Развитие импульсно-периодических газовых разрядов в самосогласованном электрическом поле : Электронная кинетика и производство активных частиц

• Автор: Панчешный, Сергей Валериевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 130 с. : ил

Оглавление
1 Введение

1.1 Постановка задачи и основные результаты

1.2 Структура работы

2 Обзор литературы

2.1 Экспериментальные методы исследования

2.1.1 Стримерный разряд

2.1.2 Высокоскоростная волна ионизации

2.1.3 Кинетическое описание разрядов

2.2 Теоретические методы исследования

2.2.1 Гидродинамическое приближение

2.2.2 Прямое решение кинетического уравнения Больцмана
2.2.3 Гибридные модели
3 Высокоскоростная волна ионизации
3.1 Экспериментальная установка и методика измерений
3.1.1 Схема экспериментальной установки
3.1.2 Калибровка оптической системы
3.1.3 Постановка эксперимента
3.1.4 Спектральные характеристики разряда в виде ВВИ
3.1.5 Разогрев газа в разряде
3.2 Заселенность электронно-возбужденных состояний
3.2.1 Вероятность радиационных переходов
3.2.2 Первичные экспериментальные результаты
3.2.3 Процессы, определяющие заселенность электронно-возбужденных состояний азота
3.3 Измерение констант скорости тушения
3.3.1 Методика измерений
3.3.2 Столкновительное тушение тяжелыми частицами
3.3.3 Релаксация ФРЭЭ и влияние возбуждения и тушения исследуемых состояний электронным ударом на измерения
3.3.4 Анализ влияния колебательной релаксации
3.3.5 Столкновительное тушение иона азота
3.4 Структура высокоскоростной волны ионизации
3.4.1 Кинетическое рассмотрение процессов возбуждения
3.4.2 Восстановление средней энергии и концентрации электронов в разряде

ОГЛАВЛЕНИЕ
3.4.3 Восстановление напряженности электрического поля в разряде
3.4.4 Сравнение с независимыми измерениями
3.4.5 Структура волны ионизации
3.5 Выводы
4 Стримерная вспышка
4.1 Геометрия “игла-плоскость”
4.1.1 Экспериментальная установка
4.1.2 Измерения распределения наработки активных частиц по длине разрядного промежутка
4.1.3 Скорость распространения фронта свечения
4.1.4 Пиковые концентрации активных частиц в области головки стримера
4.1.5 Интегральная наработка частиц
4.1.6 Область наработки активных частиц
4.1.7 Электрическое поле в области эффективного возбуждения электронных уровней
4.2 Геометрия с протяженным электродом
4.2.1 Наработки активных частиц по длине межэлектродного промежутка
4.2.2 Скорость распространения фронта свечения
4.2.3 Эффективность наработка активных частиц
4.2.4 Электрическое поле в области эффективного возбуждения электронных уровней
4.3 Динамика искрового пробоя промежутка
4.4 Выводы
5 Теоретическое исследование импульсных разрядов
5.1 Численное моделирование импульсных газовых разрядов
5.1.1 Гидродинамическая модель
5.1.2 Сравнение результатов моделирования с экспериментом
5.1.3 Роль фотопроцессов в развитии катодонаправленного стримера
5.2 Аналитическая модель катодонаправленного стримера
5.3 Неопределенность в скоростях элементарных процессов
5.4 Выводы
6 Заключение
Список иллюстраций
Список таблиц
Список литературы

Глава
Введение
Множество разновидностей газовых разрядов представляет особый интерес не только с точки зрения академической науки, но также в связи с перспективностью применения в промышленности. Области применимости распространяются от источников излучения до плазменно-химических реакторов. Так, последние 30-40 лет широкое применение нашли такие равновесные (или квази-равновесные) газовые разряды, как тлеющий, дуговой, ВЧ и СВЧ разряды и ряд других.
Однако существует ряд устройств с принципиально импульсными методами возбуждения: сильноточные коммутирующие устройства, лазерная техника (эксимерные, рентгеновские лазера, лазера на самоограниченных переходах) и многие другие. К тому же современное развитие технологий предъявляет все более высокие требования к используемым материалам и методам обработки веществ. Так, к основному недостатку стационарных газовых разрядов можно отнести большую скорость отвода энергии в быстротермолизую-щиеся степени свободы газа, что приводит к невысокой эффективности вложения энергии по каналам процессов с высокими пороговыми значениями. Состояние газовой среды при этом может варьироваться от холодной, относительно слабоионизованной плазмы тлеющего разряда, до термической плазмы дугового канала с характерными температурами в несколько тысяч градусов Кельвина.
Данного недостатка лишены импульсные газовые разряды, и именно они представляют интерес для генерации плазмы с большими энерговкладами в процессы с высокими энергиями активации. Температура газовой среды при этом может быть практически любой, хотя, как правило, практический интерес представляют случаи с температурой тяжелых частиц, близкой к комнатной.
Особенно важную роль играют процессы производства в разряде активных частиц (электронно-возбужденных частиц, атомов, радикалов и т.п.), тесно связанные с динамикой электрических полей и кинетикой электронов. Именно детальное исследование элементарных процессов, происходящих в газовом разряде, способно как улучшить понимание фундаментальных проблем физики низкотемпературной плазмы, так и привести к оптимальному решению технологических проблем.

3.3. ИЗМЕРЕНИЕ КОНСТАНТ СКОРОСТИ ТУШЕНИЯ
надежного выделения соответствующей молекулярной полосы излучения. В результате анализа измерения были проведены для длин волн, соответствующих 0 —> О (А = 337.1 нм), 1 -> 0 (А — 315.9 нм), 2 —» 1 (А = 313.6 им), 3 —>1 (А = 414.2 нм) переходам 2+ Системы Х2 и 0 —¥ 0 переходу 1“ системы N2 . В целях исключения влияния вращательной релаксации, регистрация излучения проводилась для колебательно-вращательных полос в целом. При этом ширина переходов определялась экспериментальным путем.
ВВП представляет собою распространение области сильной ионизации по разрядному промежутку. Высокая скорость распространения V ~ 109 см/с, пространственная однородность и хорошая повторяемость обусловлены высокими значениями электрических полей во фронте волны, обеспечивающими высокую однородность предионизации и ионизации газа во фронте волны и перед ним [71,72]. Как было продемонстрировано в [79], основная ионизация и возбуждение внутренних степеней свободы газа происходит в остаточных электрических полях за фронтом волны ионизации. Следует подчеркнуть, что как степень диссоциации газа, так и относительная концентрация возбужденных частиц в разряде в одиночном импульсе достаточны малы и достигают значений а ~ 10-4, что позволяет пренебречь тушением исследуемых уровней в столкновениях с возбужденными частицами [80,81].
Противоположная ситуация наблюдается для смеси М2:Н2:02. Термодинамически равновесным состоянием для данной системы при комнатной температуре является смесь азота с водяным паром (при давлениях, не превышающих давление насыщенного пара: при Т=300 К Р„ас=25 торр [70]). Исследования показали, что полная конверсия водорода в условиях возбуждения ВВП, наблюдавшаяся по эмиссионному континууму излучения Н2(а3£+ —> Ь3Е/) в ультрафиолетовой части спектра, происходит за времена 3-5 мин. Это позволяет рассматривать состав газа близким к равновесному, и, таким образом, давление паров Н20 можно пересчитать с использованием стехиометрических соотношений; если [Н2]щЬ [02];ш и [Н20]нп начальные концентрации Н2 и 02 молекул и конечная концентрация Н20, то
[Н20]йп = [Н2]ы = 2 • [02]ци
Таким образом, конверсия водород-кислородной смеси в водяной пар должна сопровождаться уменьшением давления в разрядной камере, что было обнаружено экспериментально. Более подробный анализ динамики конверсии азот-кислород-водородной смеси выполнен в [82].
3.3.2 Столкновительное тушение тяжелыми частицами
Спад интенсивности излучения в диапазоне давлений, исследуемых в настоящей работе, с хорошей точностью можно описать экспоненциальной зависимостью I — /0ехр(—1/т) (Рис.3.11). В раннем послесвечении (до 100 не) релаксация электронно-возбужденных состояний в смесях N9 — М происходит за счет тушения в столкновениях и радиационного расселения. Уменьшение заселенности верхнего возбужденного уровня описывается уравнением: