Разработка самосогласованных моделей для стационарных и нестационарных разрядов в низкотемпературной плазме

• Автор: Прошина, Ольга Вячеславовна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор литературы
Глава 2. Моделирование разряда в ячейке плазменной дисплейной панели
§1.Введение
§2. Моделирование разряда в ячейке ПДП с малым зазором 100 мкм
2.1 Особенности разряда в ячейке ПДП с малым зазором
и общие принципы гибридной модели
2.2 Описание численной модели. Диффузионно-дрейфовая часть гибридной модели
2.3 Кинетическая модель разряда в ячейке ПДП Система уравнений химической кинетики
2.4.Описание результатов
§3. Моделирование разряда в ячейке экрана коллективного пользования (ЭКП). Исследование зависимости электродинамических и излучательных характеристик от частоты поддерживающих импульсов
3.1 Численная модель
3.2 Результаты расчетов
Глава 3. Исследование элементарных процессов в плазме электроотрицательных газов. Образование радикалов СРг и СБ при диссоциации молекул С?4 электронным ударом
§1. Введение
§2. Обработка экспериментальных данных
§3. Определение парциальных сечений диссоциации молекул С?4 электронным ударом по каналам с образованием радикалов СБ: и СР
Г лава 4. Самосогласованная численная модель разряда постоянного тока в кислороде
§1. Введение
§2. Кинетическая схема
§3. Численная модель
§4. Результаты моделирования и обсуждение
4.1 Кинетика заряженных частиц
4.2. Кинетика атомов кислорода в основном состоянии 0(3Р)
4.3 Кинетика нижнего метастабильного состояния СЬД)
Заключение
Список литературы

Введение.
Тема работы. Работа посвящена исследованию процессов в неравновесной низкотемпературной плазме на основе самосогласованного численного моделирования стационарных и нестационарных разрядов при пониженных значениях параметра рй (где р - давление, с! - характерный размер плазмы). Это позволяет на основании адекватных подходов к описанию электронной и плазмохимической кинетики изучить процессы образования и гибели активных частиц плазмы в объеме и на поверхности.
Актуальность проблемы.
Широкий интерес к изучению неравновесной низкотемпературной плазмы в настоящее время обусловлен ее интенсивным использованием в современных технологиях: источники излучения, осаждение тонких пленок, процессы травления в микроэлектронике, получение новых материалов и др.
Наибольший прогресс в изучении плазменных систем и оптимизации их параметров может быть достигнут на основе совместного экспериментального и теоретического исследования. Сопоставление экспериментальных данных с результатами моделирования позволяет получить детальную информацию об элементарных процессах в плазме и выявить их влияние на электродинамику и кинетику разряда. С другой стороны, сравнение результатов вычислений с экспериментальными данными необходимо, чтобы установить степень корректности и области применимости создаваемых численных моделей.
Разряды низкого давления в плазме электроотрицательных газов являются основными источниками неравновесной низкотемпературной плазмы в ряде ключевых процессов в современных плазменных технологиях. Это обуславливает повышенный интерес к фундаментальным исследованиям разрядов в электроотрицательных газах, и в частности, различных элементарных процессов в плазме этих газов, что является необходимым условием для создания корректных самосогласованных моделей разрядов.
Научная новизна работы состоит в следующем.
Предложена и реализована гибридная самосогласованная модель разряда в ячейке плазменной дисплейной панели, описывающая кинетику быстрых электронов

методом Монте Карло, а кинетику медленных электронов, ионов и всех нейтральных компонент в диффузионно-дрейфовом приближении. Показано влияние нелокальное™ энергетического спектра электронов на электродинамику разряда и динамику резонансного и димерного излучения. Исследована зависимость разрядных характеристик от частоты приложенного напряжения.
• Разработана самосогласованная модель тлеющего разряда постоянного тока (ТРПТ) в трубке в кислороде. Получены радиальные распределения заряженных и нейтральных частиц в плазме кислорода. Па основе численного моделирования ТРПТ в кислороде и анализа экспериментальных данных установлен механизм быстрого тушения синглетного кислорода. Построена кинетическая модель гетерогенной гибели атомарного кислорода на стенках реактора.
• Из анализа экспериментальных данных и кинетических коэффициентов, полученных из решения уравнения Больцмана для функции распределения электронов, определены сечения неупругого рассеяния электронов в газах сложных молекул (Ср4). Получены припороговые значения сечений диссоциации электронным ударом молекулы СБт по каналам с образованием радикалов СБг и СБ.
Практическая ценность данной работы.
Расчеты, проведенные в данной работе, позволили объяснить ряд особенностей электронной и плазмохимической кинетики в разрядах и газовых средах, широко используемых в современных технологиях.
Результаты, полученные при моделировании физических процессов в разряде ячейки плазменной дисплейной панели, могут быть использованы при разработке схем ее электрического управления и оптимизации излучательных характеристик. Исследование механизмов образования и гибели активных частиц в плазме электроотрицательных газов является необходимым этапом для создания адекватных моделей, позволяющих рассчитывать сложные плазмохимические реакторы для различных процессов в технологии.
Основные положения, выносимые на защиту.
• Результаты моделирования разряда в ячейке плазменной дисплейной панели (ПДП) на основе самосогласованной гибридной модели. Влияние нелокальности энергетического спектра электронов на электродинамику разряда, динамику резонансного и димерного излучения.

распределения электронов вблизи катода приводит к значительному уменьшению скорости ионизации в этой области. Действительно, в сильных прикатодных полях электроны приобретают значительную энергию. В соответствии с локальной моделью эта энергия полностью расходуется на ионизацию и возбуждение газа непосредственно в месте ее приобретения, в то время как в нелокальном случае она расходуется в основном в области слабых полей уже за катодным падением потенциала, что и объясняет столь значительную разницу в положении максимумов электронной плотности. Отметим, что электрическое поле меняет знак вблизи максимума электронной плотности и не превосходит 5 (10) Тй в широкой области 5 -42 мкм (13-45 мкм) в локальном (нелокальном) случаях соответственно. Большая величина поля в этой области в нелокальном случае непосредственно связана с необходимостью компенсации переносимого быстрыми электронами отрицательного заряда на такие расстояния. Именно этот перенос заряда и приводит к появлению областей отрицательного свечения в прикатодных областях стационарных разрядов, в локальной модели их образование не может быть объяснено.
Нелокальность спектра электронов хорошо проявляется на виде пространственных распределений ионов. Гак, из рис. 9, 10, на которых приведены распределения плотности ионов Хе+ в нелокальном и локальном случаях соответственно, видно, что учет нелокальное™ оказывается очень существенным. В нелокальном случае отчетливо виден второй максимум плотности, определяемый в основном ионизацией быстрыми электронами на значительном расстоянии от области катодного падения. Неучет этого эффекта, а также завышение значения константы скорости ионизации в сильных полях в локальном случае приводит к формированию единственного максимума плотности ионов ксенона, расположенного значительно ближе к катоду. Отметим, что в области положительного столба вблизи максимума тока происходит ионизация в слабых полях с соответствующим повышением плотности ионов ксенона.
Аналогичная закономерность наблюдается и в распределении ионов неона. На рис. 11, 12 представлены пространственно-временные распределения ионов №+, полученные в расчетах по гибридной и локальной моделям соответственно. Как следует из рис. 9-12, несмотря на малое процентное содержание Хе, концентрация Хе+ заметно превышает концентрацию №+ во всем пространстве. Это связано с тем, что порог ионизации Хе значительно ниже порога ионизации Ые. Концентрация Хе имеет