Введение к работе
Актуальность работы
Тлеющий разряд многие годы является объектом научных исследований и инструментом инженерных инноваций. Он рассматривается практически во всех монографиях и учебниках по физике газового разряда [1-5]. Важными характерными особенностями тлеющих разрядов являются низкая степень ионизации {ne/N = 70" -70" ) и отсутствие термодинамического равновесия между электронами и тяжёлыми частицами (Te»Tg). Неравновесность дает возможность получать среды с повышенной химической активностью, не прибегая к нагреву газа.
Эти и другие полезные свойства позволяют использовать тлеющие разряды во множестве научно-исследовательских и технологических приборах, среди которых газовые лазеры, источники света [6], источники электронов, устройства для синтеза углеродных нанотрубок, плазменной обработки поверхностей, стерилизации медицинских инструментов, обработки металлических изделий, текстильных материалов и т.п.
Применение тлеющих разрядов низкого давления требует относительно сложного и дорогостоящего вакуумного оборудования, что является сдерживающим фактором для их более активного использования в промышленности. Во многих современных газоразрядных системах этот недостаток устраняется за счет перехода к высоким (атмосферным) давлениям. При этом, также, осуществляется и важный для практики переход к компактности и миниатюризации, как самих газоразрядных приборов, так и основанных на них технологических установок.
В тоже время, трудности экспериментального исследования, вызванные малыми размерами области разряда, делают очевидным высокий потенциал применения в исследованиях численного моделирования и теории подобия.
В отличие от классических тлеющих разрядов низкого давления, при давлениях порядка атмосферного, необходимо учитывать нагрев газа, возникающий из-за затруднённого отвода тепла из области разряда. Поскольку интерес к разрядам этого типа возник сравнительно недавно, расчетных и экспериментальных данных в настоящее время явно недостаточно для понимания их особенностей.
Во многих научных публикациях современные численные модели применяются в рамках одномерной (ID) размерности. Однако, для описания реальных устройств имеющих сложную геометрию, этого явно не достаточно и необходимо использовать двумерное (2D) моделирование.
Классическая модель тлеющего разряда была построена на основе работ Таунсенда и Ленгмюра ещё в начале XX века Энгелем и Штеенбеком [2]. Эта модель, как и другие имеющиеся аналитические модели, основана на автономности катодного слоя и локальной зависимости коэффициента ионизации от поля. При таком подходе, ионизация и свечение сосредоточены в прикатодном слое, где поле велико. Граница между слоем и плазмой совпадает с границей между отрицательным свечением и положительным столбом, а фарадеево темное пространство в таких моделях отсутствует. Важно заменить что, как сами локальные модели, так и основанные на них оценки параметров тлеющих разрядов, не учитывают вклада нелокальной ионизации в плазменной области отрицательного свечения [1]. Такая картина противоречит экспериментам, которые показывают, что ионизация в прикатодной области является нелокальной (т.е. не определяется локальным значением электрического поля в данной точке пространства). В частности, это выражается в том, что интенсивное возбуждение и излучение наблюдается в тех областях разряда, где поле мало (и даже меняет знак на противоположный).
Таким образом, совершенствование методик моделирования тлеющих разрядов и построение моделей, учитывающих все необходимые физические свойства, является актуальным направлением развития современной физики газового разряда.
Цель работы
Комплексное исследование механизмов формирования параметров тлеющих разрядов высоких и низких давлений.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Развитие методик теоретического исследования оптических и электрических параметров тлеющих разрядов в широком диапазоне давлений. Анализ и верификация соотношений, позволяющих прогнозировать оптические и электрические свойства тлеющих газовых разрядов в широком диапазоне давлений.
Разработка аналитической модели для нахождения вольтамперных характеристик (ВАХ) и продольной структуры основных параметров разрядов. Сравнение результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными других исследователей, для разрядов низкого давления.
Построение двумерной гибридной модели, позволяющей исследовать распределения основных параметров тлеющих разрядов в широком диапазоне давлений. Верификация модели путем сравнения результатов тестовых расчетов разряда низкого давления в аргоне с литературными данными.
Моделирование подобных (по параметрам pL и R/L) тлеющих разрядов высоких (300 Торр) и низких (3 Торр) давлений в аргоне.
Исследование влияния нагрева газа на характеристики короткого (без положительного столба) тлеющего разряда высокого давления посредством двумерного моделирования.
Научная новизна и практическая ценность
Впервые получены аналитические выражения для нахождения основных свойств короткого тлеющего разряда, учитывающие нелокальную ионизацию в плазме отрицательного свечения. Показано, что приход части ионов из области отрицательного свечения на катод и вызванная ими электронная эмиссия, оказывают существенное влияние на условие поддержания и формирование параметров тлеющего разряда.
Построена и верифицирована двумерная гибридная модель для описания оптических и электрических свойств тлеющих разрядов. Исследованы возможности масштабирования подобных тлеющих разрядов (по параметрам pL и R/L) при высоком (300 Торр) и низком (3 Торр) давлении в аргоне. Показана корректность используемой гибридной 2D модели для описания тлеющих разрядов в широком диапазоне условий.
Впервые, на основе двумерного моделирования короткого тлеющего разряда высокого давления в аргоне с учётом нагрева газа, объяснены причины резкого роста вольтампернои характеристики и пространственной неоднородности распределения параметров.
Результаты работы важны для понимания физики процессов, протекающих в тлеющих разрядах. Они могут использоваться для прогнозирования и оптимизации параметров газоразрядных источников света, газовых лазеров, при разработке плазменных реакторов и устройств сильноточной электроники и т.п.
Защищаемые положения
Аналитическая модель, учитывающая нелокальную ионизацию в плазме отрицательного свечения и корректно описывающая основные параметры короткого тлеющего разряда.
Представлены основные соотношения для расчета вольтампернои характеристики тлеющего разряда, распределения концентрации заряженных частиц вдоль разрядного промежутка, потенциала и напряжённости электрического поля.
Двумерная гибридная модель, позволяющая исследовать распределения основных оптических и электрических параметров тлеющих разрядов в широком диапазоне давлений.
Проведено исследование подобных по параметрам (pL, R/L) тлеющих разрядов при высоком (300 Торр) и низком (3 Торр) давлении в аргоне. Показана корректность используемой гибридной 2D модели для описания тлеющих разрядов в широком диапазоне условий.
Нагрев газа в тлеющих разрядах высокого давления приводит к резкому росту вольтамперной характеристики и возникновению пространственной неоднородности распределения параметров разряда, в виде смещения их максимумов в пристеночную область.
Публикации и апробация работы
Материалы диссертации опубликованы в рецензируемых журналах и тезисах докладов, список которых представлен в конце реферата.
Результаты работы были представлены на российских и международных научных конференциях: XL VIII Международной научной конференции молодых ученых (Новосибирск 2010), XXXIV и XXXVII Международных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород 2007, 2010), Научно-практической конференции молодых ученых СПГГИ(ТУ) (СПб 2008), Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск 2007), V-ой международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (Минск 2006), Межд. научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб 2006), IX Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах» (СПб 2005), IX Международная Конференция «Экология и развитие общества» (СПб 2005), а также докладывались и обсуждались на научных семинарах СПбГУ, СПГГИ и СПбПГУ.
Структура и объем диссертации
