties of a single dust particle in a stratified glow discharge // IOP Publishing Ltd. - 2018.

22. Golubovskii Yu., Karasev V., Kartasheva A. Dust particle charging in a stratified glow discharge considering nonlocal electron kinetics // IOP Publishing Ltd. -2017.

23. Kartasheva A., Golubovskii Yu., Karasev V. Dust Particle Charge in a Stratified Glow Discharge // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2017. - Vol. 4. - P. 99.

24. Min Y., Xiaoping L., Kai X., Yanming L., Donglin L. A large volume uniform plasma generator for the experiments of electromagnetic wave propagation in plasma // Physics Plasmas. - 2013. - Vol. 20.

25. Xu J., Bai B., Dong C., Dong Y., Zhu Y., Zhao G. Evaluations of plasma stealth effectiveness based on the probability of radar detection // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2017. - Vol. 45. - P. 938-944.

26. Liang Y., Yuan C., Gao R., Jia J., Kirsanov G. V., Bekasov V. S., Marin A. A., Kudryavtsev A. A., Eliseev S. I., Zhou Z. X. Investigation of low-Pressure glow discharge in a coaxial gridded hollow cathode // IEEE Transactions on Plasma Science.

- 2016. - Vol. 44. - №. 12. - P. 2965-2972.

27. Jia J., Yuan C., Kudryavtsev A. A., Eliseev S. I., Kirsanov G. V., Bekasov V. S., Gao R., Zhou Z. X. // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2016. - Vol. 44.

28. Kai X., Xiaoping L., Donglin L., Mingxu S., Hanlu Z. Reproducing continuous radio blackout using glow discharge plasma // Review of Scientific Instruments. - 2013.

- Vol. 84.

29. Arslanbekov R. R., Tobin R. C., Kudryavtsev A. A. Self-consistent model of high current density segmented hollow cathode discharges // Journal of Applied Physics. -

1997. - Vol. 81.

30. Arslanbekov R. R., Kudryavtsev A. A., Tobin R. C. On the hollow-cathode effect: conventional and modified geometry // Plasma Sources Science and Technology. -

1998. - Vol. 7.

31. Велихов Е.Я., Ковалев А.С., Рахимов А.Т. Физические явления в газоразрядной плазме // Наука. - 1987.

32. Phelps A.V. Abnormal glow discharges in Ar: experiments and models // Plasma Sources Science and Technology. - 2001. - Vol.10. - P.180.

33. Дресвин С. В., Донской А. В., Голъдфарб В. М., Клубникин В. С. Физика и техника низкотемпературной плазмы // Атомиздат. - 1972.

34. Биберман Л.Ж., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы // Наука. - 1982.

35. Голубовский Ю.Б., Кудрявцев А.А., Некучаев В.О., Прохорова И.А., Цендин Л.Д. Кинетика электронов в неравновесной газоразрядной плазме: Учебное пособие // СПбГУ. - 2004.

36. Кудрявцев А.А., Смирнов А.С., Цендин Л.Д. Физика тлеющих разрядов // Лань. - 2009.

37. Hirsh M., Oskam H. Gauseous electronics. v1. Electrical discharges // Academic Pr. - 1978.

38. Кудрявцев А.А, Морин А.В., Цендин Л.Д. Роль нелокальной ионизации в формировании коротких тлеющих разрядов //ЖТФ. - 2008. - Vol. 78.

39. Arslanbekov R. R., Kudryavtsev A. A. Energy balance of the bulk, maxwellian electrons in spatially inhomogeneous negative-glow plasmas // Physical review e. -1998. - Vol. 58.

40. Arslanbekov R. R., Kudryavtsev A. A. Modeling of nonlocal slow-electron kinetics in a low-pressure negative-glow plasma // Physics of plasmas. - 1999. - Vol. 6.

41. Kudryavtsev A. A., Saifutdinov A. I., Stefanova M. S., Pramatarov P. M., Sysoev S. S. Measurement of plasma parameters in He microdischarge by means of additional sensor electrode //Physics of plasmas. - 2017. - Vol. 24.

42. Band G., Hartmann P., Kutasi K., Horvath P., Plasil R., Hlavenka P., Glosik J., Donko Z. Combined Langmuir probe, electrical and hybrid modelling characterization of helium glow discharges // Plasma Sources Science and Technology. - 2007. -Vol.16.

43. Кудрявцев А.А., Цендин Л.Д. Тлеющий разряд постоянного тока. Энциклопедия низкотемпературной плазмы // Наука. - 2000. -Vol. 4. - P.18.

44. Druyvesteyn M.J. // Physica. - 1930. -Vol. 3.

45. Druyvesteyn M.J. // Physica. - 1934. - Vol. 1.

46. Druyvesteyn M.J. Calculation of townsend's a for Ne // Physica. - 1936. - Vol. 3.

47. Федоров В.Л., Мезенцев А.П. // ЖТФ. - 1987. -Vol. 57. - P. 595-597.

48. Woods R.C., Sudit I.D. // Physical review journals E. - 1994. - Vol. 50.

49. Bruins A. P. Mass spectrometry with ion sources operating at atmospheric pressure // Mass Spectrometry Reviews. - 1991. - Vol. 10. - P. 53-77.

50. Kudryavtsev A .A. A new method of gas Analysis using Penning-electron energy spectra // Russian Technologies for Industrial Applications. - 1999. - P. 94.

51. Tsendin L.D. Electron kinetics in non-uniform glow discharge plasmas // Plasma Sources Science and Technology. - 1995. - Vol. 4.

52. Kudryavtsev A. A., Smirnov A. S., Tsendin L. D. Physics of Glow Discharge // Saint Petersburg, LAN. - 2010.

53. Kolokolov N.B., Kudryavtzev A.A., Romanenko V.A. Electron energy distribution function in the afterglow plasma in radial electrical field // Zh. Thekn. Phys. - 1986. -Vol. 56.

54. Demidov V. I., DeJoseph C. A. Jr., Kudryavtsev A. A. Anomalously High Near-Wall Sheath Potential Drop in a Plasma with Nonlocal Fast Electrons // Physical review letters. - 2005. - Vol. 95.

55. Arslanbekov R.R., Khromov N.A., Kudryavtsev A.A. Probe measurements of electron energy distribution function at intermediate and high pressures and in a magnetic field // Plasma Sources Science and Technology. - 1994. - Vol. 3.

56. Saifutdinov A.I., Kapustin K., Kudryavtsev A.A. On the possibility of determining the energy-distribution function of nonlocal penning electrons by measuring the current to wall electrode in afterglow plasma // Technical Physics Letters. - 2014. - Vol. 40.

57. Arkhipenko V. I., Kirillov A. A., Safronau Ya. A., SimonchikL. V., Zgirouski S. M. Self-sustained dc atmospheric pressure normal glow discharge in helium: from microamps to amps // Plasma Sources Science and Technology. - 2009. - Vol. 18.

58. Andrade F. J., Wetzel W. C, Chan G. C.-Y., Webb M. R., Gamez G., Ray S. J., Hieftje G. M., Anal J. A new, versatile, direct-current helium atmospheric-pressure glow discharge // Journal of Analytical Atomic Spectrometry. - 2006. - Vol. 21.

59. Machala Z., Marode E., Laux Ch. O., Kruger Ch. H. DC glow discharges in atmospheric pressure air // Journal of Advanced Oxidation Technologies. - 2004. - Vol. 7. - P. 133-137.

60. Akishev Yu., Grushin M., Karalnik V., Petryakov A., Trushkin N. Non-equilibrium constricted dc glow discharge in N2 flow at atmospheric pressure: stable and unstable regimes // Journal of Physics D: Applied Physics - IOPscience. - 2010. -Vol. 43. - P. 11 - 18.

61. Yang Y., Shi J. J., Harry J. E., Proctor J., Garner C. P., Kong M. G. Multilayer plasma patterns in atmospheric pressure glow discharges // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2005. - Vol. 33. - P. 302.

62. Choenbach K. H., Verhappen R., Tessnow T., Peterkin F. E., Byszewski W. W. Microhollow cathode discharges // Applied Physics Letters. - 1996. - Vol. 68.

63. Schoenbach K. H., El-Habachi A., Shi W., Ciocca M. High-pressure hollow cathode discharges // Plasma Sources Science and Technology. - 1997. - Vol. 6.

64. Leipold F., Stark R. H., El-Habachi A., Schoenbach K.H. Electron density measurements in an atmospheric pressure air plasma by means of infrared heterodyne interferometry // Journal of Physics D: Applied Physics - IOP science. - 2000. - Vol. 33.

65. Adler F., Davliatchine E., Kindel E. Comprehensive parameter study of a micro-hollow cathode discharge containing xenon // Journal of Physics D: Applied Physics -IOP science. - 2002. - Vol. 35.

66. Penache C., Brauning-Demian A., Spielberger L. Schmidt-Bocking H. Experimental study of high pressure glow discharges based on MSE arrays // Greifswald. - 2000. - Vol. 2. - P. 501.

67. Penache C., Miclea M., Brauning-Demian A., Hohn O., Schossler S., Jahnke T., Niemax K., Schmidt-Bocking H. Characterization of a high-pressure microdischarge using diode laser atomic absorption spectroscopy // Plasma Sources Science and Technology. - 2002. - Vol. 11. - P. 476.

68. Miclea M., Kunze K., Heitmann U., Florek S., Franzke J., Niemax K. Diagnostics and application of the microhollow cathode discharge as an analytical plasma // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2005. - Vol. 38.

69. Petrov G. M., Zhechev D. Electron energy distribution function and electron characteristics of conventional and micro hollow cathode discharges // Physics of Plasmas. - 2002. - Vol. 9.

70. Kothnur P. S., Yuan X., Raja L. L. Structure of direct-current microdischarge plasmas in helium // Applied Physics Letters. - 2003. - Vol. 82.

71. Kothnur P. S., Raja L. L. Two-dimensional simulation of a direct-current microhollow cathode discharge // Journal of Applied Physics. - 2005. - Vol. 97.

72. Kushner M. J. Modelling of microdischarge devices: pyramidal structures //

Journal of Applied Physics. - 2004. - Vol. 95.

73. Boeuf J. P., Pitchford L. C., Schoenbach K. H. Predicted properties of microhollow cathode discharges in xenon // Applied Physics Letters. - 2005. - Vol. 86.

74. Bogdanov E. A., Demidov V. I., Kudryavtsev A. A., Saifutdinov A. I. Is the negative glow plasma of a direct current glow discharge negatively charged? // Physics of Plasmas. - 2015. - Vol. 22.

75. Manheimer W. M., Fernsler R. F., Lampe M. and Meger R. A. Theoretical overview of the large-area plasma processing system (LAPPS) // Plasma Sources Science and Technology. - 2000. - Vol. 9.

76. Zhang Q., Zhang G., Sh W., Wang L. A large-volume microwave plasma source based on parallel rectangular waveguides at low pressures // Plasma Sources Science and Technology. - 2011. - Vol. 20.

77. Hollenstein Ch., Howling A. A., Furno I. Industrial plasmas in academia // Plasma Physics and Controlled Fusion. - 2015. - Vol. 57.

78. Perrin J., Schmitt J., Ch H., Howling A. A. and Sansonnens L. The physics of plasma-enhanced chemical vapour deposition for large-area coating: industrial application to flat panel displays and solar cells // Plasma Physics and Controlled Fusion. - 2000. - Vol. 42.

79. Schlebrowski T., Bahre H., Boke M., Winter J. Monitoring particle growth in deposition plasmas // Plasma Sources Science and Technology. - 2013. - Vol. 22.

80. Bugot C., Schneider N., Lincot D., Donsanti F. J. Plasma-enhanced atomic layer deposition of highly transparent zinc oxy-sulfide thin films // Journal of Applied Physics. - 2018. - Vol. 123.

81. Singha P., Jha R. K., Singh R. K., Singh B. R. J. // Journal of Vacuum Science & Technology. - 2018. - Vol. 36.

82. Tovstopyat A., Gafarov I., Galeev V., Azarova V., Golyaeva A. Modification of the surface properties of glass-ceramic materials at low-pressure RF plasma stream // Physics of Plasmas. - 2018. - Vol. 25.

83. Guo L. J., Guo L. X. The effect of the inhomogeneous collision frequency on the absorption of electromagnetic waves in a magnetized plasma // Physics of Plasmas. -2017. - Vol. 24.

84. Wang Z. B., Nie Q. Y., Li B. W., Kong F. R. Modeling and simulations on the propagation characteristics of electromagnetic waves in sub-atmospheric pressure plasma slab // Physics of Plasmas. - 2017. - Vol. 24.

85. Hui Z., Xiaoping L., Kai X., Yanming L., Bo Y., Wei A. Characteristics of electromagnetic wave propagation in time-varying magnetized plasma in magnetic window region of reentry blackout mitigation // AIP Advances. - 2017. - Vol. 7.

86. Chen W., Guo L., Li J., Liu S. Research on the fdtd method of electromagnetic wave scattering characteristics in time-varying and spatially nonuniform plasma sheath // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2016. - Vol. 44.

87. He G., Zhan Y., Zhang J., Ge N. // IEEE Transactions on Plasma Science. -2016. - Vol. 44.

88. Wanjun S., Hou Z. J. Analysis of electromagnetic wave propagation and scattering characteristics of plasma shealth via high order ADE-ADI FDTDE // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. - 2016. - Vol. 30.

89. Yuan C. X., Zhou Z. X., Zhang J. W., Xiang X. L., Feng Y., Sun H. G. Properties of propagation of electromagnetic wave in a multilayer radar-absorbing structure with plasma- and radar-absorbing material // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2011. - Vol. 39.

90. Jia J., Yuan C., Gao R., Liu S., Yue F., Wang Y., Li H. Transmission characteristics of microwave in a glow-discharge dusty plasma // Physics of Plasmas. -2016. - Vol. 23.

91. Bai B., Li X., Xu J., Liu Y. Reflections of electromagnetic waves obliquely incident on a multilayer stealth structure with plasma and radar absorbing material //

IEEE Transactions on Plasma Science. - 2015. - Vol. 43.

92. Xu J., Bai B., Dong C., Zhu Y., Dong Y. Y., Zhao G. A. Novel plasma jamming technology based on the resonance absorption effect // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2017. - Vol. 16.

93. Eliseev S. I., Kudryavtsev A. A. Comment on "A large volume uniform plasma generator for the experiments of electromagnetic wave propagation in plasma" // Physics of Plasmas. - 2016. - Vol. 23.

94. Rafatov I., Bogdanov E. A., Kudryavtsev A. A. Account of nonlocal ionization by fast electrons in the fluid models of a direct current glow discharge // Physics of Plasmas. - 2012. - Vol. 19.

95. Eliseev S. I., Bogdanov E. A., Kudryavtsev A. A. Slow electron energy balance for hybrid models of direct current glow discharges // Physics of Plasmas. -2017. -Vol. 24.

96. Yuan Ch., Kudryavtsev A. A., Demidov V. I. Introduction to the Kinetics of Glow Discharges // Bristol: IOP Publishing. - 2018.

97. Kolobov V. I. Striations in rare gas plasmas // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. - Vol. 39. - P. 487.

98. Arslanbekov R., Kolobov V. Advances in simulations of moving striations in DC discharges of noble gases // Physics of Plasmas. - 2019. - Vol. 26.

99. Golubovskiil Y. B., Kolobov V. I., Nekuchaev V. O. On electron bunching and stratification of glow discharges // Physics of Plasmas. - 2013. - Vol. 20.

100. Demidov M. V., Kudryavtsev A. A., Kurlyandskaya I. P., Saifutdinov A. I., Stepanova O. M. Comment on "two-dimensional positive column structure in a discharge tube with radius discontinuity" // Physics of Plasmas. - 2015. - Vol. 22.

101. http://www.plasmasensors.com

102. https: //impedans .com/langmuir-probe

103. Chengxun Yuan, Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Stefanova M. S., Pramatarov P. M., Zhongxiang Z. Determining the spectrum of penning electrons by current to a wall probe in nonlocal negative glow plasma // Physics of Plasmas. - 2018. - Vol. 25.

104. Aubert X., Bauville G., Guillon J., Lacour B., Puech V., Rousseau A. Analysis of the self-pulsing operating mode of a microdischarge // Plasma Sources Science and Technology. - 2006. - Vol. 16. - P. 23-32.

105. Цыганов А. Б. Разработка нового метода столкновительной электронной спектроскопии для анализа вещества на основе микроплазменных источников // Диссертация. - 2012.

106. Sysoev S., Saifutdinov A., Kudryavtsev A., Eleseev S., Bekasov V. Experimental investigation of short glow discharge in Helium for gas analyzers based on PLES methods // High Temperature Materials and Processes. - 2015. - Vol. 18. - P. 91- 98.

107. Bekasov V., Kirsanov G., Eliseev S., Kudryavtsev A., Sysoev S., Saifutdinov A. Numerical study of heating the gas in an atmospheric pressure cold plasma generator // High Temperature Materials and Processes. - 2015. - Vol. 18. - P. 155-163.

108. Yuan C., Kudryavtsev A. A., Saifutdinov A. I., Sysoev S. S., Tian R., Yao J., Zhou Z. Probe diagnostics of plasma parameters in a large-volume glow discharge with coaxial gridded hollow electrodes // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2017. -Vol. 45. - P. 3110 - 3113.

109. Chengxun Y. , Kudryavtsev A. A., Saifutdinov A. I., Sysoev S. S., Jingfeng Y. Zhongxian Z. Diagnostics of large volume coaxial gridded hollow cathode DC discharge // Plasma Sources Science and Technology. - 2019. - Vol. 28.

110. Zhe D., Kudryavtsev A. A., Saifutdinov A. I., Sysoev S. S., Chengxun Y., Shubo L., Jiengfeng Y., Zhongxiang Z. The Influence of the Ambipolar Field on the Levitation Conditions of Dust Particles in the Positive Column of the Glow Discharge With a Change the Spatial Orientation of the Discharge Tube // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2019. - Vol. 47.

111. Zhi Y., Chengxun Y., Zhongxiang Z., Xiaoou W., Sysoev S. The smooth effect of fast electron detection in the positive column in DC glow discharge // AIP Advances. -2019. - Vol. 9.

112. Saifutdinov A. I., Sysoev S. S., Kudryavtsev A. A. Register impurities in the plasma forming gas helium in a large volume reactor using plasma electron spectroscopy method // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1328.

SAINT PETERSBURG STATE UNIVERSITY

Manuscript copy

Sysoev Sergei Sergeevich

STUDY OF NONLOCAL PLASMA OF GLOW DISCHARGE AND ITS APPLICATION FOR ANALYSIS OF THE COMPOSITION OF GAS MIXTURES BY THE PLASMA ELECTRONIC SPECTROSCOPY METHOD

(PLES)

Specialisation 1.3.9. Plasma physics

Dissertation is submitted for the degree of candidate of physical and mathematical

sciences

Translation from Russian

Scientific supervisor: candidate of physical and mathematical sciences

Anatoly A. Kudryavtsev

Saint Petersburg 2021

Table of contents

Introduction......................................................................................................................................................109

Chapter 1. Literature review................................................................................................................118

1.1. Glow discharge, its structure and features........................................................................118

1.2. Probe methods for plasma diagnostics................................................................122

1.3. Plasma Electron Spectroscopy Method (PLES)..........................................127

1.4. Microdischarge of atmospheric pressure with a hollow cathode .. 131

1.5. Discharges with gridded coaxial electrodes....................................................133

1.6. Review of experimental research on methods of confinement of

dust particles in plasma..................................................................................................136

Conclusions to Chapter 1............................................................................................................138

Chapter 2. Probe diagnostics of stationary glow discharge at low pressures. 140

2.1. Description of the experimental setup for probe diagnostics of a glow discharge at low pressures..............................................................................140

2.2. Results of Probe Diagnostics of a Stationary Glow Discharge at

Low Pressures........................................................................................................................145

2.3. Description of the experimental setup for a large-volume discharge with coaxial gridden electrodes......................................................151

2.4. Study of the parameters of a large-volume alternating current discharge with coaxial gridded electrodes........................................................154

2.5. Study of the parameters of a large-volume direct current discharge with coaxial gridded electrodes........................................................159

Conclusions to Chapter 2............................................................................................................166

Chapter 3. Probe diagnostics of near-cathode regions of glow discharges at

medium and high pressures..................................................................................................................168

3.1. Description of the experimental setup for probe diagnostics of negative glow plasma using a wall probe at a pressure of 40 to

150 Torr......................................................................................... 168

3.2. Results of probe diagnostics of negative glow plasma using a wall probe at a pressure of 40 and 150 Torr................................... 170

3.3. Description of the experimental setup for studying the parameters of a microdischarge in a helium flow at atmospheric pressure.................................................................. 172

3.4. Results of probe diagnostics of a microdischarge with a hollow cathode in a helium flow at atmospheric pressure................... 174

Conclusions to Chapter 3...................................................... 177

Chapter 4. Experimental study of the behavior of dust particles in a nonlocal plasma of a positive column of a glow discharge..................... 179

4.1 Description of the experimental setup for studying the behavior of dust particles in a nonlocal plasma of a positive column of a glow discharge............................................................ 181

4.2. Results of an experimental study of the behavior of dust particles

in a nonlocal plasma of a positive column of a glow discharge.... 183

Conclusions to Chapter 4....................................................... 187

Conclusion............................................................................ 188

Acknowledgments................................................................... 190

List of references..................................................................... 191

Introduction

This work is devoted to study of nonlocal plasma of glow discharges and its application for the analysis of the composition of gas mixtures by the method of Plasma Electron Spectroscopy (PLES).

Relevance of topic

Glow discharge is a common plasma source. It is widely used in gas lasers, light sources [1], installations for the synthesis of carbon nanotubes [2], plasma displays, cathodic sputtering of metals for the deposition of thin films [3-5]. Plasma occupies a special place in scientific research, in particular, it is used to obtain beams of charged particles, in gas analyzers, etc.

Miniature high-pressure gas analyzers are of great practical interest. On the one hand, such devices will allow measurements outside the laboratory. On the other hand, high pressure will make it possible to abandon vacuum equipment, which will significantly reduce the cost of this class of devices. To design and optimize such devices and devices, a detailed understanding of the processes occurring in the gas discharge plasma is required.

The experimental approach is the main source of data on glow discharge. Experimental techniques are very diverse and well developed. They enable plasma diagnostics based on data such as plasma radiation, potential distribution, concentrations of charged and excited particles, etc.

The probe method of diagnostics is one of the main experimental methods for studying the plasma of a glowing gas discharge, thanks to which it is possible to obtain most of the information about its basic properties [6]. Ever since Langmuir's time, the main focus has been on the positive column of a glow discharge, whose parameters are constant along its length. The processes occurring in the near-cathode regions, the

dimensions of which are comparatively small at medium and high pressures, remained not fully understood. These discharge regions have a number of properties that are important for practical applications, in particular, for the implementation of the PLES method [7, 8], developed at the Department of Optics, St. Petersburg State University. This method allows the qualitative and quantitative analysis of the composition of the gas mixture to be carried out using Langmuir probes. However, the applicability of Langmuir probes for plasma diagnostics is limited by low pressures [9]. At atmospheric pressures, the characteristic size of the plasma volume should not exceed tens or hundreds of microns. With such a small size, it becomes technically impossible to introduce a classical Langmuir probe into the plasma. However, in a nonlocal plasma, electrons hit the wall with their own energy of creation (they do not have enough time to change the energy due to collisions in the plasma volume). In this situation, there is no need to introduce a measuring electrode (probe) into the plasma volume, it would be sufficient to install it at the boundary of the plasma volume, that is, to use an additional electrode - a wall probe [10-16]. With such a small size, it becomes technically impossible to introduce a classical Langmuir probe into the plasma. However, in a nonlocal plasma, electrons hit the wall with their own production energy (they do not have enough time to change the energy due to collisions in the plasma volume). In this situation, there is no need to introduce a measuring electrode (probe) into the plasma volume, it would be sufficient to install it at the boundary of the plasma volume, that is, to use an additional electrode - a wall probe [10-16]. With such a small size, it becomes technically impossible to introduce a classical Langmuir probe into the plasma. However, in a nonlocal plasma, electrons hit the wall with their own production energy (they do not have enough time to change the energy due to collisions in the plasma volume). In this situation, there is no need to introduce a measuring electrode (probe) into the plasma volume, it would be sufficient to install it at the boundary of the plasma volume, that is, to use an additional electrode - a wall probe [10-16].

Impurities in the main gas can be present not only in the gas phase, but also in the form of solid dust particles, which should be controlled and, if necessary, captured and contained. Interest in the study of dusty plasma is not weakening, this is due to the fact

that dust and dusty plasma are widespread both in space (in planetary rings, comet tails, in interplanetary and interstellar clouds) and in terrestrial conditions. Dusty plasma was found near artificial earth satellites and spacecraft, in fusion installations with magnetic confinement, in technological installations in the manufacture of micro and nanoelectronic objects. All this stimulates active research of complex plasma in laboratory conditions.

The main studies of dusty plasma were carried out in a stratified plasma of a positive column or in high-frequency discharges [17-23]. However, the nature of the strata remains not fully understood. In works [17-20] Soit was argued that the transverse field in a cylindrical discharge tube is not capable of compensating for the gravity of the Earth's gravity. This statement requires experimental verification.

At present, there has been an increased interest in experimental research related to the propagation of electromagnetic waves in plasma under laboratory conditions. This is due to attempts to eliminate communication attenuation when a spacecraft enters the Earth's atmosphere, as well as to the development of technology for creating plasma around an aircraft to absorb electromagnetic waves in a wide frequency band in order to hide the aircraft from radars. For these purposes, a large-volume plasma generator with coaxial mesh electrodes was used in [24-28]. Recent research in this area shows results to be verified. In particular, in [26, 27] it was shown that the plasma region inside this type of discharge is represented by a positive column with an electron temperature Te ~3эВ... In [24], on the basis of optical observations, it was concluded that the distribution of the plasma concentration is uniform. Simple estimates show that, under the conditions under study, the parameter pR = 1 -10 cm • Torr (R is the size of the discharge volume), so that the plasma formed in the inner region, apparently, belongs to a plasma of negative luminescence, similar to a classical cylindrical hollow cathode with a low electron temperature [29, 30].

Therefore, complex probe diagnostics of these plasma sources is of great scientific interest.

In this way, relevance the task remains studies of nonlocal plasma of glow discharges and its application for the analysis of the composition of gas mixtures by the method of Plasma Electron Spectroscopy (PLES).

The aim of this work is to study of nonlocal plasma of glow discharges and its application for the analysis of the composition of gas mixtures by the method of Plasma Electron Spectroscopy (PLES).

Scientific novelty and practical application of research findings:

1. A comprehensive diagnostics of a large-volume discharge with coaxial mesh electrodes is presented. It is shown that the plasma generated by such a generator is a negative glow plasma.

2. The energy spectra of electrons were obtained by probe methods. Using the PLES method, the amount of impurity in the gas mixture, as well as the concentration of metastable helium atoms, were estimated from the spectra of Penning electrons.

3. In this work, a microdischarge with a hollow cathode in a helium flow at atmospheric pressure was studied using a ring sensor.

4. A U-shaped design of a cylindrical tube for confining dust particles by means of an ambipolar field in a homogeneous positive column of a glow discharge has been developed.

The main findings of a dissertation to be defended:

1. Results of probe diagnostics of nonlocal near-cathode plasma of negative glow and Faraday dark space of a glow discharge in a tube using a cylindrical Langmuir probe and a wall electrode at low and medium pressures.

2. Results of probe diagnostics of the plasma parameters of a discharge with coaxial mesh electrodes in a large-volume vacuum chamber (30 cm in diameter) initiated by a) a variable and b) a constant voltage source in argon and helium.

3. Results of experimental studies of the energy spectra of fast electrons in a nonlocal plasma of negative glow in a classical cylindrical tube of a glow discharge and a large-volume discharge with grid electrodes.

4. Results of diagnostics of a microdischarge with a hollow cathode in a helium flow at atmospheric pressure using an annular wall electrode.

5. Results of experiments on the control of dust particles in a U-shaped cylindrical tube in a nonlocal plasma of a homogeneous positive column of a glow discharge.

The reliability of the results obtained is due to the fact that all measurements were carried out on certified modern equipment with good reproducibility, the results were processed in accordance with the existing theory of probe measurements and its refinements, as well as in accordance with the theory of errors.

Personal contribution of the author

The author obtained all the results and assessments presented in the dissertation personally or with his direct participation. The author carried out the processing of research results.

Approbation

The materials included in this work were presented at Russian and international conferences:

1. Sayfutdinov A.I., Sysoev S.S., Kudryavtsev A.A., Trofimov I.V. Analysis of impurities from the energy spectra of Penning electrons in plasma using a wall electrode // Collection of articles of the All-Russian (with international participation) conference "Physics of low-temperature plasma" (FNTP - 2017). - Kazan, - 2017.

2. Sayfutdinov A.I., Sysoev S.S., Kudryavtsev A.A., Trofimov I.V. Modeling of plasma parameters in the gas analyzer Khromato-PLES // Collection of articles of the

All-Russian (with international participation) conference "Physics of low-temperature plasma" (FNTP - 2017). - Kazan, - 2017.

3. Saifutdinov A., Kudryavtsev A., Sysoev S. Measurement of Plasma Parameters in Micro-Discharge by Wall Probe // 69th Annual Gaseous Electronic's Conference -October 10th to 14th, - 2016.

4. Kirsanov G.V., Bekasov V.S., Sysoev S.S., Eliseev S.I., Sayfutdinov A.I., Kudryavtsev A.A. Modeling of cold plasma of atmospheric pressure in air // Materials of reports X Scientific and practical conference "Information and computer technologies in the economy, education and social sphere". - 2016. - No. 10. - P. 28-30

5. Bekasov V.S., Sysoev S.S., Eliseev S.I., Kirsanov G.V., Stepanova O.M., Kudryavtsev A.A. Computer modeling of corona discharge as a source of low-temperature plasma for medical use Information technologies in the economy, education and social sphere // Simferopol. - 2016 . - P. 13-15. - 2016.

6. Sisoev S., Saifutdinov A., Kudryavtsev A. An investigation of short glow discharge in helium and the development of its applications for the analysis of gases // 57th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics. - 2015. - Vol. 60, - No. 19.

7. Saifutdinov A.I., Barsilovich K., Kudryavtsev A.A., Sysoev S.S., Chirtsov A.S. Simulation Parameters of Microplasma Detectors PLES in Helium at High Pressures // International Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications", -2015.

8. An. Junwei, Saifutdinov A.I., Belyaev V. Yu., Sysoev S.S., Chirtsov A.S., Pramatarov P., Stefanova M. The Measurements of the Electron Temperature in the Microplasma Detectors PLES Using Wall Electrode - Probe // International Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications", - 2015.

9. Chunahunova S., Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A., Sysoev S.S., Belyaev V. Yu., Khromov N. Analysis of Impurities on the Energy Spectrum of Electrons in a Penning Plasma Using a Wall Probe // International Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications". - 2015.

10. Kudryavtsev A.A., Sayfutdinov A.I., Sysoev S.S., Belyaev V.Yu., Khromov N.A. Analysis of impurities from the energy spectra of Penning electrons in plasma using a

wall electrode // XLII International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Thermonuclear Fusion. - 2015.

11. Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Kudryavtsev A.A., Pramatarov P.M., Stefanova M.S. The measurements of the electron temperature in microplasma detectors in helium at high pressures using wall probe // VIII International Conference plasma physics and plasma technology (PPPT-8). - 2015.

12. Belyaev V. Yu., Kudryavtsev A.A., Chromov N.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S. Ionization Detector Chamber International // Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications". - 2015.

13. Sysoev S.S., Wei An. Z., Saifutdinov A., Kudryavtsev A.A., Chirtsov A.S. Investigation of the Parameters of Microplasma Detectors PLES in Helium Using Modern Automated Diagnostic Scheme Plasma Probe Analyzer // International Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications". - 2015.

14. Saifutdinov A.I., Kudryavtsev A.A., Sysoev S.S., Eliseev S.I., Cakir S., Rafatov I. Impurity gas analysis from the energy spectra of penning electrons in plasma using a wall probe // 9th International Physics Conference of the Balkan Physical Union -BPU9. - 2015.

15. Junwei An., Saifutdinov A.I., Belyaev V. Yu., Sysoev S.S., Chirtsov A.S., Pramatarov P., Stefanova M. The Measurements of the Electron Temperature in the Microplasma Detectors PLES Using Wall Electrode - Probe // International Workshop "Nonlinear Photonics: Theory, Materials, Applications". - 2015.

16. Sysoev S.S., Sayfutdinov A.I., Kudryavtsev A.A. Investigation of the parameters of a microplasma detector for gas chromatography // Low-temperature plasma in the processes of applying functional coatings. - 2018.

17. Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Chengxun Yuan, Zhe Ding, Shubo Li The influence of the ambipolar field on the levitation conditions of dust particles in the positive column of the glow discharge with a change the spatial orientation of the discharge tube". - 2019.

Author's publications on the dissertation topic

The main results on the topic of the dissertation are presented in 9 articles in peer-reviewed journals indexed by Web of Science, Scopus and recommended by the Higher Attestation Commission:

1. Sysoev S., Saifutdinov A., Kudryavtsev A., Eleseev S., Bekasov V. Experimental investigation of short glow discharge in Helium for gas analyzers based on PLES methods // High Temperature Materials and Processes. - 2015. - Vol. 18. - P. 91-98.

2. Bekasov V., Kirsanov G., Eliseev S., Kudryavtsev A., Sysoev S., Saifutdinov A. Numerical study of heating the gas in an atmospheric pressure cold plasma generator // High Temperature Materials and Processes. - 2015. - Vol. 18. - P. 155-163.

3. Yuan C., Kudryavtsev AA, Saifutdinov AI, Sysoev SS, Tian R., Yao J., Zhou Z.Probe diagnostics of plasma parameters in a large-volume glow discharge with coaxial gridded hollow electrodes // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2017. -Vol. 45. - P. 3110-3113.

4. Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Stefanova M.S., Pramatarov P.M., Sysoev S.S. Measurement of plasma parameters in He microdischarge by means of additional sensor electrode // Physics of Plasmas. - 2017. - Vol. 24.

5. Chengxun Y., Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Stefanova M.S., Pramatarov P.M., Zhongxiang Zhou Determining the spectrum of penning electrons by current to a wall probe in nonlocal negative glow plasma // Physics of Plasmas. - 2018. - Vol. 25.

6. Chengxun Y., Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Jingfeng Y. Zhongxian Z. Diagnostics of large volume coaxial gridded hollow cathode DC discharge // Plasma Sources Science and Technology. -2019. - Vol. 28.

7. Zhi Y., Chengxun Y., Zhongxiang Z., Xiaoou W., Sysoev S. The smooth effect of fast electron detection in the positive column in DC glow discharge // AIP Advances. -2019. - Vol. 9.

8. Zhe D., Kudryavtsev A.A., Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Chengxun Y., Shubo L., Jiengfeng Y., Zhongxiang Z. The Influence of the Ambipolar Field on the Levitation Conditions of Dust Particles in the Positive Column of the Glow Discharge With a

Change the Spatial Orientation of the Discharge Tube // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2019. - Vol. 47.

9. Saifutdinov A.I., Sysoev S.S., Kudryavtsev A.A. Register impurities in the plasma forming gas helium in a large volume reactor using plasma electron spectroscopy method // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1328.

The scope and structure of the thesis

The dissertation consists of an introduction, four chapters, a conclusion and a list of references. The total volume of the thesis is 95 pages with 69 figures and 6 tables. The list of cited literature contains 112 titles.

Chapter 1. Literature review

1.1. Glow discharge, its structure and features

The glow discharge has a pronounced spatial structure described in many sources, for example, in [9, 31-35]. In fig. 1.1 shows the structure of a gas discharge with the corresponding internal characteristics.

Figure 1.1. Glow discharge structure.

a) visible structure