Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Исследованкя неоднородной газоразрядной плазмы приобрели в последние годы особую актуальность в научном и прикладном отношениях ввиду ее широкого применения в разнообразных технологиях и устройствах. Пространственная неоднородность плазмы связана с наличием внешних факторов - электродов, поверхностей, ограничивающих плазму, присутствием в объеме плазмы зондов, анализаторов и др. Помимо этого в плазме могут возникать самоорганизованные пространственные или волновые структуры типа стоячих или бегущих страт и контракции.
Настоящая работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию механизма возникновения и распространения кинетических ионизационных волн в положительном столбе и прианодной области тлеющего разряда низкого давления в неоне Такой разряд широко применяется в источниках света, лазерах, инерционно-плазменных датчиках и других газоразрядных устройствах. Аналогичные разрядные условия используются в емкостных и индукционных высокочастотных разрядах, широко применяющихся в современных плазменных технологиях обработки материалов, травления микросхем и т.д. Пространственно-временные плазменные структуры, наблюдаемые в разряде постоянного тока, характерны и для других типов разрядов, но на них накладываются дополнительные расслоения, связанные с наличием внешних высокочастотных полей, скин-эффект и др.
Несмотря на длительную историю исследования тлеющего разряда постоянного тока, только в последнее время появились представления о формировании прианодной, прикатодной и пристеночной областей, реально отражающие специфику возникновения слоев объемного заряда и неоднородностей квазинейтральной плазмы, прилегающих к ограничивающим плазму поверхностям. Эти представления связаны с последними достижениями нелокальной кинетики электронов в неоднородных полях и могут быть применимы к анализу возникновения и распространения пространствекно-временньгх структур в объеме плазмы и приповерхностных областях.
В настоящее время остаются нерешенными многие принципиаль-
ные вопросы стратификации разряда низкого давления в инертных газах:
формирование функции распределения электронов по анергиям (ФРЭ) в Р-стратах, где падение потенциала на страте заметно меньше порога возбуждения и, следовательно, можно ожидать существенных отличий вида ФРЭ от S-страг,
условия существования и пространственно-временные масштабы потенциальных ям и обратных полей в стратах в положительном столбе и приэлекгродных областях, поведение функций распределения в таких потенциальных ямах;
- взаимодействие ионизационных волн с прианодной областью
тлеющего разряда, природа колебаний напряжения на разрядном про
межутке и прианодной области, связанных с распространением страт и
многие другие проблемы.
Пелями настоящей работы являются:
-
Проведение систематических экспериментальных исследований пространственных профилей потенциала и функций распределения электронов в положительном столбе и прианодной области стратифицированного разряда низкого давления в неоне для Р- и S-страт.
-
Экспериментальное исследование условий возникновения и областей существования потенциальных ям и обратных полей в стратифицированном разряде.
-
Развитие кинетических моделей механизма формирования ФРЭ в Р- и S-стратах в положительном столбе и прианодной области разряда и сопоставление результатов расчетов с экспериментом.
-
Теоретический анализ проблемы формирования ФРЭ в стратифицированном разряде при наличии потенциальных ям на пространственном профиле потенциала, конкретные расчеты вида ФРЭ для запертых и свободных электронов в экспериментально измеренных полях и сопоставление с данными эксперимента.
5. Систематическое экспериментальное исследование взаимодей
ствия кинетических ионизационных волн с внешними возмущениями,
пространственно-фазовых характеристик возникающих при этом визуа-
лизованных структур, влияния призлектродных областей на образова
ния подобных структур, режимов автомодуляции разряда по току и на
пряжению, механизма обратной связи.
Метопы исследования^ Экспериментальные исследования стратифицированного положительного столба проводилось эондовыми и оптическими методами. Пространственное распределение потенциала и функция распределения электронов измерялись с использованием подвижного зонда. ФРЭ определялась по второй производной эондового тока по потенциалу зонда методом радиотехнического дифференцирования с временным разрешением в абсолютной мере. Потенциал плазмы определялся по нулю второй производной. Исследования взаимодействия ионизационных волн с внешними возмущениями проводились при помощи радиочастотного спектрального анализа и методом непрерывного линейного сканирования по частоте модуляции.
Научная новизна и практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработана корректная методика измерения пространственных профилей потенциала плазмы в стратифицированном разряде низкого давления, основанная на использовании подвижного зонда. Обнаружено, что в таком разряде вблизи анода развиваются колебания потенциала плазмы как целого относительно анода с частотой страт, которые следует исключать при определении профиля электрического поля вдоль страты.
-
Впервые проведены детальные экспериментальные исследования пространственных профилей потенциала и функций распределения электронов в прианодной области стратифицированного разряда низкого давления. Обнаружено, что вблизи анода в некоторые интервалы времени реализуются профили потенциала с потенциальными ямами, примыкающими к аноду. Функции распределения, измеренные в области потенциальных ям резко отличаются от функций распределения вне ям наличием ярко выраженного пика медленных электронов с энергиями меньшими 1 эВ. В те интервалы времени, когда потенциальные ямы на пространственном профиле потенциала отсутствуют, прохождение ионизационных волн через прианодную область сопровождается характерным искажением вида ФРЭ, вызванным стоком электронов на анод.
-
Проведены систематические измерения пространственных профилей потенциала и функций распределения в положительном столбе разряда для Р- и S-страт. Данные эксперимента показывают, что в области положительного столба, невозмущенной анодом, потенциальные
-e-
ямы отсутствуют для любых интерзалов времени и любых фаз страты. Обнаружено, что вид ФРЭ в Р-стратах существенно отличается от ФРЭ в S-стратах наличием двух максимумов в области слабого изменения потенциала, расстояние между которыми равно падению потенциала на Р-страте. Измерены профили колебаний электрического поля, концентрации электронов, средней энергии электронов, яркости линейчатого излучения вдоль страты.
4. На основании нелокальной кинетической теории впервые прове
дены расчеты функций распределения для Р-страт в положительном
столбе разряда в неона Показано, что для Р-страт, в отличии от S-
страт, должны существовать две резонансные траектории, вызванные
бунчировкой электронов. Перемещение двух характерных максимумов
амплитуды функции распределения вдоль этих резонансных траекто
рий, описывает наблюдаемые в эксперименте особенности поведения
ФРЭ в Р-стратах.
-
Впервые на основе кинетического уравнения проведены конкретные расчеты вида ФРЭ в приааодной области стратифицированного разряда при наличии к отсутствии потенциальных ям ва пространственном профиле потенциала. Для потенциала с ямами рассчитаны температуры запертых электронов на основе баланса их анергии. Проведен совместный анализ баланса частиц и баланса энергии запертых электронов, позволивший связать их концентрацию и температуру через концентрацию и среднюю энергию свободных электронов и построить согласованную ФРЭ во всей области энергии. Для потенциалов без ям рассчитаны искажения вида ФРЭ в Р-стратах по мере их прохождения через прианодную область, адекватно описывающие данные эксперимента.
-
Экспериментально исследованы автомодуляционные колебания тока и напряжения на разрядной трубке, вызванные распространением кинетических страт, пространственно-фазовые характеристики визуали-зованных структур, возникающих при периодической модуляции тока. На основе представлений о нелокальной кинетике электронов проведен качественный анализ механизма автомодуляции по току и напряжению в зависимости от величины балластного сопротивления через генерацию колебаний напряжения на прианолной области, обусловленную движе-
нием кинетических ионизационных волн. Соответственно, предложено два механизма обратной связи.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на научных семинарах кафедры оптики СПбГУ, а также на международных конференциях: XI ESCAMPIG, StPeterburg, Russia, 1992; "Актуальные проблемы фундаментальных наук", Москва, Россия, 1994; ХШ ESCAMPIG, Poprad, Slovakia, 1996.
Публикации. Основные результаты работы изложены в публикациях, перечисленных в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Содержит 107 страниц машинописного текста, 55 рисунков и 1 таблицу. Библиография содержит 88 наименований.
