Кинетические эффекты в поперечном наносекундном разряде с щелевым катодом в инертных газах

• Автор: Кобзева, Виола Сайпуллаевна
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Махачкала
• Количество страниц: 176 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
Глава I. Плазменно-пучковые разряды в инертных газах
1.1. Газовые разряды, развивающиеся в режиме
формирования высокоэнергетичных электронов
1.2. Газовые разряды с генерацией высокоэнергетичных электронов на основе полого катода
Глава II. Методика и техника эксперимента
2.1. Экспериментальная установка для исследования
поперечного импульсного наносекундного разряда с щелевым катодом
2.2. Методика и техника исследования электрокинетических характеристик
2.3. Методика и техника исследования оптических
характеристик
2.4. Анализ погрешностей измерений
Глава III. Результаты экспериментального исследования поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом
3.1. Электрические характеристики ППР с щелевым катодом
3.2. Пространственно-временное формирование разряда
3.3. Сравнительный анализ открытого и ограниченного разрядов
3.4. Поляризация атомных состояний в поперечном
наносекундном разряде
Глава IV. Кинетика плазменно-пучкового разряда с щелевым катодом
4.1. Режим формирования ППР с щелевым катодом
4.2. Влияние высокоэнергетических электронов на оптические свойства ППР с щелевым катодом
4.3. Численное моделирование процессов в разряде с щелевым катодом
Заключение
Список использованных источников
Введение
Плазма как активная среда привлекает к себе внимание двумя преимуществами. Во-первых, возможностью создания эффективных лазеров коротковолнового диапазона (видимого, ультрафиолетового и рентгеновского). Во-вторых, возможностью накачки в плазменную среду существенно больших количеств энергии (по сравнению с твердым телом, жидкостью и газом) без изменения агрегатного состояния [1].
Исследованию несамостоятельных плазменно-пучковых разрядов (ППР), образованных внешним жестким ионизатором в инертных газах и их смесях посвящено огромное количество научных работ, например [2 - 22]. Это связано с разработкой и оптимизацией работы газовых лазеров, генерирующих излучение в видимой области спектра, где в качестве активной среды используется пучковая плазма. Неравновесная плазма, создаваемая электронным пучком, находит широкое применение также в различных технологических устройствах, в частности, в устройствах для обработки поверхностей и нанесения тонких пленок, в радиационной и электронно-лучевой технологии, в плазмохимии и других областях [5, 6, 23, 24].
Плазменно-пучковые разряды, образованные внешним жестким ионизатором обладают целым рядом преимуществ. Важнейшее из них заключается в том, что основная доля энергии этих частиц идет на образование новых электронов (ионизация среды), а не на нагрев свободных электронов, уже имеющихся в ней. В работах [25 - 28] показано, что пучковая накачка пеннинговских плазменных лазеров обеспечивает на порядок большие значения коэффициента преобразования вложенной в газовую среду энергии, чем при использовании обычных газоразрядных активных сред. Однако получение таких разрядов связано с такими недостатками, как стоимость установок и громоздкость конструкций. Поэтому актуален вопрос о создании газоразрядных систем, в которых пучки

быстрых электронов формируются в самом разряде в процессе электрического пробоя газа [29 - 63]. На настоящий момент быстрые электроны получены в продольных разрядах в длинных трубках на фронте высокоскоростных волн ионизации [29 - 32, 41 — 47]; в скользящих по поверхности диэлектрика разрядах [48, 49]; в разрядах с полым катодом [50 -57]; в открытых разрядах с короткими межэлектродными промежутками [58 -63].
Обзор научной литературы показывает, что в настоящее время нет единого мнения по вопросам динамики формирования и развития ППР и механизмов генерации убегающих электронов в таких разрядах. К примеру, в журнале «Успехи физических наук» в последние годы велась достаточно жесткая полемика между авторами Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И. [64 - 66] с одной стороны и Бабичем Л.П. [67, 68] с другой стороны о механизмах генерации пучка убегающих электронов в газовых разрядах. В работе [69] Ульянов К.Н. также выступает против теории авторов [64]. Между авторами Боханом П.А., Колбычевым Г.В. с сотрудниками [70 - 73] и Сорокиным А.Р. [74 - 76] также ведутся дебаты по поводу картины формирования электронных пучков в открытых разрядах различного типа. Такие ситуации закономерны, поскольку нет достаточно полной экспериментальной базы для формирования достоверных выводов. Поэтому остро стоит вопрос о более подробном экспериментальном изучении физических процессов в таких системах.
Одним из перспективных направлений создания пучковой газоразрядной плазмы является импульсный поперечный наносекундный разряд с полым катодом. В конце 19-го — начале 20-го веков разные исследователи, работающие с тлеющими разрядами, указывали на то, что использование различных видов электродов приводило к существенным изменениям горения разряда (см. ссылки в [57]). В 1916 году Пашен Ф. опубликовал данные исследования спектра тлеющего разряда с полым катодом в гелии. Эту дату считают датой открытия разряда с полым катодом.

Разряд с полым катодом имеет ряд существенных отличий от разряда с плоскими электродами [154]. Напряжение пробоя для промежутка с полым катодом оказывается выше, чем для промежутка с плоскопараллельными электродами. Основной причиной этого является криволинейность силовых линий электрического поля в момент пробоя, вследствие чего движения электронов и ионов в разрядном промежутке отличаются друг от друга не только направлением, но и формой траекторий. Электроны с большой энергией, обладая малым эффективным сечением для соударений, двигаются между электродами как в вакууме, их траектории не совпадают с силовыми линиями поля. Ионы же, обладая большим сечением перезарядки, испытывают на своем пути много соударений, вследствие чего их траектории совпадают с силовыми линиями поля. Таким образом, ион, образованный каким-либо электроном, возвращается к катоду по другой траектории и попадает на катод в другом месте, отличающемся от места выхода из катода образовавшегося электрона. Это затрудняет выполнение условий пробоя и приводит к увеличению напряжения по сравнению с напряжением пробоя для плоскопараллельного промежутка.
Приближение границы плазмы к открытому концу полого катода приводит к искривлению в этом месте пространства эквипотенциальных поверхностей, граница плазмы приобретает воронкообразный характер, и вершина плазменной воронки проникает внутрь полости. При этом электроны, ускоренные на каком-либо участке катодного падения, входят в этот тонкий конический плазменный стержень с большими скоростями, проходят его насквозь, попадают в противоположный участок катодного падения, тормозятся встречным полем, останавливаются, начинают движение в противоположном направлении, снова попадают в плазму, проходят ее и т.д. Два эффекта могут быть важны при этом. Тормозясь во встречном поле, электроны формируют заметный отрицательный объемный заряд, который компенсирует положительный заряд пространства катодного падения и способствует приближению границы плазмы к поверхности катода. Кроме