Введение к работе
Актуальность темы. Исследование газового разряда до настоящего времени представляет научный и практический интерес. Существует ряд процессов в плазме газового разряда, связанных с развитием неустойчивостей, природа которых до конца не понята. С другой стороны, газовый разряд уже нашел широкое применение в различных устройствах и технологиях - таких как газоразрядные лазеры, плазмохимические реакторы, источники света и т.д.
Одним из видов газового разряда является тлеющий разряд -самостоятельный разряд постоянного тока с холодным катодом. Наиболее изучены процессы в плазме тлеющего разряда в трубках. Существует ряд неустойчивостей положительного столба, которые приводят к нарушению однородности параметров плазмы, к расслоению или стратификации разряда. Одной из важных особенностей плазмы в газоразрядной трубке является то, что процессы рекомбинации могут происходить не только в объеме, но и на стенках трубки. Отсутствие стенок может привести к существенным изменениям в протекании плазменных процессов. Примером разряда, в котором все процессы в плазме происходят в объеме, является разряд в специальной геометрии разрядного промежутка: малый анод, расположенный в центральной части металлической камеры, стенки которой служат катодом. Толчком для изучения тлеющего разряда в этой геометрии послужило обнаружение сферической стратификации, свойства которой отличаются от расслоения положительно столба в газоразрядных трубках.
Сферический стратифицированный нормальный тлеющий разряд обладает рядом особенностей. Во-первых, процессы рекомбинации происходят в объеме разряда, вследствие чего они сильно подавлены, что, в свою очередь, вследствие различной подвижности электронов и ионов,
может приводить к нарушению нейтральности плазмы. Во-вторых, плотность тока возрастает при приближении к центральному электроду, что приводит к градиенту концентрации электронов и появлению диффузионной составляющей тока. В-третьих, в этой геометрии стратификация не наблюдается в области нормального тлеющего разряда в инертных и простых молекулярных газах (аргон, азот, углекислый газ, гелий) - для стратификации необходима добавка высокомолекулярных соединений, например ацетона. В-четвертых, в этих условиях разряд сопровождается плазмохимическими процессами, что приводит к изменению параметров разряда со временем. Сложность протекающих процессов в этом типе разряда является причиной того, что механизм стратификации сферического тлеющего разряда не выяснен и строгая теория этого явления не построена.
Сказанное выше определяет актуальность постановки настоящих исследований, цель которых состоит в получении количественных экспериментальных данных о параметрах плазмы сферически симметричного стратифицированного газового разряда и условий его возникновения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Измерить вольтамперные характеристики разряда сферической геометрии в области таунсендовского и нормального газовых разрядов.
-
Измерить распределения локальных параметров плазмы с помощью электрических зондов:
-
Плавающего потенциала и электрического поля;
-
Температуры и концентрации электронов.
-
Исследовать влияние геометрии электродов на симметрию разряда.
-
Исследовать роль диффузионного тока в разряде сферической геометрии.
Научная новизна:
-
Впервые зарегистрирован гистерезис вольтамперных характеристик разряда с малым анодом в области перехода таунсендовского в нормальный тлеющий разряд: при одинаковом токе разряд может иметь два различных режима горения, в частности, отличающиеся напряжением на разряде.
-
Впервые обнаружено, что в режиме нормального тлеющего разряда, локально в области сферических страт, реализуется обратное (по отношению к приложенному к разряду) электрическое поле.
-
Впервые экспериментально показано, что распределения температуры и концентрации электронов в сферически стратифицированном нормальном тлеющем разряде имеют немонотонный характер.
-
Впервые показано, что появление сферических страт в нормальном тлеющем разряде, только при положительном центральном электроде, связано с вкладом диффузионной составляющей тока.
-
Впервые экспериментально показано, что при уменьшении давления стратификация разряда приобретает сферическую симметрию практически независимо от геометрии анода и катода.
Практическая ценность:
-
Полученные результаты могут быть использованы для разработки нового источника света на основе сферической стратификации разряда.
-
Полученные данные могут быть использованы в учебном процессе при изучении развития плазменных неустойчивостей.
Достоверность полученных результатов обоснована: анализом погрешностей измерений; повторяемостью и самосогласованностью результатов; большим объемом экспериментального материала, полученного с помощью современных автоматизированных средств;
использованием для обработки полученных данных хорошо апробированных теоретических представлений.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Вольтамперные характеристики разряда с малым анодом имеют гистерезис в области перехода из таунсендовского в нормальный тлеющий разряд.
-
В режиме таунсендовского разряда сферическая стратификация наблюдается и для простых газов, в отличие от режима нормального тлеющего разряда, когда требуется примесь высокомолекулярного газа.
-
Страты в режиме нормального тлеющего разряда являются сильными (на границе происходят скачки всех параметров плазмы). В режиме таунсендовского - слабые, без резких изменений параметров плазмы.
-
В режиме нормального тлеющего разряда, в области сферических страт, реализуется обратное (по отношению к приложенному к разряду напряжению) электрическое поле.
-
Распределения температуры и концентрации электронов в сферически стратифицированном нормальном тлеющем разряде имеют немонотонный характер. При этом температура электронов в области страт скачком уменьшается в сторону анода, а концентрация увеличивается.
Личный вклад автора включает: участие в постановке задачи, создание экспериментального стенда, разработку методов измерений, проведение экспериментов, анализ результатов и подготовка публикаций.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертации представлялись на Международной научной студенческой конференции, Новосибирск, 2003; Всероссийской конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей», Новосибирск, 2005; Всероссийской школе-конференции молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 2006; 25th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics,
St. Petersburg, 2006; Всероссийская школа-семинар молодых ученых «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии», Новосибирск, 2007.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 9 работ, в том
числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах и тезисы 5 докладов.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 4
главы и заключение, изложена на 134 страницах машинописного текста,
содержит 56 рисунков, список литературы состоит из 112 наименований.
