Исследование прианодной области разряда с анодом в форме острия

• Автор: Тихомиров, Александр Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Петрозаводск
• Количество страниц: 86 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Анализ литературы по теме диссертации
1.1 Контра тированный положительный столб тлеющего разряда
1.2 Моделирование контракции положительного столба разряда
1.3 Теория анодного слоя в газовом разряде
1.4 Методика зондовой диагностики плазмы
' 1 ' ) і
1.5 Выводы по анализу литературы и постановка задачи
Глава 2. Экспериментальное исследование прианодной области разряда с анодом в форме острия
2.1 Получение анода в форме острия и цилиндрического зонда малого радиуса
2.2 Рабочий газ
2.3 Вакуумная система
2.4 Электрическая схема
2.5 ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДА С АНОДОМ В ФОРМЕ ОСТРИЯ
2.6 Пошаговый зондовый метод исследование параметров плазмы
2.7 Результаты зондового измерения микроплазменного образования с острийным анодом
2.8 Выводы
Глава 3. Теоретическое моделирование прианодной области разряда с анодом в форме острия
3.1 Исходные уравнения и их преобразования
3.2 Результаты численного моделирования и их сравнение с экспериментальными данными
3.3 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы: В настоящее время низкотемпературная плазма успешно решает практические задачи, связанные с обработкой материалов, в том числе медицинских объектов. Успехи применения низкотемпературной плазмы связаны с тем. что многие результаты применений не имеют традиционных аналогов. Особенно это проявляется в медицине, где бактерицидные свойства плазмы являются, по-видимому, незаменимыми.
Недавно показана возможность получения микроплазм енных источников низкотемпературной плазмы атмосферного давления, в которых за счет конфигурации электродов сохраняется величина межэлектродного промежутка при переходе к высоким давлениям [1]. Особенность конфигурации электродов связана с тем, что анод выполняется в форме острия с малым радиусом закругления, а катод в форме плоскости. В такой геометрии разряд представляет собой сферическое плазменное образование, локализованное на кончике анода в форме острия при темном разрядном промежутке до катодного свечения. Мнкроплазменные источники с анодом в форме острия имеют при малой потребляемой мощности менее 50 Вт, высокую плотность мощности,
вкладываемую в прианодное плазменное образование р = 105 и яркость

2-104 —- [2]. Перспективными направлениями применения таких источников м
являются: дисплейные панели [3,4], модификация и нанесение
полупроводниковых материалов [5], обработка материалов [6,7], использование в
качестве аналитического инструмента [8,9]. модификация поверхности [10],
создание активной среды в лазерных технологиях [11]. Высокие параметры
ирианодной плазмы и её сферическая форма указывают на эффективную
местную ионизацию вблизи копчика острия при существенном снижении
плотности тока на остальную поверхность анода. Анодная область такого
источника плазмы является плохо изученной. Малые размеры плазменного
образования препятствуют его экспериментальному изучению традиционными
способами. Однако, без информации об анодной области разряда с острийпым
анодом невозможно построить полную картину механизма существования
данного типа разряда и как следствие внедрить данный тип разряда в

производство. Поэтому работы в указанном направлении актуальны и несут в себе большой прикладной потенциал.
Цель работы заключалась в исследовании приаподпой области разряда с анодом в форме острия с получением данных о распределениях концентрации плазмы, потенциала, температуры электронов, условиях создания и поддержания разряда, их зависимостях от радиуса кривизны анода, давления рабочего газа и разрядного тока.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
• Проведено экспериментальное исследование и компьютерное моделирование пространственных распределений параметров плазмы в прианодной облаете.
• Предложен метод зондовых измерений пространственных распределений параметров малых плазменных образований.
• Исследовано влияние давления рабочего газа, тока, радиуса закругления анода на распределения в анодной области.
Научно-практическая значимость работы определяется тем, что в ней получена новая важная информация, способствующая развитию представлений о механизме существования прианодного плазменного образования локализованного с центром на кончике анода в форме острия малого радиуса закругления. Перспективными направлениями практического применения являются: медицина, технологии нанесения полупроводниковых материалов, модификации поверхности, в качестве точечных источников излучения, индикаторов и активной среды лазеров.
Основные положения выносимые на защиту:
1) Экспериментальные данные параметров плазмы в микроплазменпом образовании, их зависимости от давления, разрядного тока н радиусах закругления анода.
2) Теоретическая модель и компьютерное моделирование распределения концентрации плазмы микроплазменного образования.
3) Метод зондового измерения пространственных распределений параметров в малых плазменных образованиях.

еЛио

' 1п
0.67.1—

(1.49)
1.5 Выводы по анализу литературы и постановка задачи
Литературные данные по контракции положительного столба относятся только к однородному положительному столбу (цилиндрические трубки, протяженные объёмные источники). Они показывают, что контракции в инертных газах при давлениях близких к атмосферному начинается при концентрации электронов
пс«10" см 3 и плотностью тока «10 Этот порог, по-видимому, заведомо

превышается в мнкроплазменном образовании с сильно неоднородной
,„5 , .2 -4/1
плотностью тока 10 -10 —г- и даже во всем остальном газоразрядном

промежутке е плотностью тока 102 — 101 . Главной причиной контракции, по-

видимом)', является ступенчатая ионизация.
Малый размер плазменного образования (доли миллиметра) и сильная неоднородность плотность тока /«у могут привести к новым эффектам. Так из-за малого размера плазмы существенно увеличивается диффузионный уход заряженных частиц, а сильная неоднородность создаёт дополнительное градиентное поле, также способствующее выносу ионов и увеличению напряжённости в нем. Все это требует как экспериментальных, так и теоретических исследований.
Анализ работ по анодному слою показал, что возможна падающая вольтамперная характеристика анодного слоя и его привязка к кончику анода. Можно также отметить, что большая плотность тока на аноде приводит к малой толщине анодного слоя и его необходимо рассматривать совместно с квазинейтральной областью плазмы. Это требует совместного решения уравнений непрерывности, движения и уравнения Пуассона с учетом инерциальных членов (гидродинамическое приближение). В качестве экспериментальной методики исследований кроме фотографирования и измерения вольтампериых