Введение к работе
Актуальность. В последние годы непрерывно расширяется круг исследуемых плазменных объектов в связи с широким применением неравновесной низкотемпературной плазмы в научных исследованиях и в современных технологических приложениях. Неравновесная плазма используется при создании источников излучения в различных спектральных диапазонах. В последнее десятилетие ведутся исследования по интенсификации процессов горения с помощью плазмы, активно изучается возможность воздействия низкотемпературной плазмы на пограничный слой и управление обтеканием тел воздушным потоком. Плазмохимические технологии демонстрируют во многих случаях существенные преимущества по сравнению с обычными химическими реакторами и позволяют получать вещества с новыми свойствами. При этом особый интерес представляют именно источники неравновесной плазмы, в которых термический механизм инициирования химических реакций заменяется на более тонкое селективное воздействие через процессы возбуждения квантовых состояний атомов и молекул при столкновении с электронами, их диссоциацию и ионизацию. Дальнейший прогресс и развитие плазменных технологий связаны с необходимостью управлять характеристиками плазмы, а это возможно только при условии глубокого понимания физики процессов, протекающих в плазменных источниках. Излучение плазмы несет важную информацию о ее состоянии и процессах в ней протекающих, поэтому проблема исследования излучающей неравновесной низкотемпературной плазмы является актуальной как с точки зрения решения фундаментальных проблем физики низкотемпературной плазмы, так и с точки зрения поиска оптимального решения технологических проблем.
Целью работы является изучение физических явлений и процессов, протекающих в исследуемых источниках неравновесной низкотемпературной плазмы, направленное на управление характеристиками такой плазмы. Задачи исследования низкотемпературной плазмы можно разделить на 'прямые' и 'обратные' в зависимости от их ориентации по отношению к причинно-следственной связи. В рамках решения прямой задачи в данной диссертации выполнены исследования излучательных свойств неравновесной плазмы высокочастотного индуктивного (ВЧИ) разряда в области давлений 0.1 - 10 Тор, являющегося источником излучения интенсивных спектральных линий. Исследования в рамках обратных задач направлены на диагностику физических механизмов формирования пространственно-неоднородных профилей параметров плазменных источников. В качестве объектов диагностического исследования рассмотрены разнообразные источники низкотемпературной плазмы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- впервые представлена самосогласованная модель высокочастотного индук
тивного разряда в области давлений 0.1 - 10 Тор, позволяющая исследовать в
численном эксперименте закономерности поведения плазменных характери
стик и связанных с ними излучательных свойств разряда;
- показано, что закономерности поведения излучательных свойств ВЧИ-
разряда в линиях, соответствующих переходам из высоковозбужденных со
стояний атомов, в существенной степени определяются положением излучаю
щего уровня относительно так называемого 'узкого места' на энергетической
схеме атома в исследуемых условиях;
для диагностического исследования плазменных источников развит модифицированный алгоритм малоракурсной томографической реконструкции на основе принципа максимума энтропии (МЕНТ);
впервые исследовано явление пространственно неоднородного свечения неравновесной плазмы ВЧИ-разряда в смеси аргона с парами ртути, наблюдаемого в виде резкого падения интенсивности излучения из его центральной области. Показано, что причиной наблюдаемого явления является радиальный катафорез, а не пространственная неоднородность поля, связанная со скин-эффектом;
впервые исследовано явление различного свечения неравновесной плазмы емкостного капиллярного разряда в вертикальном и горизонтальном рабочем положении. Предложено объяснение о влиянии гравитационного поля, вызывающего естественную конвекцию газа в вертикальном положении капилляра;
- исследован процесс инициирования реакций разложения метана в результате взаимодействия высокоэнтальпийного сгустка метановой плазмы с покоящимся газом в плазмохимическом реакторе. Впервые определена пространственно-временная структура реагентных зон и установлена их взаимосвязь с ударно-волновыми процессами, протекающими в реакторе;
- исследовано приложение статистического алгоритма реконструкции на осно
ве метода максимума апостериорной вероятности с итеративной статистиче
ской регуляризацией в эмиссионной медицинской томографии. Показано, что
использование итеративной регуляризации позволяет получать устойчивое ре
шение, лежащее в доверительном интервале;
Достоверность. Выводы диссертации основаны на результатах численных расчетов и теоретических оценок, которые подтверждены качественно и количественно в экспериментальных измерениях.
Практическая значимость результатов исследований связана с более глубоким пониманием физики процессов, протекающих в источниках неравновесной плазмы, что дает возможности управления и контроля параметрами таких источников в технологических приложениях.
- Ведутся разработки новых эффективных источников света на основе ВЧИ-
разряда низкого давления. Создание плотной плазмы при относительно низкой
температуре газа, отсутствие электродов делают ВЧИ-разряды перспективными
с точки зрения развития новых плазменных технологий в медицине, биологии, химической промышленности.
Томографическая диагностика плазмы является неинвазивным (не вносящим возмущения) методом контроля за состоянием плазмы, что является необходимой составляющей любого плазменного технологического процесса. Основные положения, выносимые на защиту:
базовая модель и результаты расчетов параметров неравновесной плазмы ВЧИ-разряда в области давлений 0.1 - 10 Тор в условиях развитого скин-эффекта, выполненные для конкретных газов;
результаты исследований закономерностей поведения излучательных характеристик ВЧИ-разряда для нерезонансных линий;
результаты исследования явления пространственно неоднородного свечения ВЧИ-разряда, инициированного в смеси аргона с парами ртути;
результаты исследования явления различного свечения неравновесной плазмы емкостного капиллярного разряда низкого давления в смеси ксенона с парами ртути в вертикальном и горизонтальном рабочем положении;
результаты исследования процесса инициирования реакций разложения метана при взаимодействии высокоэнтальпийного сгустка метановой плазмы с покоящимся газом в плазмохимическом реакторе
результаты приложения статистического алгоритма реконструкции с итерационной статистической регуляризацией в эмиссионной медицинской томографии.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах Института Теоретической и Прикладной Механики, на семинаре Института общей физики им. А.М.Прохорова, на Международных конференциях и семинарах: на Международной конференции по явлениям в ионизованных газах - ICPIG (Германия 1993, Польша 1998, Германия 2003, Нидерланды 2005), на Международных Конференциях по источникам света и их применениям - (Германия 1998, Франция 2005, Китай 2007), на Международных семинарах по моделированию источников света (Португалия 2005, Нидерланды 2006), на Международных Конференциях по изображениям в медицине - MIC (США 2003, Италия 2004), на Международной Конференции по Оптическим методам исследования потоков (Москва, 2005), на Международной Конференции по магнитоплазменной аэродинамике (Москва 2007), на Международной Конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 2007), на Международной Конференции по плазмодинамике (США, 2007), на Международной Конференции по физике плазмы - ICOPS (Германия, 2008).
Публикации. Основной материал диссертации опубликован более чем в 50 научных работах, среди которых 25 в реферируемых журналах. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 315 страниц, включая 105 рисунков.
