Введение к работе
Актуальность темы исследований
Развитие вычислительной техники в последние десятилетия (как аппаратных комплексов, так и методов компьютерного моделирования и численного решения различных задач) поставило компьютерный или численный эксперимент в один ряд с традиционными методами исследования теоретическими и экспериментальными Сейчас совершенно очевидно, что компьютерный эксперимент, проводящийся с использованием хорошо обоснованной, прежде всего теоретически, модели позволяет получать результаты, не только ничем не уступающие результатам натурного эксперимента, но и порой, превосходящие их по точности При этом результаты компьютерного эксперимента значительно дешевле и разнообразнее по сравнению с обычным экспериментом Кроме того, схема компьютерного эксперимента, безусловно, более гибкая, что позволяет варьировать широкий круг параметров эксперимента, получать одни и те же результаты различными, как прямыми, так и косвенными способами, что помогает увеличивать точность, с которой полученные данные будут представлены Однако, необходимо понимать, что компьютерный эксперимент никогда целиком не заменит натурный эксперимент и теоретические исследования, и лишь сочетание всех этих подходов позволяет развивать современные направления физики
Компьютерное моделирование открывает новые возможности при теоретическом анализе процессов в плазме и их кинетики, позволяя проводить детальные вычисления по параметрам процессов и свойствам плазменных систем В данных исследованиях компьютерное моделирование используется для анализа процессов с участием высоковозбужденных атомов, а также для анализа кинетики процессов в магнетронной плазме, которые принципиально понятны, однако, в результате компьютерного моделирования можно получить более детальную информацию о процессах, которая иногда принципиально меняет отношение к предмету исследований Несмотря на принципиальное понимание процесса резонансной перезарядки и процесса пеннинговской ионизации с участием ридберговских атомов их детальное исследование сейчас является востребованным, поскольку в данный момент необходимы знания о различных параметрах этих процессов, поскольку изучение ридберговских атомов имеет самостоятельную фундаментальную и прикладную ценность, а также находит применение во многих областях современной физики смежных наук, например, в экспериментах по генерации и удержанию антиматерии, созданию ультрахолодных ридберговских газов и ультрахолодной ридберговской
плазмы, в изучении квантовых компьютеров, атмосферной физики и астрофизики Наличие большого фундаментального интереса и широкого спектра приложений требует уточнения результатов, полученных ранее на основе различных приближенных аналитических методов и получения новых, достоверных количественных данных Все это позволяет сделать компьютерное моделирование с использованием современных вычислительных комплексов, алгоритмов и программ
Что касается части работы, посвященной анализу магнетронного разряда, то здесь привлечение методов компьютерного моделирования позволяет успешно изучать кинетику элементарных процессов в плазме магнетронного разряда и получать новые знания в этой области, поскольку магнетронная кластерная плазма является достаточно трудным физическим объектом для теоретического описания Кроме этого простота варьирования параметров и условий численного эксперимента позволяет проще, чем в натурном эксперименте, провести оптимизацию устройства, геометрии установки и режимов горения разряда, что напрямую связано с актуальными на сегодняшний день нанотехнологическими приложениями
Очевидно, что даже при условии того, что анализ какой либо задачи с использованием компьютерного моделирования и не принесет каких-либо принципиально новых результатов, что не всегда верно, он позволяет уточнять полученные количественные результаты, в добавок компьютерное моделирование позволяет получать количественные результаты, необходимые в различного рода приложениях Все это делает компьютерное моделирование или численный эксперимент актуальным и привлекательным инструментом исследования и анализа в различных областях фундаментальной науки и приложениях
Цель работы
Целью работы является исследование различных процессов с участием атомных частиц в низкотемпературной плазме с использованием компьютерных методов моделирования
На этом пути рассматриваются элементарные процессы с участием ридберговских атомов, которые включают в себя резонансную перезарядку высоковозбужденного атома на ионе, а также процесс столкновения двух высоковозбужденных атомов, приводящий к образованию свободных электронов Последний процесс может быть ответственен за время распада ридберговской плазмы В этих моделях связанные электроны рассматриваются как классические, а их эволюция в кулоновском поле атомных остатков приводит к рассматриваемым переходам
Следующая задача диссертации состоит в использовании компьютерных методов для анализа реальной магнетронной плазмы
Построенная схема процессов и анализ ее кинетики позволяет, в конечном счете, выяснить оптимальные конструкции и оптимальные режимы горения магнетронного разряда с точки зрения эффективности получения металлических кластеров
Основные положения, выносимые на защиту
Расчет сечения резонансной перезарядки с участием высоковозбужденных атомов Развит метод компьютерного моделирования эволюции классического электрона в поле двух кулоновских центров, что позволяет проанализировать разные процессы столкновений ионов с высоковозбужденным атомом В первую очередь резонансную перезарядку, а также процессы с неупругим переходом электрона
На основе развитого метода для моделирования эволюции классического электрона в поле кулоновского центра проведен расчет ширины автоионизационного уровня при взаимодействии двух высоковозбужденных атомов в зависимости от расстояния между ними Эти результаты использованы при нахождении сечения и константы скорости для процесса Пеннинга при столкновении двух высоковозбужденных атомов
Полученные ранее результаты использованы при анализе ридберговской плазмы, дегенерация которой связана, как с процессом Пеннинга при столкновении высотсовозбужденных атомов, так и в результате столкновения медленного электрона с высоковозбужденным атомом Проанализирована кинетика распада ридберговской плазмы, параметры которой соответствуют экспериментальным условиям
Исследована кинетика магнетронной плазмы, используемой для генерации металлических кластеров Разработана модель эволюции металлических атомов в магнетронной плазме, в которую включены процессы образования быстрых металлических атомов при бомбардировке катода быстрыми ионами, процессы релаксации и термализации вылетающих с катода быстрых металлических атомов, диффузия металлических атомов в буферном газе, сопровождаемая уходом атомов на катод и на стенки магнетронной камеры, а также процессы нуклеации, ведущие к образованию металлических кластеров, которые далее уносятся потоком буферного газа Проанализированы экспериментальные условия генерации металлических кластеров, предложены методы оптимизации параметров магнетронной плазмы для генерации кластеров
Научная новизна работы
Научная новизна, прежде всего, определяется тем, что на основе
оригинальных схем, разработанных научным руководителем профессором
Смирновым БМ и диссертантом с использованием компьютерного
моделирования были проведены расчеты сечения резонансной перезарядки с
участием высоковозбужденных атомов, расчеты ширины
автоионизационного уровня квазимолекулы, образующейся при столкновении двух ридберговских атомов, получен спектр освободившихся при этом процессе электронов, рассмотрена кинетика металлических атомов в магнетронном разряде Разработанные схемы описания исследуемых процессов, как и результаты расчетов различных параметров данных процессов, выполненные на основе этих схем, были использованы при исследовании кинетики различных низкотемпературных плазм, в которых данные процессы играют важную роль и которые являются интересными для широкого круга приложений Кроме этого, ряд численных расчетов процессов, протекающих в магнетронном разряде, выполнен впервые
Научная и практическая ценность работы
Найденные сечения резонансной перезарядки могут быть использованы при определении транспортных свойств низкотемпературной плазмы
На основании полученных результатов можно оценить условия и времена существования ридберговской плазмы
Анализ кинетики металлических атомов в магнетронном разряде позволяет оптимизировать как конструкцию магнетронной камеры, так и режим магнетронного разряда для повышения эффективности образования металлических кластеров Эти кластеры используются далее для образования специальных пористых металлических пленок и изготовления элементов микроэлектроники
Сформирован комплекс программных средств, позволяющий вести многопараметрические компьютерные эксперименты, а также обработку получаемых данных по широкой проблематике элементарных процессов в различных плазмах и их кинетике В состав данного комплекса входят, как разработанные сторонними производителями коды, так и оригинальные, созданные автором и его коллегами, коды, реализованные в большинстве своем, с применением пакета математического программного обеспечения Mathematica и на языке высокого уровня C++, что позволяет данному комплексу быть широко использованным в научно-образовательном процессе по различным предметным направлениям
Личный вклад автора
Автор принимал активное участие в постановке задач, проведении аналитических расчетов , и компьютерном моделировании, обсуждении результатов, подготовке публикаций и докладов на конференциях Автором разработаны компьютерные коды, реализующие моделирование элементарных процессов в плазме с участием ридберговских атомов Автор принимал участием в разработке численных схем и вычислительных кодов
для моделирования процессов, происходящих в объеме магнетронного разряда Численные расчеты кинетики процессов, происходящих в объеме магнетронного разряда, выполнены совместно с Гончаровым А В
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на различных российских и международных конференциях В том числе на Международной конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2004, 2005 годах (Москва), на 111 Курчатовской молодежной научной школе в 2005 году (Москва), на всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы "ФНТП-2004" в 2004 году (Петрозаводск), на XXXIV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и У ТС в 2007 году (Звенигород), на Международной конференции "УРС-2006" в 2006 году (Кабардино-Балкария), на Международной конференции "ВИПЭВ-2007" в 2007 году (Кабардино-Балкария), на семинаре Лаборатории кинетических процессов в газах Института механики МГУ "Физико-химическая кинетика в газовой динамике" (руководители С А Лосев, А И Осипов, В А Левин) в 2006 году (Москва) Результаты работы опубликованы в 6 статьях в реферируемых российских журналах и сборниках, а также в тезисах 8 докладов на различных конференциях
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех содержательных глав, заключения и списка использованной литературы из 125 наименований Работа изложена на 130 страницах, включает в себя 32 рисунка и 8 таблиц
