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 силыюнеидеальпых систем, так как в ней достигаются высокие значения параметра пеидеальпости. 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 квазипейтралыгости плазмы этой частицей. Теория зондов для случая низких давлений была создана еще Ленгмюром в 20-х годах прошлого века [б]. 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 давленнях 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 слабопеидеалыюй. 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 може заться весьма грубым [7].
Асимптотическая теория экранирование была развита А.В. Филипповым, А.Г. Загородпим, А.Ф. Палем и А.Н. Старостиным в 2005 году [7]. В пей было пока запо, что в неравновесной двухкомпопептпой плазме при повышенных давления экранирование пылевой частицы или зонда описывается суперпозицией двух дє баевских экспонент. Пылевая плазма обычно является более сложной системо? чем простая двухкомпоиентная плазма. Таким образом, возникает необходимост в более тщательном изучении экранирования заряженного тела в плазме в случг ях высоких и низких давлений с учетом сложной кинетики процессов образовани и превращения заряженных частиц плазмы, с учетом генерации отрицательны: ионов и с учетом влияния заряженного тела на саму функцию распределепи электронов по энергии.
Таким образом, актуальность работы связана с тем, что в настоящее врем существует необходимость в более тщательном изучении экранирования заряжен ного тела в плазме при высоких и низких давлениях плазмообразующего газа выводом аналитических оценок и их проверкой численными расчетами.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование яг лений в плазме тлеющего газового разряда, в том числе и создаваемой впепшиї источником ионизации газа, содержащей частицы конденсированной дисперсно фазы микронных размеров, что имеет существенное значение для физики и при ложений низкотемпературной плазмы.
Научная новизна работы заключается в том, что
-
Впервые проведены детальные исследования влияния вида функции распре деления электронов по энергии (ФРЭЭ) па плавающий потенциал зонда тлеющем разряде инертных газов и азота.
-
Впервые на основе диффузионно-дрейфового приближения проведены ис следования влияния конверсии положительных ионов па асимптотическо поведение потенциала заряженного тела в плазме, создаваемой внешним ис точником ионизации.
-
Впервые изучено влияние пелокальности ФРЭЭ на характер экрапироваии макрочастицы в плазме, создаваемой внешним источником ионизации, и ее здана теория экранирования в амбиполярпом приближении, которая позве ляет находить значения двух, отличных от дебаевской, постоянных апалити чески.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что пол} ченпые численные результаты и развитые аналитические теории имеют важно значение для физики низкотемпературной плазмы. Они найдут применение пр анализе результатов зондовых измерений параметров плазмы, в физике газовы разрядов при описании областей нарушения квазипейтралыюсти плазмы, при ее здании автономного фотовольтаического источника электрической энергии, пр
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 па величину электронного радиуса экранирования. При этом сам характер экранирования не меняется.
-
В плазме с внешним источником ионизации газа конверсия одпоатомпых ионов в двухатомные приводит к трехкомпонентпому составу плазмы и, как следствие, к распределению потенциала вокруг частицы КДФ в виде суперпозиции трех дебаевских экспонент:
ф(г) = ^ (Cie-fc""r + С2е-кмт + С3е-к"«г) ,
с разными постоянными экранирования км, ksia и /с,,/,з. Здесь q - заряд частицы в элементарных зарядах, Сі, Сг, Сз - предэкспопепты, значения которых определяются зарядом, стоками электронов и ионов па пылевые частицы и постоянными экранирования.
3. Учет нелокальное ФРЭЭ в плазме, создаваемой внешним источником иони
зации, приводит к трехэкспоненциальпому виду потенциала. При этом две из
трех постоянных экранирования хорошо описываются аналитическими выра
жениями, полученными в амбиполярпом приближении.
Структура и объем диссертации
