Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы низкотемпературная плазма нашла широкое применение как для решения целого ряда технологических задач, так и в практике научных исследопаний. Среди различных иидоп неравновесных плазменных систем особое место занимает "холодная" плачма низкого давления, которая характеризуется высокой энергией электронов и концентрацией возбужденных частиц при низкой газовой температуре. Сочетание таких качеств делает данный пид плазмы особенно привлекательным для направленного изменения свойств поверхности различных материалов, "чувствительных" к действию высоких температур.
В настоящее время п области технологического использования "холодной" плазмы сложилась ситуация, когда инженерные решения и практическая реализация опережают фундаментальные исследования, посвященные пониманию физико-химических закономерностей протекающих при этом процессов. Как правиле, остается неизвестным какие типы частиц плазмы ответственны за полезный эффект, оптимальны ли параметры плазмы с точки зрения генерации данных частиц и так далее. По этой причине оптимизация проводится в основном эмпирическим путем - методом проб и ошибок. Объективно, данное положение связано, во-первых, со сложностью самих реакций, протекающих в неравновесных условиях и, как следствие, со сложностью их исследования и, во-вторых, с тем, что плазма является самоорганизующейся системой физические характеристики которой, определяющие се химическую активность, сами зависят от инициированных ею химических превращений.
Таким образом, разработка подходов к описанию свойств низкотемпературной плазмы, которые позволили бы рассчитать ее ипутрсниие параметры (концентрации основных частиц, скорости их образования, электрические поля, газовые температуры и т.д.) на основе внешних (задаваемых) параметров (давления нлазмообразующего газа, тока разряда, геометрии реактора и т.д.) представляет несомненный теоретический и практический интерес.
Пе.п.к» работы янлялся анализ физических и химических процессов, протекающих в плазме разряда постоянного тока и кислороде и создание на базе
этого самосогласованной модели, позволяющей a priori рассчитать ее стационарные свойства. Научная новизна.
-
Для анализа состояния плазмы предложен системный подход, заключающийся в том, что единая плазменная система разбивается на подсистемы по принципу общности физико-химических процессов имеющих место в них.
-
Впсриые показано, что для описания плазмы Ог на уровне, который позволяет при задании давления, тока разряда, геометрии реактора рассчитать основные внутренние параметры плазмы необходимо рассматривать подсистемы электронного газа, колебательной кинетики основного состояния молекулы О:, образования и гибели заряженных частиц, кинетики реакций нейтральных частиц и тепловых источников.
-
Установлены те взаимосвязи между всеми подсистемами, которые являются наиболее существенными для реализации стационарного состояния плазмы.
-
На основе экспериментальных данных и их анализа обоснован набор сечений взаимодействия электронов с молекулой Ог, который непротиворечиво описывает параметры электронного газа как в условиях дрейфующих электронных роев, так и в условиях плазмы.
5. Впервые измерены скорости диссоциации молекул Ог, на основе которых
определены константы, обоснованы сечения и механизм процесса диссоциации.
6. Показано, что колебательно-возбужденные молекулы Ог(Х3Е8", V=5-6) играют
осноиную роль в гибели метастабилыюго состояния Ог(а'Д^ и определена
константа скорости этой реакции.
7. Проанализированы механизмы распределения энергии внешнего
электрического поля на осуществление различных реакций. Найдено, что ~50%
энергии выделяется в виде тепловой при гетерогенной гибели атомов кислорода
и молекул Ог(ЬЧ8+) на стенке реактора, а остальная часть переходит в
поступательную энергию в объеме за счет тепла химических реакций.
Практическая ценность иабогы. Учитывая, что плазма кислорода широко используется в микроэлектронике, для модификации поверхности различных материалов, для тестирования стойкости материалов к атмосферным воздействиям и условиям низких околоземных орбит, разработанная модель
может использоваться лля расчетов плазмохимических реакторов с целью выбора внешних параметров, обеспечивающих оптимальные услопия проведения процесса.
Апробации работы и публикации. По результатам работы опубликовано 3 статьи и тезисы семи докладов. Основные положения, результаты и выводы докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре "Плазмохимическая технология для изделий электронной техники" (Киев, 1991), на международных симпозиумах "Теоретическая и прикладная плазмохимия -ISTAPC-91, ISTAPC-95" (Рига,1991; Иваново, 1995), на международной конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994), на 8 международной конференции молодых ученых но химии и химической технологии (Москпа,РХТУ,1994 г.),на 12 международном симпозиуме по плазмохимии-ISPC-12 (США, Миннеаполис, 1995), а также на научно-технических конференциях ИГХТАс1991 по1996г.г.
Работа выполнялась по координационному плану Минвуза СССР "Ионно-импульсная технология", п.п. 5.24, 5.25; по научно-технической программе Комитета по высшей школе Миннауки РФ "Фундаментальные и прикладные проблемы взаимодействия плазмы с поверхностью", раздел 10.1, по программе "Университеты России" (И-е направление), а также пользовалась поддержкой грантов Госкомитета по делам науки, высшей школы и технической политики РФ (Санкт-Петербургский научный центр, 1992-1993 г. г.; Ярославский политехнический институт, 1993-1994 г.г.).
Структура и оСьсм работы. Диссертационная работа состоит из введения, 10 глав, выводов и библиографии. Общий объем диссертации составляет 177 страниц, включая 8 таблиц и 43 рисунка. Список литературы содержит 180 наименований.
