Упорядоченные структуры в термической плазме с сильным взаимодействием макрочастиц

• Автор: Чернышев, Александр Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 144 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА С
ЗАРЯЖЕННЫМИ МАКРОЧАСТИЦАМИ
1.1. Зарядовый состав термической плазмы с макрочастицами
1.1.1. Процессы ионизации-рекомбинации газа
1.1.2. Механизмы зарядки макрочастиц
1.1.3. Заряд макрочастиц и концентрация электронов
1.2. Упорядоченные структуры в плазме с сильным 14 . взаимодействием макрочастиц
1.2.1. Диаграмма состояния плазмы
1.2.2. Наблюдение упорядоченных структур макрочастиц в плазме
1.3. Методы экспериментального исследования плазмы с 22 макрочастицами
1.3.1. Определение параметров газовой фазы
1.3.1.1 Температура газа и концентрация атомов щелочного
металла
1.3.1.2. Концентрации ионов и электронов
1.3.2. Диагностика макрочастиц
1.3.2.1. Размеры и показатель преломления макрочастиц
1.3.2.2. Концентрация макрочастиц
1.3.2.3. Температура макрочастиц
1.3.3. Методики наблюдения и анализа упорядоченных структур 3 7 макрочастиц
1.4. Заключение и выводы
ГЛАВА 2. ДИАГНОСТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ С
МАКРОЧАСТИЦАМИ
2.1. Экспериментальный стенд для исследования плазмы с 42 макрочастицами
2.1.1 .Генератор плазмы с макрочастицами '
2.1.2.Диагностический комплекс
2.2.Диагностика газа
2.2.1. Модифицированные методы обращения и полного 44 поглощения
2.2.1.1.Теория
2.2.1.2.Процедура измерений
2.2.2. Метод одиночного зонда и определение концентрации 49 электронов по продольной напряженности электрического
поля и току
2.3. Определение параметров макрочастиц
2.3.1. Метод апертурной прозрачности

2.3.1.1. Теория
2.3.1.2. Процедура измерений
2.3.2. Модифицированный спектрометрический метод
2.3.2.1. Теория
2.3.2 2. Процедура измерений
2.3.3. Лазерный счетчик для анализа упорядоченных структур 70 макрочастиц
2.4. Заключение и выводы
ГЛАВА 3. ЗАРЯДОВЫЙ СОСТАВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ
С МАКРОЧАСТИЦАМИ: ЭКСПЕРИМЕНТ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
3.1. Решение уравнения Пуассона для случая 75 низкотемпературной плазмы с макрочастицами в модели
ячеек
3.1.1. Постановка задачи
3.1.2. Описание решения задачи
3.1.3. Применение полученного решения для условий 83 эксперимента
3.2. Результаты измерений параметров газа и макрочастиц
3.2.1. Температура газовой фазы и концентрация атомов 86 щелочного металла
3.2.2. Размеры, показатель поглощения, температура и 91 концентрация макрочастиц
3.2.3. Концентрации электронов и ионов
3.3. Анализ результатов эксперимента
3.4. Заключение и выводы 102 ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ УПОРЯДОЧЕННЫХ СТРУКТУР
МАКРОЧАСТИЦ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ: ЭКСПЕРИМЕНТ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
4.1. Экспериментальное наблюдение упорядоченных структур 104 макрочастиц в термической плазме
4.2. Численное моделирование упорядоченной структуры 109 макрочастиц
4.2.1: Моделирование методом Монте-Карло
4.2.1.1. Усреднение корреляционных функций по 110 измерительному объему
4.2.2. Термофоретическое взаимодействие макрочастиц
4.2.2.1. Основные формулы
4.2.22 Численный эксперимент
4.3. Заключение и выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Термическая плазма с макроскопическими частицами дисперсной фазы представляет собой низкотемпературную плазму, содержащую жидкие или твердые частицы вещества малых размеров [1,2]. Такую плазму также называют пылевой, аэрозольной, коллоидной или плазмой с дисперсной фазой. Макрочастицы эффективно взаимодействуют с заряженными компонентами плазмы и поэтому существенно влияют на свойства плазмы. Так, частицы, эмитирующие электроны, могут повысить концентрацию электронов в газовой фазе и ее электропроводность. Если же частицы захватывают электроны, то возникает противоположный эффект. В предельном случае неионизованного газа наличие макрочастиц полностью определяет электрофизические свойства плазмы. Эффекты, связанные с присутствием частиц, наблюдались еще в ранних экспериментах [3,4] при исследовании плазмы углеводородных пламен. Однако активное исследование плазмы с макрочастицами началось лишь в последние десятилетия в связи с появлением целого ряда приложений, таких как электрофизика и электродинамика продуктов сгорания ракетных топлив, электрофизика рабочего тела магнитогидродинамического генератора на твердом топливе, физика пылегазовых облаков в атмосфере [5-9]. Пыль и пылевая плазма также широко распространены в космосе. Они обнаружены в планетных кольцах, хвостах комет, вблизи поверхности Луны, в межпланетных и межзвездных облаках [10-12].
В последнее время повышенный интерес к изучению свойств пылевой плазмы связан с широким использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике и при производстве тонких пленок [13-15]. Наличие частиц в плазме не только приводит к загрязнению поверхности полупроводникового элемента и тем

необходим корректный расчет переноса излучения в исследуемой среде и надежные предварительные данные об излучательной способности слоя частиц ДФ. Излучательная способность дисперсной среды определяется ее геометрией и оптическими характеристиками отдельных частиц. При известных размерах, концентрации и показателе преломления частиц излучательную способность можно рассчитать по формулам теории рассеяния [61,69,70,86,102,103]. Однако, в практических условиях оптические характеристики частиц неизвестны и сами являются объектом исследования. Так как частицы дисперсной фазы сильно подвержены влиянию внешних условий, то получить предварительные сведения об их оптических характеристиках возможно далеко не всегда. Поэтому для достоверного измерения температуры двухфазных сред необходимо, чтобы все параметры, входящие в уравнения переноса излучения, определялись в ходе экспериментальных исследований при тех же самых внешних условиях.
Одним из способов определения температуры частиц является регистрация собственного излучения дисперсной среды под разными углами или при разных оптических плотностях [84,86,87,92,102], но такие измерения связаны с необходимостью введения априорной информации либо о вероятности выживания кванта, либо об индикатрисе рассеяния исследуемых частиц. Отсутствие надежных данных об оптических характеристиках слоя частиц - одна из основных проблем пирометрии дисперсных сред.
Для определения истинной температуры частиц в двухфазных потоках используют спектральные измерения на линиях излучения атомов газа [87,92]. В пределах узких спектральных линий оптические свойства частиц практически не меняются, что позволяет получить простые аппроксимационные соотношения для спектральной зависимости