Исследование прикатодных областей тлеющего разряда в гелии и азоте тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Прохорова, Елена Игоревна

• Прохорова, Елена Игоревна
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Прохорова, Елена Игоревна

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1

1.1 Обзор литературы

1.2. постановка задачи

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. зондовые методы диагностики плазмы

2.2 Определение функции распределения электронов зондовым методом

2.3 Установка для зондовых измерений

2.4 Градуировка измерительной установки

2.5 Погрешности зондовых измерений

2.6 установка для оптических измерений

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПРОФИЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ПРИКАТОДНЫХ ОБЛАСТЕЙ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ГЕЛИИ И АЗОТЕ

3.1 Конструкция газоразрядной трубки

3.2 результаты экспериментальных исследований в гелии

3.3 результаты экспериментальных исследований в азоте

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ И ИХ СОПОСТАВЛЕНИЕ С ТЕОРИЕЙ

4.1 Катодная область разряда постоянного тока

4.2 Оценка плотностей диффузионного и разрядного токов в гелии

4.3 Функции распределения промежуточных электронов в гелии

4.4 Обсуждение результатов

4.5 Результаты теоретического моделирования

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование прикатодных областей тлеющего разряда в гелии и азоте»

Введение

Тлеющий разряд постоянного тока является объектом постоянного внимания [3,72], поскольку он широко используется в практических приложениях и является удобным физическим объектом для научных исследований.

Широкое применение плазмы во многих газоразрядных приборах, обуславливает постоянный исследовательский интерес к тлеющему разряду. В частности, к таким недостаточно изученным областям тлеющего разряда как отрицательное свечение (N0) и фарадеево темное пространство (РБ8).

Прикатодная область (астоново темное пространство, катодное свечение, N0 и РБ8) ответственна за обеспечение самостоятельности разряда; без нее разряд не может существовать. При сближении электродов сокращается длина положительного столба (РС), в то время как катодные и анодные части перемещаются вместе с электродами и не изменяют свою структуру. Соответственно, РС не является обязательным для существования разряда.

Традиционно описание газоразрядной плазмы строилось на основе гидродинамического подхода, оперирующего характеристиками усредненной частицы. Однако такое приближение не может полно описать многие явления в газовых разрядах [5-7]. Гидродинамический подход требует равновесного (максвелловского) распределения всех присутствующих в плазме частиц. Газовый разряд, как правило, представляет собой сильно неравновесную систему и наиболее неравновесной оказывается электронная компонента. Это связано с тем, что электрическая энергия вкладывается в основном в электроны, а обмен энергией электронов с другими частицами затруднен из-за малой массы электрона. Поэтому функция распределения электронов (ФРЭ), как правило, сильно отличается от максвелловской.

Кроме того, специфика разрядов при низких давлениях состоит в том, что длина релаксации электронов по энергиям сравнима с характерными масштабами разрядов. Это определяет нелокальный характер функции

распределения, когда функция распределения формируется не местным значением поля, а профилем потенциала в некоторой пространственно-временной окрестности и размер этой окрестности определяется длиной энергетической релаксации электронов. Электроны разных энергий имеют разные длины релаксации и часто ведут себя практически независимо. При этом потоки частиц и энергий разных областей функции распределения электронов по энергии не связаны друг с другом и могут даже быть направлены в разные стороны, поэтому представления гидродинамического подхода об усредненных частицах, о диффузии, теплопроводности в принципе не применимы [5,7]. Сложность теоретического описания состоит также в том, что задача является самосогласованной: высокоэнергетическая часть ФРЭ определяет пространственное распределение ионизации и, соответственно, профиль потенциала плазмы, который в свою очередь, определяет вид ФРЭ.

Значительный прогресс в теории неоднородных областей газового разряда достигнут благодаря применению принципов нелокальной кинетики электронов [5,76]. В основе этой концепции лежит предположение о том, что именно нелокальный характер ФРЭ определяет немонотонный вид плазменных профилей, в том числе и формирование потенциальной ямы для тепловых электронов и обращения знака электрического поля в плазме N0 и В зависимости от приведенной длины разряда рЬ образуются одна или две точки обращения поля; от этого зависит знак анодного падения.

Несмотря на длительную историю изучения тлеющего разряда, физические процессы в отдельных частях разряда недостаточно изучены. В особенности это относится к катодным областям. Нет четкого представления зависимости параметров разряда от режима работы газоразрядного прибора. Недостаточно экспериментальных данных распределений параметров плазмы в катодных областях и почти отсутствует анализ этих данных с точки зрения нелокальной кинетики [15]. Между тем это важно для развития теории разряда и его практического использования. Поэтому комплексное изучение

физических свойств прикатодных областей тлеющего разряда и создание соответствующей теоретической модели являются актуальными направлениями развития современной физики газового разряда.

В данной работе проведено экспериментальное исследование короткого тлеющего разряда (без положительного столба) в атомарном (гелий) и молекулярном (азот) газах. Исследована структура прикатодной области исследуемых разрядов. Рассмотрено формирование неоднородных плазменных профилей газоразрядной плазмы в катодных областях тлеющего разряда низкого давления в гелии и азоте. Проведен одномерный теоретический анализ и предложена самосогласованная модель прикатодных областей исследуемых тлеющих разрядов с учетом нелокальной кинетики электронов в пренебрежении потерей энергии при упругих ударах.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Прохорова, Елена Игоревна

Основные результаты и выводы:

С целью определения структуры прикатодных областей коротких (без положительного столба) тлеющих разрядов в атомарном (гелий) и молекулярном (азот) газах и проверки их нелокальной модели выполнено измерение параметров прикатодных областей этих разрядов. Исследование включало измерение потенциала пространства, функции распределения электронов, концентрации заряженных частиц и излучения разряда, а также расчет этих величин, их сравнение с экспериментальными данными и развитие нелокальной теоретической модели.

1) Впервые обнаружено наличие двух типов структуры катодных областей. При малом параметре рЬ на профиле потенциала пространства наблюдается потенциальная яма. При большем значении параметра рЬ потенциальная яма явно экспериментально не регистрируется. Наблюдается участок постоянства потенциала плазмы.

Наличие потенциальной ямы для электронов при низких давлениях обусловлено тем, что плотность диффузионного тока превышает плотность разрядного тока, в связи с чем возникает обратное поле, чтобы выполнялось уравнение непрерывности. При этих давлениях столкновений электронов с атомами и молекулами газа мало. Следовательно, диффузионный поток большой и необходимо большое обратное поле, поэтому потенциальная яма должна быть достаточно глубокой (порядка температуры электронов). При повышении давления газа увеличивается число столкновений. В связи с этим увеличивается сопротивление диффузионному потоку, следовательно, сам поток становится мал. Таким образом, требуется меньшее обратное поле и область обратного поля будет значительно короче. В этом случае явно экспериментально яма может не регистрироваться при условии Здифф > ^. При условии ]дифф < ]раф существование ямы не является необходимым.

2) Установлено, что измеренные по второй производной зондового тока функции распределения электронов в медленной части являются максвелловскими с температурой менее одного еУ. Этот факт объясняется кинетической моделью тлеющего разряда постоянного тока, основанной на нелокальной ионизации газа электронами, набравшими свою энергию в катодном слое, которая предсказывает наличие трех групп электронов: быстрые, промежуточные и медленные (запертые в потенциальной яме). Группа медленных электронов состоит из запертых электронов, энергии которых ниже потенциала второй точки обращения поля (или потенциала анода в коротком разряде). Эти электроны не участвуют в переносе тока и остывают до температуры порядка комнатной. Максимум концентрации электронов соответствует дну потенциальной ямы. Электронный ток в фарадеевом темном пространстве переносится промежуточными электронами с энергиями меньше энергии возбуждения атомов.

3) Показано, что результаты измерения функции распределения промежуточных электронов вдоль оси разряда согласуются в нелокальном режиме с расчетами, основанными на решении кинетического уравнения Больцмана с нулевым граничным условием на аноде.

4) Обнаружено, что свечение разряда максимально на границе слой -плазма. Это объясняется тем, что возбуждение и ионизация в отрицательном свечении обусловлены быстрыми электронами, ускоренными сильным полем в катодном слое. Их энергия намного превосходит энергии возбуждения и ионизации атомов. Ионизация атомов экспоненциально растет по мере удаления от катода, достигая максимума вблизи границы слой - плазма.

5) Показано, что предложенные теоретические модели с учетом нелокальной кинетики электронов справедливы как в атомарном, так и в молекулярном газах. В молекулярном газе длина NG, также как и в атомарном, определяется пробегом быстрых электронов, набравших свою энергию в катодном падении, и слабо зависит от характеристик медленных и промежуточных электронов.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с предложенной моделью прикатодных областей тлеющего разряда, основанной на нелокальной ионизации газа электронами, набравшими свою энергию в катодном слое.

В заключение выражаю глубокую благодарность за приятное и плодотворное сотрудничество, поддержку при подготовке диссертации и многие полезные советы Цендину Л.Д., Вагнеру С.Д., соавторам статей Кудрявцеву A.A., Нисимову С.У. и научному руководителю Слышову А.Г.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Прохорова, Елена Игоревна, 2011 год

Литература

1. Блиндерман М.С. Катодные части тлеющего разряда (современное состояние вопроса). М.: Институт проблем механики Академии наук СССР, препринт №216, 1983

2. Kolobov V.l., Tsendin L.D. Phys. Rev. A. Vol. 46. № 12. p.7837-7852, 1992

3. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. M.: Наука, 1987

4. Проблемные вопросы прикатодных частей тлеющего разряда. Б.А. Тимеркаев, З.Х. Исрафилов. - Казань.: Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, № 1, 1999.

5. Голубовский Ю.Б., Кудрявцев A.A., Некучаев В.О., Порохова И.А., Цендин Л.Д. Кинетика электронов в неравновесной газоразрядной плазме. СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 2004

6. Кудрявцев A.A., Смирнов A.C., Цендин Л.Д. Физика тлеющего разряда. СПб: Изд-во Лань, 2010

7. Цендин Л.Д. Нелокальная кинетика электронов в газоразрядной плазме, УФН, Том 180, №2, 2010

8. Грановский В.Л., Электрический ток в газе, Установившийся ток. M.: Наука, 1971

9. Капцов H.A., Электрические явления в газах и вакууме. М.: Гостехиздат, 1950

Ю.Леб Л., Основные процессы электрических разрядов в газах. М.:

Гостехиздат, 1950 11.Энгель А., Ионизованные газы. M.: Физматгиз, 1959 12.Maxwell J.C., Philos. Trans. R. Soc. Tond, 170, 231, 1879 B.Maxwell J.C. Cambr. Philos. Soc. Trans. 12, 547-575, 1879 H.Maxwell J.C. The Scientific Papers Vol.2, Cambridge: Univ. Press p.713-741, 1890

15.Райзер Ю.П. Современный уровень понимания явлений в катодных частях тлеющего разряда. Теплофизика высоких температур, Т.24, №5, с.984-994, 1986.

16.Больцман JI. Лекции по теории газов, М.: ГИТТЛ, 1953

17.Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П., Физическая кинетика, М.: Наука, 1979.

18.Лоренц Г.А. Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения 2-ое изд., М: ГИТТЛ, 1953

19.Чепмен С., Каулинг Т., Математическая теория неоднородных газов, М.: ИЛ, 1960

20.Швейгерт В.А., Швейгерт И.В. К теории прикатодной области тлеющего газового разряда. Теплофизика высоких температур, Т.27, №1, с.23-29, 1989.

21.Ландау Л.Д., ЖЭТФ, 16, 574, 1946

22.Sagdeev R. Z., Usikov D.A., Zaslavsky G.M. Nonliear Physics: from the Pendulum to Turbulence and Chaos, New York: Harwood Acad. Publ., 1988

23.Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе A.A. Основы электродинамики плазмы, М.: Высшая школа, 1988

24.Биберман Л.М., Воробьев B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы, М.: Наука, 1982

25.Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. Математическое моделирование самостоятельного тлеющего разряда в двумерной постановке. М.: Институт проблем механики Академии наук СССР, препринт №304, 1987.

26.Loeb L.B. Kinetic theory of gases 2nd ed., New York: McGraw-Hill, 1934

27.Langmuir I., Mott-Smith H., General Electric Review, 27, 1924; in The Collected Works of Irving Langmuir Vol.4, (ed. Ch.G. Suits), Oxford: Pergamon Press, 1960

28.Druyvesteyn M.J., Physica, 10, 61, 1930

29.Druyvesteyn M.J., Physica, 1, 1003, 1934

30.Druyvesteyn M.J., Physica, 3, 65, 1936

31.Cravath A.M., Phys.Rev., 36, 248, 1930

32.Cravath A.M., Phys.Rev., 46, 332, 1934

33.Тгап Ngoc An, Marode E., Jonson P.C. Monte Carlo simulation of electrons within the cathode fall of glow discharge in helium. J. Phys. D: Appl. Phys., Vol.10, p.2317, 1977

34.Швейгерт B.A., Швейгерт И.В. Математическое моделирование прикатодной области стационарного тлеющего самостоятельного газового разряда. Журн. прикл. механики и техн. физики, с. 16-23, 1988

35.Энгель А., Штеенбек М. Физика и техника электрического разряда в газах. Т.2. М.; Л.: ОНТИ, 1936

36.Карнюшин В.Н., Солоухин Р.И. Макроскопические и молекулярные процессы в газовых лазерах, М.: Атомиздат, 1981

37.Loeb L.B. Fundamental Processes of Electrical Discharge in Gases, New York: J. Wiley, 1939

38.Loeb L.B., Basic Processes in Gaseous Electronics, Berkeley, Calif.: Univ. of Calif. Press, 1955

39.Gill P., Webb C.E. Negative glow energy distribution and their velevance to hollow cathode lasers. J. Phys. D: Appl. Phys., Vol.10, p.299, 1977

40.Schottky W. Phys. Z. 25, 342, 1924

41.Schottky W. Phys. Z. 25, 635, 1924

42.Schottky W. Phys. Z. Phys. Rev. 28, 74, 1926

43.Кудрявцев A.A., Морин A.B., Цендин Л.Д. ЖТФ, 78(8), 71-82, 2008

44.Thomson J.J. Philos. Mag. 6, 18, 441, 1909

45.Pringle D.H., Farvis W.E. J. Proc. Phys. Soc. B68, 836 - 848, 1955

46.Gottscho R.A. et al. Phys. Rev., A40, 6407-6414, 1989

47.Langmuir I. Phys. Rev. 26, 585, 1925

48.Emeleus K.G. Proc. Cambr. Phylos. Soc. 23, 531-541, 1927

49.Emeleus K.G., Harris N.L., Philos. Mag. 7, 4, 49-64, 1927

50.Emeleus K.G., Brown W.L., Philos. Mag. 7, 7, 17-31, 1929

51 .Emeleus K.G., Brown W.L., Cowan H.McN. Philos. Mag. 7, 17, 146-160, 1934

52.Платонов A.A., Слышов А.Г., Цендин Л.Д., Вагнер С.Д. ЖТФ, 76(7), 2226, 2006

53.Boyd R.L.F., Twiddy N.D. Proc. R. Soc. bond. A250, 53-69, 1959

54.Boyd R.L.F., Twiddy N.D. Proc. R. Soc. bond. A259, 145-58, 1960

5 5. Ray ment S.W., Twiddy N.D. J. Phys. D2, 1747, 1969

5 6. Ray ment S.W. J. Phys. D7, 871-879, 1974

57.Федоров В.Л. ЖТФ, 55, 926, 1985

58.Woods R.C., Sudit I.D. Phys. Rev., E50, 2222-2238, 1994

59.Arslanbekov R.R., Khromov N.A., Kudryavtsev A.A. Plasma Sources Sei. Technol.,3, 528-538, 1994

60.Каган Ю.М., в сб. Спектроскопия газоразрядной плазмы (Отв. ред. Фриш С.Э.), Л.: Наука, 1970, с. 201-223

61.Каган Ю.М., Перель В.И. УФН, 81, №3, 409, 1963

62.Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев A.A. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1996

63.Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979

64.Благоев А.Б., Каган Ю.М., Колоколов Н.Б. ЖТФ, Т.45, с.579-585, 1975

65.Волкова Л.М., Демидов В.И, Колоколов Н.Б. ЖТФ, Т.53, с.913-914, 1983

66.Демидов В.И, Колоколов Н.Б. ЖТФ, Т.51, с.888-891, 1981

67.Благоев А.Б, Демидов В.И, Колоколов Н.Б, Торонов О.Г. ЖТФ, Т.51, с.2022-2027, 1981

68.Волкова Л.М, Демидов В.И, Колоколов Н.Б. Теплофиз. высоких температур, Т.22, с.757-763, 1984

69.Демидов В.И, Колоколов Н.Б, Торонов О.Г. ЖТФ, Т.54, с.388-391, 1984

70.Fiala A, Pichford L.C, Boeuf J.P. Phys. Rev. E.49, 6, p.5607-5622, 1984

71.Кудрявцев A.A., Нисимов С.У, Прохорова Е.И, Слышов А.Г. Письма в ЖТФ, Т.37, №17, с. 104-110, 2011

72.Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Интеллект, 2009

73.Peres I., Quadoudi N., C.Pichford L., Boeuf J.P. J. Appl. Phys., V.72, p.4533, 1992

74.Kudryavtsev A.A., Ledyankin A.I. Physica Scripta, V.53, p.597-602, 1996

75.Демьянов A.B., Жданок С.А., Кочетов И.В., Напартович А.П., Певгов В.Г., Старостин А.Н. ПМТФ, №3, с.5, 1981

76.Kortshagen U., Tsendin L.D. Electron Kinetics and Applications of Glow Discharges. Plenum Press, New York, 1998

77.Голант B.E., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977

78.А.А. Кудрявцев, Е.М. Попугаева, С.У. Нисимов, Е.И. Прохорова, А.Г. Слышов. XXXVIII Междунар. конф. по физике плазмы и УТС, Звенигород, с.295, 2011