Введение к работе
Актуальность работы
Тлеющий разряд является объектом постоянного внимания [1], поскольку он широко используется в практических приложениях (газовые лазеры, источники света, устройства для синтеза углеродных нанотрубок, плазменной обработки поверхностей, стерилизации медицинских инструментов и т. п.) и является удобным физическим объектом для научных исследований. Несмотря на длительную историю исследования тлеющего разряда, в настоящее время нет единого взгляда на формирование разряда, нет четкого представления зависимости параметров разряда от режима работы газоразрядного прибора.
Традиционно описание газоразрядной плазмы строилось на основе гидродинамического подхода, оперирующего усредненными характеристиками частиц. Однако такое приближение не может полно описать многие явления в газовых разрядах особенно в тех случаях, когда существенна неоднородность плазмы [3, 6].
Более же точный кинетический анализ был ограничен в основном однородной плазмой; учет же ее неоднородности выполнялся в основном в рамках численных расчетов [10, 11]. Значительный прогресс в теории неоднородных областей газового разряда достигнут благодаря применению принципов нелокальной кинетики электронов [2, 3, 5, 6].
До настоящего времени физические процессы в отдельных частях разряда недостаточно изучены. В особенности это относится к катодным областям. До сих пор были наиболее распространены два подхода к формированию катодной области тлеющего разряда [1-5]. Недостаточно экспериментальных данных о распределении параметров плазмы в катодных областях и почти отсутствует анализ этих данных с точки зрения нелокальной кинетики. Между тем это важно для развития теории раз-
ряда 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.
Цель работы
Измерение параметров прикатодных областей коротких (без положительного столба) тлеющих разрядов в атомарном (гелий) и молекулярном (азот) газах с целью исследования структуры их прикатодной области.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Экспериментальное исследование физических характеристик (пространственное распределение потенциала плазмы, функции распределения электронов по энергиям и координатам, концентрации заряженных частиц, излучения разряда) прикатодных областей исследуемых разрядов в гелии и азоте.
Проведение теоретического анализа и создание самосогласованной модели прикатодных областей исследуемых разрядов на основе нелокальной кинетики электронов.
Научная новизна работы
1) Проведено экспериментальное исследование коротких (без положительного столба) тлеющих разрядов в атомарном (гелий) и молекулярном (азот) газах. На основании полученных данных впервые установлено наличие двух режимов существования разряда:
а) При малом параметре pL (р — давление газа, L — расстояние между катодом и анодом) на профиле потенциала плазмы наблюдается потенциальная яма.
б) При большем значении параметра pL потенциальная яма явно экспериментально не регистрируется.
Установлено, что для режима б) существует темная область в разряде между отрицательным свечением и анодом. Эта область имеет черты как фарадеева темного пространства (отсутствие свечения), так и положительного столба (практически постоянное прямое поле).
На основании выбранных моделей прикатодных областей тлеющего разряда проведены одномерные расчеты пространственного распределения параметров плазмы (функции распределения электронов, концентрации заряженных частиц, потенциала) и их сравнение с экспериментальными данными. Показано, что использованные модели прикатодных областей тлеющего разряда, основанные на нелокальной ионизации электронами, набравшими свою энергию в катодном слое, справедливы как в атомарном, так и в молекулярном газах.
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты экспериментальных исследований пространственных распределений параметров плазмы (потенциала, функции распределения электронов, концентрации заряженных частиц, излучения разряда) исследуемых разрядов.
Модель катодной области тлеющего разряда, основанная на нелокальной ионизации газа электронами, набравшими свою энергию в катодном слое, и ее сопоставление с экспериментальными данными.
Анализ экспериментальных результатов на основе кинетической и гибридной (гидродинамической с учетом кинетики электронов) моделей прикатодных областей. Применимость рассмотренных моделей для атомарного и молекулярного газов.
4) Анализ двух впервые обнаруженных режимов существования разряда:
а) При малом параметре pL на профиле потенциала плазмы
наблюдается потенциальная яма.
б) При большем значении параметра pL потенциальная яма
явно экспериментально не регистрируется.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на всероссийских с международным участием и международных конференциях: «Физика плазмы и плазменные технологии» (Минск, 2003, 2006, 2009), «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 2004, 2011), «Symposium on Plasma Physics and Technology» (Прага, 2004, 2010), «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб., 2007), «Международная конференция по физике плазмы и УТС» (Звенигород, 2011).
Публикации
Результаты диссертационной работы опубликованы в двух рецензируемых журналах, в том числе одна статья в журнале из списка ВАК, и в материалах восьми международных и российских конференций.
Личный вклад автора
Основные результаты работы, их обработка и интерпретация получены самим автором либо при его непосредственном участии. Анализ результатов, их обобщение и интерпретация выполнены в соавторстве.
Объем и структура диссертации
