Введение к работе
Диссертационная работа посвящена развитию теории экранирования электрического поля сферического зонда или частиц конденсированной дисперсной фазы (КДФ) в низкотемпературной плазме.
Актуальность работы обусловлена тем, что в настоящее время наблюдается повышенный интерес к плазме, содержащей частицы конденсированной дисперсной фазы (КДФ) микронных размеров, которую еще называют пылевой или комплексной плазмой [1]. С одной стороны, она является удобной экспериментальной моделью сильнонеидеальных систем, так как в ней достигаются высокие значения параметра неидеальности. Такую плазму можно получить в лабораторных условиях и наблюдать поведение пылевых частиц на кинетическом уровне. Кроме лабораторных условий, комплексная или пылевая плазма встречается в верхних слоях атмосферы, в космосе в планетарных кольцах, хвостах комет, межзвездных облаках [2], а также в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы [3] и промышленных установках плазменного травления микросхем [2]. С другой стороны, в настоящее время в ГНЦ РФ ТРИНИТИ ведется разработка автономного фотовольтаического источника электрической энергии, рабочей средой которого является плазма, содержащая радиоактивные пылевые частицы [4]. Кроме того, результаты, полученные при исследовании комплексной плазмы, могут применяться для количественной интерпретации зондовых измерений и определения скорости газовых потоков в разрядах по скорости движения микрочастиц [5].
В большинстве задач, связанных с исследованиями плазмы с помощью электрических зондов или плазмы с частицами КДФ, необходимо знать такие параметры как заряд (электростатический потенциал поверхности) макрочастицы и характерные размеры области нарушения квазинейтральности плазмы этой частицей. Теория зондов для случая низких давлений была создана еще Ленгмюром в 20-х годах прошлого века [6]. Приближение ограниченного орбитального движения электронов и ионов, предложенное в этой работе, используется и в настоящее время для количественной оценки плавающего потенциала зонда или электрического потенциала поверхности частиц КДФ. Теория зондов при повышенных давлениях является весьма сложной и аналитические решения имеются только для некоторых предельных режимов, зачастую не представляющих интереса для физики пылевой плазмы. Но и при низких давлениях некоторые вопросы остаются открытыми, например, насколько правомерно использование равновесной функции распределения (ФР) заряженных частиц плазмы для оценки плавающего потенциала зонда. Что касается пространственного распределения потенциала вокруг макрочастицы, то для его определения обычно используется теория Дебая-Хюккеля, где плазма предполагается равновесной и слабонеидеальной. Тогда как в плазме интенсивно происходят процессы рождения и гибели электронов и ионов, а на микроскопическое тело идут потоки заряженных частиц плазмы. Поэтому в
такой плазме предположение о дебаевском характере экранирования может оказаться весьма грубым [7].
Асимптотическая теория экранирование была развита А.В. Филипповым, А.Г. Загородним, А.Ф. Палем и А.Н. Старостиным в 2005 году [7]. В ней было показано, что в неравновесной двухкомпонентной плазме при повышенных давлениях экранирование пылевой частицы или зонда описывается суперпозицией двух де-баевских экспонент. Пылевая плазма обычно является более сложной системой, чем простая двухкомпонентная плазма. Таким образом, возникает необходимость в более тщательном изучении экранирования заряженного тела в плазме в случаях высоких и низких давлений с учетом сложной кинетики процессов образования и превращения заряженных частиц плазмы, с учетом генерации отрицательных ионов и с учетом влияния заряженного тела на саму функцию распределения электронов по энергии.
Таким образом, актуальность работы связана с тем, что в настоящее время существует необходимость в более тщательном изучении экранирования заряженного тела в плазме при высоких и низких давлениях плазмообразующего газа с выводом аналитических оценок и их проверкой численными расчетами.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование явлений в плазме тлеющего газового разряда, в том числе и создаваемой внешним источником ионизации газа, содержащей частицы конденсированной дисперсной фазы микронных размеров, что имеет существенное значение для физики и приложений низкотемпературной плазмы.
Научная новизна работы заключается в том, что
-
Впервые проведены детальные исследования влияния вида функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) на плавающий потенциал зонда в тлеющем разряде инертных газов и азота.
-
Впервые на основе диффузионно-дрейфового приближения проведены исследования влияния конверсии положительных ионов на асимптотическое поведение потенциала заряженного тела в плазме, создаваемой внешним источником ионизации.
-
Впервые изучено влияние нелокальности ФРЭЭ на характер экранирования макрочастицы в плазме, создаваемой внешним источником ионизации, и создана теория экранирования в амбиполярном приближении, которая позволяет находить значения двух, отличных от дебаевской, постоянных аналитически.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что полученные численные результаты и развитые аналитические теории имеют важное значение для физики низкотемпературной плазмы. Они найдут применение при анализе результатов зондовых измерений параметров плазмы, в физике газовых разрядов при описании областей нарушения квазинейтральности плазмы, при создании автономного фотовольтаического источника электрической энергии, при
создании плазменно-пылевыми методами наноструктур с новыми и уникальными свойствами и новых материалов. Защищаемые положения:
-
В плазме тлеющего разряда выбор функции распределения электронов по энергии оказывает значительное влияние на величину потенциала зонда, а также на величину электронного радиуса экранирования. При этом сам характер экранирования не меняется.
-
В плазме с внешним источником ионизации газа конверсия одноатомных ионов в двухатомные приводит к трехкомпонентному составу плазмы и, как следствие, к распределению потенциала вокруг частицы КДФ в виде суперпозиции трех дебаевских экспонент:
ф(г) = ^ (C\e-kshir + C2e~ksh2r + C3e~ksh3r) ,
с разными постоянными экранирования kshi, ksh2 и kshs- Здесь q - заряд частицы в элементарных зарядах, С\, С^-, С\ - предэкспоненты, значения которых определяются зарядом, стоками электронов и ионов на пылевые частицы и постоянными экранирования.
3. Учет нелокальности ФРЭЭ в плазме, создаваемой внешним источником иони
зации, приводит к трехэкспоненциальному виду потенциала. При этом две из
трех постоянных экранирования хорошо описываются аналитическими выра
жениями, полученными в амбиполярном приближении.
Структура и объем диссертации
