Введение к работе
Актуальность темы. Разработка методов плазменной технологии,
а такхе широкое применение газоразрядных приборові работающих на ,
;смёсях газов, таких'--как". газоразрядные- лазеры,; МГД-генераторы,
источники свата, ставдлировало всестороннее изучение физических
процессоз,''.:протекающих; в , шаше о^шаряых, ; тройных и
^ГОКОКПТОНвНТНЇЇХСІЮСаа*.^
-V ''' однако» 95Ф6КТИВНОО применение :многокомпонентной плазмы в технологических целях связана с определенными трудностями, в первую очередь > с .. проблемой пространственного разделения компонентов смеси. Поскольку процесса .возбуздения. и ионизации атомов происходят, в основном, в приосевой области разряда, то обеднение, ее: пряыесннм газом за лсчет различных: механизмов,
: приводящих к пространственному перераспределенип атомов, может приводить .: к.' умёньшёни»: коэффициента-; полезного ., действия газоразрядных приборов, работащих на смесях газов.- Например, уменьшается выходная кэпйость.излучения лазеров .--на'' .переходах
;^іегкоионизуемого компонента. :J: /';/:/-.- :.л; .
, О другой стороны, разделение компонентов смеси используется
в промышленности для.очистки газов от легкоионизуемой примеси, а
также для разделения изотопов с; различающимися степенями
ионизации... , : "'.' '_'- ', - -: -"'-:..\:- У' - '" ,
Нухно отметить, что гфедлокенн различные способы, которые позволят ослабить продольное разделение составляющих . смесь компонентов/основанные, например, на применение обводных каналов, использование ЬЧ - разряда. Шеются раооты, в которых экспериментально показана возможность управления радиальным разделением при помещении разряда в продольное магнитное поле,
что однако существенно усложняет конструкцию устройств и соответственно повышает их стоимость. Поэтому актуальным является поиск альтернативных методов, позволяющих воздействовать на пространственное перераспределение компонентов.смеси.
Существует ряд.экспериментальных и .теоретических работ, в которых проведены всесторонние исследования пространственного перераспределения компонентов в бинарных смесях. В работе*1 теоретически рассчитано пространственное распределение атомов в тройной смеси и показаны особенности в, радиальном распределении относительных концентраций атомов. примесей. Однако экспериментальных работ по пространственному разделению - кстютії'юи а тройшх смосях на.сегодняшний день нам неизвестно.
Помимо того, что задача изучения пространственного распределения атомов в тройных смесях является актуальной в связи сих широки* применением в газоразрядных приборах, она еще. интересна с точки зрения возмогиосга влияния на пространственное перераспределение атомов в бинарных смесях; при добавлении третьего компонента, что имеет важное прикладное и научное значение.
Кинетика низкотемпературной плазмы определяется совокупностью большого числа елементарних процессов, среди которых сажную роль играют неупругие столкновения электронов с возбужденными атомами. В первую очередь это относится к процессам с участием метастабильных атомов, которые оказывают заметное влияние на нагрев газа, развитие разряда и формирование функции распределения электронов по энергиям. Знание концентраций
*'Краснов И.В., Шапарев Н.Я. Радиальный катафорез в тройных смесях. -Спектроскопия и ее применение, в геофизике и химш. ".Новосибирск, 1975, с.38-41. -. ..-.
возоувденннх атомов дает.' возмокность . анализировать физические процессы,.происходящие в неравновесной плазме. '.'':, Для изучения кинетики неравновесной плазмы, особенно плазмы в смесях газов, где присутствуют различные атомы и ионы с их многочислонеыми возбужденными состояниями, 'Необходимо знать константы скоростей разнообразных процессов, протекающих в такой плазме. Одним из важных процессов,.отвечающих за перенос энергии и-массы в газоразрядной плазме, является диффузия возбужденных атомов и особенно атомов в метастабильных состояниях.
Однако данных по коэффициентам диффузии возбужденных атомов и зависимости их от процентного состава смеси в настоящее Бремя нот, хотя смеси газов в ' различных компонентных составах часто используются в газоразрядных устройствах. Поэтому определение коэффициентов диффузии метастабильных. атомов в смесях газов, выявление их температурной зависимости и зависимости от процентного состава смеси является такке актуальной задачей.
Целью работы является: исследование аксиального и . радиального разделения в тройных смесях инертных газов; выявление возможности влияния .на степень пространственного перераспределения компонентов бинарной смеси добавлением третьего компонента; '. изучение кинетики заселения возбужденных уровней гелия в нестационарной плазме импульсного разряда как в чистом гелии, так и в смеси гелий-неон; ''исследование Функции распределения электронов го энергиям в начальной стадии импульсного разряда и изучение ее релаксации к стационарному виду; определение коэффициентов диффузии метастабильных атомов инертных газов в различных Оішарїінх газовых смесях и нахокдеіше их температурных зависимостей.
Научная новизна. Результаты, полученные в данной работе,
позволяют классифицировать исследованные бинарные смеси газов в ряд по степени перераспределения составляющих их атомов. Впервые проведены экспериментальные исследования аксиального и радиального разделения компонентов в тройных смесях.
Установлены времена и характер релаксации к стационарному уровню таких параметров плазмы импульсного . разряда как концентрация возбуздвшшх . частиц и функция распределения электронов по энергиям в гелии и смеси гелий-неон.
Экспериментально получены зависимости от процентного состава смеси коэффициентов диффузии возбужденных атомов Хе(3Р2) в смесях гелий-ксенон и неов-ксеион, и Ne(3P0), не(3Рг) в смеси гелий-неон. Показано,' что эти зависимости удовлетворительно описываются формулой Бланка.
Практическая ценность работы опрэделяется рядом применений газоразрядной плазмы смесей газов в различных приборах и устройствах. Результаты исследований данной работы являются научным фундаментом для разработки новых приборов, в которых в качестве рабочего вещества используются смеси газов, а также представляют научный интерес, способствуя развитию физики плазмы, атомной физики, астрофизики.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. При изучении пространственного распределения атомов в тройной гелий-неон-ксеноновой смеси и бинарных гелий-неоновой и гелий-ксеноновой смесях установлено, что степень перераспределения ксенона в тройной смеси меньше, чем в бинарной, а степень перераспределения неона наоборот - больше в тройной смеси. При этом разрядный ток, давление буферного газа и парциальные давления соответствующих компонентов в бинарной к тройной смесях бшш одинаковыми. _
-
.Бинарные, смеси по уввличенио степени разделения, составлякщих их компонентов,, можно выстроить в слэдупций ряд: ЙЭ-Ne, ЕЭ-Кг, Нв-Хв, йе-Хэ.
-
Показано, что в стадии пробоя импульсного разряда в гелии функция распределения электронов го энергиям сугубо неравновесна, обогащена быстрыми электронами и вид её зависит от давления газа и приложенного к разрядному промеаутку напрязения. При этом энергия электронов г : соответствующая максимуму функции распределения, о. ростом напрязюния на разрядном промежутке смещается в сторону больших зпачения,
4. показано, что в стадии пробоя импульсного разряда
концентрация возбужденных, атомов серии п,,э0 и n3s гелия имеют,
инверсную заселенность, которая исчезает с увеличением
напряжения, прикладываемого к разрядному промежутку, и с течением
времени развития разряда;. Заселение уровня гелия 21s во времени
выходит на стационарный уровень,, проходя через максимум, в то
время как заселение уровня 23s монотонно нарастает.
5. Экспериментально найдены; коэффициенты диффузии метастаоильных атомов неона в состояниях 3Р0 и 3Рг в смеси гелий-неон, X9(3PZ) в смесях гелий-ксенон и неонг-ксенон и их. зависимости от процентного состава смесей. Установлено, что эти зависимости удовлетворительно описываются формулой; Бланка, справедливой для подвикностей ионов. Найдена, температурная зависимость коэффициентов даШзии атомов неона в состоянии 3Рг в смеси гелий-неон.
Апробация работа. Результаты работы докладывались на Европейской конференции по атомной и молекулярной физике в ионизованных газах (Лиссабон, 1968г.), на Всесоюзных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Ташкент, 1987г.), по
кинетическим и газодинамическим процессам в неравновесных средах
(Красновидово, 1988г.), по процессам ионизации с участием
возбувденных атомов (Ленинград, 1988г.), на научных конференциях,
проходивших в . ІУЧР в г-Грозном : <19а9-1994гг.) и на научных
семинарах кафедры физической елокгроники физического факультета
МГУ имени Н.В.Ломоносова. -
Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,. в котором сформулированы ' основные выводы, и списка цитируемой литературы из наименований. Содержание работы изложено та , страницах : основного текста и проиллюстрировано рисунками. Полный объем диссертации страниц. -
