Содержание к диссертации
Введение
ГЛВА 1. Физические процессы в тлеющем разряде и их влияние на свойства поверхности обрабатываемых материалов. состояние вопроса и постановка задачи исследований 9
1.1. Физические процессы в тлеющем разряде 9
1.1.1. Структура тлеющего разряда 9
1.1.2. Катодное падение потенциала 12
1.1.3. Аномальный тлеющий разряд 15
1.1-4. Общие подходы к описанию тлеющего разряда 17
1.1.5. Переход от тлеющего разряда к дуговому. 20
1.1.6. Воздействие импульсов высокого напряжения на газоразрядный промежуток 22
1.2. Изменение свойств поверхности материалов под действием тлеющего разряда 25
1.2.1. Очистка поверхности материалов в плазме тлеющего разряда 26
1.2.2. Изменение структуры поверхностных слоев материалов под действием тлеющего разряда. Физико-химические процессы при ионном азотировании 32
1.3. Повышение эффективности процессов модификации поверхности материалов в плазме тлеющего разряда 38
1.4. Постановка задачи исследований 46
ГЛАВА 2. Влияние переменного электрического поля на уравнения движения заряженных частиц. тлеющий разряд 49
2.1. О силах, действующих на заряженную частицу в переменном неоднородном электрическом поле 49
2.2. Влияние переменного электрического поля на тлеющий разряд 53
2.3. Катодный слой тлеющего разряда (одномерный случай) 57
2.4. Действие импульсов напряжения на тлеющий разряд 59
2.5. Об особенностях ускорения положительных ионов в катодном слое ... 62
2.6. Энергия ионов и электронов в катодном слое 64
2.6.1. Энергия положительных ионов на катоде 65
2.6.2. Энергия электронов в катодном слое 70
2.6.3. Обсуждение результатов 73
2.7. Выводы : 74
ГЛАВА 3. Исследование воздействия импульсов высокого напряжения на газоразрядный промежуток и влияния сильных импульсных полей на обработку материалов в тлеющем разряде 79
3.1. Конструкция и электрическая схема генератора мощных высоковольтных импульсов 79
3.2. Исследование воздействия импульсов высокого напряжения на газоразрядный промежуток 94
3.3. Влияние сильных импульсных полей на процессы, протекающие на катоде в тлеющем разряде 103
3.3.1. Активация поверхности полиэтилена 103
3.3.2. Ионное азотирование стали 110
3.4. Выводы 112
ГЛАВА 4. Моделирование процессов ионизации в плазме тлеющего разряда 117
4.1. Математическая модель ионизационных процессов в газоразрядной
4.2. Расчет характеристик тлеющего разряда 121
4.2.1. Стационарный тлеющий разряд 123
4.2.2. Импульсный разряд 127
4.3. Выводы 130
Заключение 132
Литература 135
- Воздействие импульсов высокого напряжения на газоразрядный промежуток
- Повышение эффективности процессов модификации поверхности материалов в плазме тлеющего разряда
- Об особенностях ускорения положительных ионов в катодном слое
- Исследование воздействия импульсов высокого напряжения на газоразрядный промежуток
Введение к работе
Газоразрядная плазма пониженного давления постепенно находит все более широкие технологические применения. Прежде всего, речь идет о разнообразных процессах обработки поверхностей, цель которых модифицирование поверхностных свойств материалов в широком смысле этого слова. Известны применения плазмохимических методов в технологии микроэлектроники, где плазменное воздействие используется для очистки кремниевых пластин, удаления фоторезиста, избирательного травления слоев оксидов и нитридов, осаждения таких слоев, выполняющих защитные и изолирующие функции. В металлообработке плазменные методы применяются для придания поверхности металлических изделий повышенной твердости, стойкости к истиранию, химической устойчивости. С этой целью создаются тонкие поверхностные слои оксидов, нитридов, карбидов и других соединений. В последние два десятилетия плазменная обработка получила промышленное применение для обработки синтетических и природных полимерных материалов. Обработка полимерных пленок позволяет значительно улучшить их адгезионные свойства, что важно в процессах окраски, печатания, получения композиционных материалов. Такие же цели достигаются обработкой изделий из пластмасс в ряде отраслей промышленности, таких как автомобилестроение. Обработка тканей из природных материалов (хлопок, лен, шерсть, шелк), а таюке смесовых тканей и тканей из синтетических материалов позволяет значительно улучшить их гидрофильность, а тем самым улучшить характеристики процессов окраски, печатания, отбеливания. Плазменные методы позволяют исключить такие технологические процессы в отделочном производстве текстильной промышленности, которые используют экологически опасные реактивы (например, хлоридные методы обработки льняных и шерстяных тканей).
Нужно отметить, что рассмотренные выше многочисленные возможности технологических применений газоразрядной плазмы пониженного давления в промышленности используются гораздо меньше, чем они того заслуживают. Причина этого в конечном итоге в недостаточной изученности реагирующей плазмы. Несмотря на очень большой объем исследований процессов плазменного модифицирования поверхностей, как изготовление плазмохимических реакторов, так и оптимизация технологических процессов производится практически полностью на основе эмпирических данных. Не существует инженерных методов расчетов плазмохимических реакторов и технологических процессов. Сложность их создания в сложности самой системы - неравновесной химически реагирующей плазмы. Такая плазма является самосогласованной системой с «химической» обратной связью. Самосогласованность стационарной плазмы проявляется в том, что параметры всех зон газового разряда устанавливаются такими, чтобы удовлетворялись балансовые соотношения процессов с участием заряженных частиц, т.е. свойства как зоны плазмы, так и приэлектродных областей таковы, чтобы обеспечивалось прохождение требуемого тока разряда. Процессы, определяющие технологическую активность плазмы, в этом смысле оказываются вторичными. Эти процессы различаются в разных технологических системах. Однако можно выделить два класса таких систем. В таких случаях, как модифицирование полимерных материалов и обработка кремниевых пластин в технологии микроэлектроники, инициирующими процессы частицами являются образующиеся в объеме плазмы свободные атомы, радикалы, возбужденные молекулы, кванты УФ-излучения. В то же время модифицирование поверхностей металлов в очень существенной степени определяется ионной бомбардировкой, зависит от энергии бомбардирующих поверхность ионов и тем самым от величины катодного падения потенциала. Эффективность активационных процессов в объеме плазмы в свою очередь есть функция напряженности поля в зоне плазмы. Ни катодное падение потенциала, ни напряженность поля в плазме невозможно регулировать независимо от других параметров разряда, что существенно ограничивает возможности регулирования технологических процессов и достижения их высокой эффективности. Поиск решения этой проблемы возможен на пути комбинации стационарных разрядов с переменными гармоническими или импульсными полями, накладываемыми на зону разряда от независимых внешних источников. Еще в 30-х годах были выполнены работы, в которых доказывалось возрастание скорости протекающих в объеме плазмы процессов при наложении на постоянное поле высокочастотного. Известная идея наложения импульсных полей заключается в том, что если длительность импульсов меньше времени, необходимого для установления стационарного состояния плазмы, то напряженность поля в импульсе может быть много больше напряженности поля в стационарной плазме, что дает потенциальную возможность ускорения процессов, инициируемых электронными ударами. Следует, однако, указать, что ни наложение высокочастотных полей, ни использование импульсных напряжений не было исследовано ни теоретически, ни экспериментально. При этом важно то, что стационарное поле в плазме, как правило, является пространственно неоднородным, причем не только в катодной области, но и в положительном столбе. Это ставит задачу исследований движения заряженных частиц в плазме при одновременном воздействии неоднородных постоянного и переменного полей.
Целью диссертационной работы явилось исследование влияния наложения внешнего переменного электрического поля на свойства тлеющего разряда низкого давления.
Научная новизна работы заключается в следующем: теоретически исследовано движение заряженных частиц в плазме в условиях одновременного действия неоднородных постоянного и переменного гармонического полей, проанализированы условия возникновения и величина дополнительных сил, действующих на заряженные частицы в этих условиях; для случая движения положительных ионов в катодной области тлеющего разряда найдено влияние наложения гармонического поля на энергию ионов, бомбардирующих катод и ее зависимость от частоты внешнего поля; - экспериментально исследовано влияние величины напряженности внешнего импульсного электрического поля на энергию ионов, бомбардирующих катод тлеющего разряда; развита модель тлеющего разряда сферической геометрии, позволяющая рассчитывать распределение потенциала в стационарных условиях и динамику его изменения при наложении внешних переменных полей; экспериментально показана возможность ускорения процессов модифицирования поверхностей полимерных материалов и металлов путем наложения импульсного напряжения на зону стационарного тлеющего разряда.
Практическая ценность работы состоит в использовании разработанной методики реализации путей управления энергией ионов при модификации поверхности материалов в плазме тлеющего разряда. Полученные результаты нашли применения: в разработке способов обработки поверхностей материалов, позволяющих повысить интенсивность процессов и степень модифицирования поверхности полимерных материалов и металлов путем наложения внешних импульсных полей на стационарный тлеющий разряд.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечена использованием современной экспериментальной техники, методов математической физики, математического моделирования ионизационных процессов с использованием вычислительной техники.
Постановка настоящего исследования была предусмотрена планами НИР ИГЭУ согласно Федеральной целевой программе «Интеграция» по проекту «Развитие совместного учебно-научного центра Ивановского государственного энергетического университета и Института химии растворов РАН (1998-1999 г.г.)».
По теме диссертации опубликовано 19 статей и тезисов докладов на Международных и Всероссийских конференциях и семинарах.
Воздействие импульсов высокого напряжения на газоразрядный промежуток
Однако развитие дуговых процессов недостаточно рассматривать с точки зрения только термоэлектронной эмиссии. Был предложен ряд гипотез для объяснения работы катода дугового разряда с металлическими электродами [6]. Исключая обычную термоэлектронную эмиссию, наиболее распространенной точкой зрения является электронная эмиссия под воздействием сильного электрического поля (автоэлектронная эмиссия). Предполагается, что такое поле возникает из-за большого пространственного заряда положительных ионов, отстоящего на расстоянии средней длины свободного пробега от катода. Вариантом этой гипотезы является совместное действие электрического поля и температуры. Выдвигались предположения о том, что локальные поля, обусловленные шероховатостями поверхности, могут быть на самом деле намного больше, или что эмиссионные константы, используемые в расчетах, относятся к чистым металлам, в то время как поверхность катодов в разряде может быть покрыта какими-либо слоями, увеличивающими эмиссию. Другие предположения заключаются в том, что термическая ионизация раскаленных газов над катодным пятном создает нужные плотности заряженных частиц. Катод притягивает положительные ионы, которые обусловливают ток в области катодного падения.
Более детально физические процессы, приводящие к возникновению пробоя, рассмотрены в [18-21]. Они таковы. 1. Автоэлектронная эмиссия. Автоэмиссионный ток, протекая через микроострия на катоде, вызывает его разогрев, плавление и испарение, что в конечном итоге ведет к пробою. С другой стороны, электроны, ускоренные в вакуумном промежутке, передают энергию участку поверхности анода, вызывая его разогрев и испарение, что также может вызвать развитие пробоя промежутка. 2. Взаимная вторичная эмиссия электронов, ионов и фотонов. 3. Частицы металла или. загрязнений, слабо связанные с электродами, под действием приложенного к промежутку напряжения могут отрываться от одного из них и при ударе о противоположный электрод создавать условия для пробоя (нагрев и испарение частицы, деформация поверхности электрода). Пробой может возникнуть при подлете частицы к электроду за счет появления поджигающего разряда между электродом и частицей. Кроме того, испарение частицы в полете под действием тока автоэлектронной эмиссии также может создать условия для пробоя промежутка. 4. Неметаллические включения и пленки на катоде могут стать эффективными эмиссионными центрами, а их пробой может сыграть роль поджигающего разряда. 5. Десорбция газов с поверхности электродов может способствовать возникновению газового разряда с последующим переходом к пробою промежутка. Описанные выше процессы характерны для вакуумного пробоя при небольших длинах вакуумных зазоров (миллиметры, доли миллиметров) и при низких давлениях (10"5 - 10 3 Торр), когда определяющюю роль играют процессы на электродах. В технологических установках для обработки в тлеющем разряде используются давления порядка 10" - 10 Торр и расстояния между электродами в несколько десятков сантиметров. Подробно механизм развития разряда рассмотрим для случая приложения к электродам газоразрядного промежутка импульсов высокого напряжения.
При импульсном пробое газоразрядный промежуток может выдерживать напряжение, превышающее пробивное [22]. Перенапряжения в значительной степени определяют механизм пробоя, и в зависимости от условий нарастания числа носителей в одиночной электронной лавине разряд может развиваться по таунсендовскому либо стримерному механизму [22-24].
Отличительным признаком таунсендовского механизма пробоя является то, что объемный заряд одиночной лавины практически не искажает электрического поля в промежутке, т. е. число электронов в лавине меньше некоторого критического Л :
Должно также выполняться условие самостоятельности разряда смысл которого в том, что при одиночной электронной лавине в результате вторичных процессов, характеризующихся коэффициентом у, на катоде возникает хотя бы один вторичный электрон, дающий начало новой электронной лавине. При выполнении условий (1.24) и (1.25) начальная фаза пробоя обусловлена большим числом следующих друг за другом электронных лавин, а параметр р. показывает, во сколько раз число электронов в каждой последующей лавине больше, чем в предыдущей. Поскольку вторичные лавины возникают произвольно на различных участках катода, то данный механизм в большинстве случаев приводит к объемному протеканию тока в стадии запаздывания пробоя и в первые моменты времени после резкого спада напряжения. При низких давлениях в результате формируется стационарный тлеющий разряд. Критерием стримерного пробоя является соотношение
Когда число электронов достигает NKp, для лавины характерна совокупность признаков, при которых может протекать стримерный разряд [23, 24]. Пространственный заряд лавины становится достаточным, чтобы электрическое поле внутри нее было сравнимо с внешним полем и направлено противоположно ему, а поле на "головке" и на "хвосте" лавины оказывается усиленным. Лавина излучает достаточно фотонов для фотоионизации газа в области усиленного поля.
Повышение эффективности процессов модификации поверхности материалов в плазме тлеющего разряда
Активация поверхности материалов происходит в основном за счет бомбардировки положительными ионами и не связана со структурными изменениями поверхностных слоев. Как было показано выше, при увеличении энергии ионов существенными становятся процессы дефектообразования и имплантации ионов в обрабатываемый материал. С этими процессами связаны высокое напряжение на электродах газоразрядной камеры и высокая степень аномальности разряда. Характерным примером процессов, при которых происходят физико-химические изменения структуры поверхности является ионное азотирование металлов.
Ионное азотирование - это метод азотирования (диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом) в низкотемпературной плазме тлеющего разряда. Азотирование широко применяется в различных отраслях промышленности для повышения долговечности и надежности многих ответственных деталей и инструментов. При этом повышаются твердость, прочность, износостойкость, задиростойкость, сопротивление усталости и коррозии сталей и сплавов [47].
По сравнению с традиционным газопечным азотированием ионное азотирование имеет целый ряд преимуществ и дополнительных технологических возможностей. Азотирование в плазме тлеющего разряда обеспечивает получение диффузионных слоев заданной структуры и свойств на сталях (конструкционных, инструментальных и специального функционального назначения), чугунах и сплавах цветных металлов, в том числе тугоплавких.
К основным преимуществам ионного азотирования (по сравнению с газопечным) относятся [47]: 1) уменьшение по времени диффузионного процесса в 2 -3 раза, а общего времени технологического цикла обработки - в 3 -5 раз; 2) возможность регулирования процесса насыщения с оптимизацией структуры и свойств диффузионной зоны с учетом условий эксплуатации конкретных изделий; 3) снижение хрупкости азотированного слоя; 4) уменьшение деформации изделий в процессе обработки; 5) сохранение высокой чистоты обработки поверхности; 6) исключение дополнительной депассивации за счет катодного распыления оксидных пленок и других загрязнений; 7) простота защиты от азотирования неупрочняемых поверхностей детали с помощью металлических экранов; 8) уменьшение удельного расхода электроэнергии в 1,5-2 раза; 9) сокращение расхода газа в 30 - 50 раз; 10) экологическая безопасность обработки и др. Процесс азотирования в тлеющем разряде запатентован в 1932 г. (автор Бернард Бергхауз, ФРГ), но его применение в промышленности стало возможным лишь в последние годы благодаря развитию науки и техники, в частности, после изобретения дугогасящего устройства для ограничения тока во избежание перехода аномального тлеющего разряда в дуговой. К настоящему времени имеет место большое количество научных работ, посвященных изучению процессов азотирования металлов с использованием тлеющего разряда [47-60].
Большинство исследователей сходятся на том мнении, что первоисточником всех процессов азотирования является молекулярный и атомарный азот [10, 61]. Примеси или добавки других элементов в газовой среде могут либо содействовать, либо препятствовать адсорбции азота насыщаемой поверхностью. Так, например, кислород, обладая наибольшим сродством электрону, адсорбируется на поверхности металлов более прочно, чем азот, и препятствует взаимодействию азота с поверхностью. Поэтому при нагреве металлов в воздушной среде протекает процесс окисления, а не азотирования. В связи с этим перед азотированием или другими процессами диффузионного насыщения оксидную пленку необходимо удалять механическим либо химическим путем: катодным распылением в тлеющем разряде; обработкой элементами, имеющими большее сродство к электрону, чем кислород (фтор, хлор, йод); восстановлением водородом при повышенных температурах и т.д.
При больших энергиях молекула может расщепиться на два атома, которые притягиваются поверхностью в результате присоединения свободных электронов металла к атомам азота, т.е. происходит хемосорбция (адсорбция частиц преимущественно в виде ионов), так называемая ионосорбция. Под действием хемосорбции в большинстве случаев происходит не только перераспределение электронной плотности, но и миграция на небольшие расстояния хемо-сорбированных ионов, вызывающая их пространственное распределение, близкое к кристаллической решетке нитридов. Так, в термодинамически обоснованных случаях могут возникать зародыши нитридных фаз.
Иной механизм хемосорбции будет при ионом азотировании, когда насыщаемая поверхность бомбардируется положительными ионами азота. При этом в исходной среде из чистого молекулярного азота хорошо азотируется железо и сталь после предварительного катодного распыления (очистки) насыщаемой поверхности. Во время ионного азотирования насыщаемая поверхность непрерывно бомбардируется и нагревается положительными ионами молекулярного и атомарного азота.
Об особенностях ускорения положительных ионов в катодном слое
Опыты с инваром LoEx42PH свидетельствовали, что износостойкость возрастала в 5 раз. В других опытах получено повышение износостойкости инструментальной стали и режущей керамики (оксид алюминия, армированный усами из карбида кремния). Продемонстрировано изменение электропроводности полимера Kapton-H.
При физическом моделировании процесса авторы исходили из того, что при подаче большого отрицательного потенциала к электроду (обрабатываемая деталь), находящемуся в плазме, вокруг него образовывалась особая плазменная оболочка. Эта оболочка представляла собой область между квазизаряженной нейтральной плазмой и электродом, при котором нейтральность зарядов нарушена. Эволюция оболочки играла основную роль в формировании ионного потока к электроду. В каждом цикле процесса ионной имплантации из плазмы авторы выделяли три периода. В исходном положении электрод находился при нулевом потенциале. Как только отрицательный потенциал устанавливался на электроде, электроны вырывались из региона вблизи электрода. Это быстрое выстреливание (первый период) протекало в масштабе времени обратной частоты ионно-плазменного эффекта Юре"1. В этот период движение ионов было пренебрежимым, так что электроны по мере удаления занимали область вокруг однородного ионного пространственного заряда. Здесь устанавливался потенциальный профиль, описываемый ионно-матричной моделью. Во второй период ионы ускорялись по направлению к электроду по мере прохождения сквозь ионно-матричную оболочку и с большой энергией достигали поверхности электрода (детали). Наконец, за третий период, равный нескольким Фре"1, происходило уменьшение плотности ионов в оболочке, вызванное соответствующим уменьшением плотности электронов и расширением границы оболочки примерно с акустической скоростью.
Для импульса длительностью больше , но достаточно короткого для того, чтобы плазменная оболочка не расширилась до стенок сосуда, энергия ионов практически равна их заряду, помноженному на приложенный потенциал. Толщина ионно-матричной оболочки была оценена из плотности плазмы, радиуса кривизны электрода и приложенного потенциала [83]. Последующее расширение оболочки зависело от электронной температуры и массы ионов. Для типичного случая азотирования цилиндра радиусом 1 см при потенциале 100 кВ начальная оболочка имела радиус 4 см и расширялась со скоростью 0,25 см/мкс. Длительность импульса должна быть достаточно короткой, чтобы оболочка не достигала стенок или другой оболочки (если обрабатывается несколько деталей). Например, при длине импульса 30 мкс оболочка расширится до радиуса 11,5 см.
Обращаясь к потенциальным энергетическим возможностям метода, следует отметить, что согласно предложенной физической модели наращивание энергии ионов напрямую связано с наращиванием потенциала киловольтного оборудования. Что касается величины ионного потока, то согласно [71] она пропорциональна плотности плазмы. Здесь, возможно, могут крыться значительные резервы. Действительно, эксперименты проведены в довольно разреженной плазме. Вероятно, при использовании постоянного тока существенно большей плотности плазмы тлеющего разряда достичь не удастся. Однако в работах последних лет, например [84], показано, что стабильная тлеющая плазма достижима при атмосферном давлении в особых условиях (структура электродов, частота колебаний электрического поля и др.). В частности, сотрудники Монреальского университета продемонстрировали создание атмосферной микроволновой плазмы в аргоне с 3% азота при частоте 2,45 ГГц [85]. Авторы работы [86] опубликовали результаты лабораторных экспериментов, в которых по сравнению с [71] плотность азотной плазмы за счет использования радиочастотного возбуждения повышена на порядок при увеличении давления в 5 раз.
В опытах использовали вакуумный сосуд из стеклянной сферы радиусом 14 см. Радиочастотную мощность (200 Вт при 13,5 МГц) подводили посредством двух электродов диаметром 20 см к противоположным сторонам сосуда. Плотность плазмы, измеряемой пробой Ленгмюра, превышала 3-Ю9 см"3. В этих условиях необходимости в использовании постоянного магнитного поля не было. К обрабатываемому образцу подавали импульсное отрицательное напряже-ние 20 кВ. Углеродный анод площадью 15 см размещался в 15 см от образца и на него подавался такой же потенциал 20 кВ. При плотности плазмы 2-Ю9 см"3 имплантация азота (энергия ионов 20кэВ) в образец из мягкой стали AS 1443-1973 протекала со скоростью 2-10 см" -с" при длительности импульса и паузы соответственно 80 и 600 мкс. За 10б импульсов набиралась доза порядка 1018 см"2 и, поскольку образец не охлаждали, его температура поднималась до 200-350 С. Испытания показали существенное увеличение твердости и износостойкости образцов.
Авторами [86] предпринята попытка провести процесс при еще более плотной плазме (3-10 см"), однако в этих условиях образовывалась дуга, которая вызывала эрозию образца. Предполагается, что этого можно избежать при увеличении потенциала на образце и уменьшении длительности импульса.
Таким образом, одним из направлений метода ионной имплантации из плазмы может быть повышение ионного потока за счет увеличения плотности плазмы тлеющего разряда при переходе к возбуждению токами высокой частоты.
Исследование воздействия импульсов высокого напряжения на газоразрядный промежуток
Мы исследовали воздействие переменного электрического поля на катодный слой тлеющего разряда. Получены выражения для времен пролета катодного слоя положительными ионами и электронами плазмы. Это время зависит от частоты внешнего поля и при больших частотах асимптотически приближается к времени пролета невозмущенной плазмы тлеющего разряда. То же сделано для скоростей ионов и электронов, т. е. получены выражения для скоростей ионов на катоде (в начале катодного слоя) и электронов в конце катодного слоя. Для ионов молекулярного азота построены графики зависимости времени пролета от частоты тдш) и относительного изменения кинетической энергии от частоты бйРДсо). Графики построены в предположении, что амплитуда внешнего электрического поля много меньше напряженности электрического поля на катоде (с%/Е0«1). Исследован случай, когда катодное падение фо = 250 В (нормальный тлеющий разряд), толщина катодного слоя х0 = 0,8 см, начальная скорость иона v0 = 500 м/сек. Никаких явных особенностей эти графики не содержат. Следует только отметить, что достоверными в рамках рассматриваемой здесь модели (приближение отдельных частиц) следует считать результаты для частот, удовлетворяющих условию (2.6.19). Особенности могут обнаружиться для электронов при исследовании зависимостей тДсо) и 5JFe().
Физические особенности в поведении ионов могут возникнуть в результате учета их взаимодействия с электронами. Способы возбуждения плазмы высокими и сверхвысокими частотами обсуждаются в [100]. Отметим в связи с этим следующее. В возмущенной плазме возможны различного типа волны. Если скорость заряженной частицы в плазме много меньше скорости волны, то она является источником связанного с ней переменного электрического поля. Известно, что действие высокочастотного электрического поля вызывает дополнительную ионизацию плазмы, что приводит к изменению ее параметров. Вопросы, связанные с ионизацией плазмы мы не рассматриваем вовсе.
Сформулируем основные результаты второй главы. 1. Мы показали, что на заряженную частицу в неоднородном осциллирующем поле JL{r)sin(Ot действует сила (2.1.11). Представление об этой силе справедливо в том случае, когда за период колебаний поля частица проходит расстояния, в пределах которых поле меняется незначительно, так что при разложении амплитуды поля в ряд можно ограничиться первым приближением. Полученное выражение для силы переходит при а = 0 в известное выражение (2.1.1). Если в (2.1.1) предположить, что частота поля со много больше частоты соударений частиц v, то получается выражение (2.1.3) для силы Гапонова-Миллера (другое название - сила высокочастотного давления [101]). 2. Если на стационарное поле Е(г) наложить внешнее осциллирующее поле 8{r)sinCut, то на заряженную частицу будет действовать дополнительная к #Е(г) сила вида (2.2.9), частным случаем которой при Е(г) = 0 является выражение (2.1.11). Сила (2.2.9) определяет способы изменения стационарного поля Е(г). 3. Мы исследуем случай, когда амплитуда внешнего поля постоянна и равна 4- Тогда (2.2.9) принимает вид (2.2.16): где коэффициенты аир задаются выражениями (2.2.8). Если частота внешнего поля со много больше частоты соударения частиц V, то из (2.7.1) получаем: 4. Таким образом дополнительная сила (2.6.1) действует там, где стационарное поле Е(г) неоднородно. Сильную неоднородность поле тлеющего разряда имеет в катодном слое. Рассмотрим действие отдельных членов дополнительной силы на электроны и положительные ионы катодного слоя, опираясь на ее представление (2.7.2). В катодном слое поле Е(г) направлено к катоду и резко падает в направлении от катода [1]. Положительные ионы в катодном слое движутся в направлении к катоду и для них Е направлен к катоду, поэтому описываемая первым членом (2.7.2) сила ускоряет, положительные ионы. Рассмотрим электроны. Они движутся в направлении от катода, поэтому Е направлен от катода и дополнительная сила, описываемая первым членом в (2.7.2), для электронов направлена к катоду и замедляет их. Итак, первый член в (2.7.2) ускоряет положительные ионы и замедляет электроны. Для тех и других сила, на них действующая, одинакова по величине и направлена к катоду. Перейдем теперь ко второму члену в (2.7.2). Он не зависит от знака заряда частицы и ее скорости и направлен в сторону усиления величины поля, т. е. к катоду. Таким образом, второй член в (2.7.2), так же, как и первый ускоряет положительные ионы и замедляет электроны, но поскольку он, в отличие от первого члена, зависит от массы частицы, то величина его для ионов будет значительно меньше, чем для электронов. Третий член в (2.7.2) устроен так же, как и второй, однако есть основания считать амплитуду малой по сравнению с полем (Еґ] и действием третьего члена пренебрежем. Считая в катодном слое поле однородным и меняющимся по линейному закону (2.3.6), можно привести выражение для дополнительной силы, действующей на заряженные частицы в катодном слое. Оно дается выражением (2.3.7) в предположении СО»V (трение отсутствует). Здесь обращает на себя внимание первый член, зависящий от скорости х частицы и по этой причине напоминающий силу линейного трения. Действительно, для электронов эта сила направлена против скорости электрона и действует как сила трения. Для положительных ионов она, напротив, действует в направлении движения иона и ускоряет его. Выражение (2.3.7) для дополнительной силы повторяет выражение (2.7.2) в предположении (2.3.6): первый член в (2.3.7) повторяет первый член в (2.7.2); вторые два члена в (2.3.7) повторяют второй член в (2.7.2), а последний член в (2.3.7) повторяет последний член в (2.7.2)
Похожие диссертации на Влияние внешних переменных электрических полей на свойства тлеющего разряда пониженного давления
