Размещено на http: //www. allbest. ru/
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы
Исследование электрических и спектральных характеристик тлеющего разряда низкого давления в продольном магнитном поле
Пинаев Вадим Александрович
Новосибирск 2014
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук
Научный руководитель:
кандидат технических наук, Уланов Игорь Максимович
Официальные оппоненты:
Чередниченко Владимир Семенович - д.т.н., профессор, Новосибирский государственный технический университет, профессор
Ражев Александр Михайлович - д.ф.-м.н., Институт лазерной физики СО РАН, зав. лаб.
Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет
Защита состоится « 04 » июня 2014 г. в 10 час. 30 мин., на заседании диссертационного совета Д 003.053.01 по защите диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук при Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института теплофизики СО РАН: http://www.itp.nsc.ru/dissertation/pinaev-vadim-aleksandrovich
Автореферат разослан «___» _________ 2014 г.
Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 630090, Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1, Ученому секретарю совета.
email: dissovet@itp.nsc.ru
Факс: (383) 330-84-80
Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н., профессор Кузнецов Владимир Васильевич
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Применение тлеющего разряда в различных технологических процессах (обработка и модификация поверхности, плазмохимия) в лазерной технике (создание инверсной населённости), в качестве среды для исследований (пылевая плазма), в технологиях создания источников света (лампы дневного света, ультрафиолетовые лампы) делает актуальным его исследование в широкой области фундаментальных и прикладных задач физики низкотемпературной плазмы. Одним из способов изменения основных параметров тлеющего разряда является воздействие на него магнитного поля.
Проведенный анализ литературных данных показал, что большая часть работ, связанных с экспериментальными исследованиями тлеющего разряда, посвящена исследованиям тлеющего разряда в области положительного столба (ПС). Гораздо меньшее количество работ посвящено изучению области отрицательного свечения (ОС). Влияние магнитного поля на область отрицательного свечения и излучения тлеющего разряда (ТР) практически не рассмотрено. Имеющиеся по данной тематике работы, как правило, описывают свойства тлеющего разряда в достаточно узком диапазоне параметров. Отсутствуют работы по исследованию излучения непрерывного спектра отрицательного свечения тлеющего разряда. Основная трудность измерения непрерывного спектра ТР низкого давления связана с тем, что интенсивность его излучения чрезвычайна мала.
Принимая во внимание отсутствие в литературе достаточных сведений о поведении тлеющего разряда в магнитном поле, можно сделать вывод об актуальности данных исследований.
Целью работы является проведение комплексных экспериментальных исследований спектральных и электрических характеристик тлеющего разряда в магнитном поле в различных плазмообразующих газах в широком диапазоне определяющих параметров (давление разрядного газа, сила тока разряда, длина разряда).
Основные задачи исследования
Получение новых экспериментальных данных о зависимости напряжения, распределения температуры и плотности заряженных частиц, спектральных характеристик излучения тлеющего разряда низкого давления в продольном магнитном поле от величины магнитного поля, давления и рода плазмообразующего газа.
Изучение влияния продольного магнитного на оптические характеристики тлеющего разряда, проведение исследований тлеющего разряда с применением оптических методов диагностики плазмы.
Развитие метода прямого статистического моделирования высоко-энергетичной компоненты функции распределения электронов в катодных областях тлеющего разряда с целью получения количественных данных о релаксации пучка быстрых электронов по длине разряда.
Численный анализ интенсивности излучения непрерывного спектра в области отрицательного свечения, темного фарадеева пространства и положительного столба тлеющего разряда низкого давления на основе теории излучения низкотемпературной плазмы.
Выявление основных закономерностей распределения спектральной плотности излучения непрерывного спектра на основе полученных экспериментальных данных и выполненных расчётов.
Научная новизна
В работе получены новые экспериментальные данные о зависимости общего напряжения тлеющего разряда низкого давления (10ч133 Па), находящегося в продольном магнитном поле до 1400 Гс. Показано, что при наложении магнитного поля общее напряжение на разряде уменьшается в 2-3 раза; с повышением давления плазмообразующего газа (до ~ 200 Па) магнитное поле перестаёт оказывать влияние на напряжение и геометрию тлеющего разряда. спектральный тлеющий разряд магнитный
Впервые получено продольное распределение температуры и плотности электронов в области отрицательного свечения тлеющего разряда, находящегося в магнитном поле.
Обнаружено, что наложение магнитного поля приводит к росту температуры (в 3-7 раз) и плотности электронов (в 5-20 раз) в области отрицательного свечения тлеющего разряда, в отличие от случая, когда магнитное поле воздействует на область положительного столба, где температура и плотность электронов падает.
Показано, что гибель пучка быстрых электронов на стенке разрядной камеры влияет на длину отрицательного свечения тлеющего разряда низкого давления. В случае если разряд находится в продольном магнитном поле длина отрицательного свечения совпадает с энергетической длиной релаксации быстрых электронов.
Получены новые экспериментальные данные о спектральных характеристиках излучения тлеющего разряда в широком диапазоне условий горения: давления разрядного газа 10ч200 Па, силы тока разряда 5ч100 мА, индукции магнитного поля 0ч1400 Гс, вида разрядного газа He, H2, Ne. Все спектральные измерения выполнены в абсолютных единицах.
Показано, что при низком давлении в области отрицательного свечения тлеющего разряда измеренная интенсивность излучения непрерывного спектра существенно превосходит расчётную интенсивность тормозного излучения электрона на атомах в предположении наличия у электронов максвелловской функции распределения по энергиям. Учёт нелокальности функции распределения уменьшает расхождение экспериментальной и расчётной величины интенсивности непрерывного спектра.
Практическая значимость результатов
Найденные в работе условия увеличения интенсивности излучения тлеющего разряда низкого давления, находящегося в магнитном поле, могут быть использованы при создании новых источников света.
Обнаруженное увеличение плотности заряженных частиц под действием магнитного поля может быть использовано при модификации поверхностей различных материалов.
Достоверность полученных результатов достигается использованием широко апробированных методик измерения электрокинетических и спектральных характеристик разряда; калибровкой и поверкой используемой аппаратуры; проведением многократных экспериментальных исследований тлеющего разряда для фиксированного режима горения разряда (проверка воспроизводимости результата); сравнением полученных результатов с работами других авторов.
Автор защищает
Результаты экспериментального исследования электрических характеристик тлеющего разряда низкого давления в магнитном поле.
Эффект влияния рекомбинации электронов пучка на стенке разрядной камеры на длину отрицательного свечения тлеющего разряда низкого давления. Полученные результаты прямого статистического моделирования функции распределения электронов пучка по энергиям в области отрицательного свечения тлеющего разряда.
Результаты экспериментального исследования излучательных характеристик тлеющего разряда в магнитном поле в водороде и инертных газах He, Ne.
Обнаруженный эффект превышения экспериментально измеренной спектральной плотности излучения непрерывного спектра над тормозным излучением электронов основной группы в области отрицательного свечения тлеющего разряда низкого давления.
Личный вклад соискателя
Автор провёл анализ литературных данных по теме работы, принимал непосредственное участие в постановке задачи. Им создана и модернизирована экспериментальная установка, с целью подготовки и автоматизации эксперимента, проведены эксперименты и обработка полученных данных для определения электрических и спектральных характеристик тлеющего разряда; разработана модель релаксации пучка быстрых электронов в катодных областях тлеющего разряда, выполнен расчёт и анализ представленных результатов, подготовлены публикации по результатам исследований.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на конференциях:
VI International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, 18-22 September, 2009.
Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы». Петрозаводск, 21-27 июня 2011 г.
Всероссийская научная конференция студентов физиков. Красноярск, 29 марта-5 апреля, 2012 г.
L Международная научная студенческая конференция. Новосибирск. 11-16 апреля, 2012 г.
VII International Conference Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, 17-21 September, 2012.
Всероссийская научная конференция студентов физиков. Архангельск, 28 марта-4 апреля, 2013 г.
LI Международная научная студенческая конференция. Новосибирск. 12-18 апреля, 2013 г.
Публикации
Всего по теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 3 в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК, 2 в материалах международных конференций, и 4 в сборниках тезисов отечественных конференций.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 108 страницах, включает библиографический список из 93 наименований работ, иллюстрирована 44 рисунками.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении диссертации обоснована актуальность выбранной темы, поставлена цель и сформулированы основные задачи работы. Отмечена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
Первая глава посвящена обзору основных результатов, по исследованию непрерывного спектра излучения и влиянию магнитного поля на тлеющий разряд.
В настоящее время теория тормозного излучения электронов на атомах и различных частицах (ионах, кластерах, дебаевских сферах в плазме, наночастицах и т.д.) разработана как в полуклассическом подходе (Bethe и Oppenheimer (1946), Фирсов и Чибисов (1960), Зельдович и Райзер (1967)), так и в строгом квантовомеханическом подходе (Касьянов и Старостин (1965), Романихин (2002)).
Экспериментальное исследование излучения непрерывного спектра излучения в области положительного столба тлеющего разряда выполнено для гелия, неона при давлениях 10ч500 торр и токах разряда 15ч500 мА. Показано, что непрерывный спектр излучения может быть использован для бесконтактной диагностики плазмы. В работе Кагана (1969) развит метод определения температуры электронов по измерению отношения интенсивности излучения непрерывного спектра на разных длинах волн, а также определение плотности заряженных частиц по измерениям абсолютной величины непрерывного спектра. Дальнейшее совершенствование данного метода путём уточнения отличия от максвелловского вида реальной функции распределения электронов по энергиям в области положительного столба показало хорошие перспективы его применения (Голубовский (1973)).
Область отрицательного свечения тлеющего разряда в силу своего более близкого расположения к области катодного падения, где сосредоточенно основное падение напряжения разряда и наблюдается сильное электрическое поле 1_40 кВ/см (Kuraica and Konjevic (1997)), требует еще более детального учёта нелокальности функции распределения по энергиям.
Установлено, что процессы возбуждения уровней в области отрицательного свечения имеют прямой характер (Каган(1975)). В отличие от положительного столба, где преобладает ступенчатая ионизация, в отрицательном свечении ионизация происходит в основном из основного состояния (Cohen(1989)). Поэтому для глубокого понимания физики катодных областей, необходимо учитывать нелокальность происходящих процессов и наличие трёх групп электронов с различными энергиями (Райзер и Шнейдер (1991), Колобов и Цендин (1992)).
Наложение магнитного поля на область положительного столба приводит к уменьшению продольного электрического поля и температуры электронов. Интенсивность излучения линий падает (Рохлин(1939), Cohen et al. (1989)), в то время как интенсивность излучения непрерывного спектра может возрастать (Алесковский и др. (1961)). В случае, когда магнитное поле накладывается на область отрицательного свечения, температура и концентрация электронов увеличивается, общее падение напряжения на разряде при заданном токе падает, светимость в линейчатом, молекулярном и непрерывном спектре возрастают (Уланов и др. (2005)).
На основании проведённого литературного обзора сделан вывод о том, что большая часть работ посвящена исследованиям тлеющего разряда при высоких давлениях в области положительного столба. Гораздо меньшее количество работ посвящено исследованию оптических характеристик области отрицательного свечения, на которую приходится пик интенсивности излучения тлеющего разряда и сильная нелокальность электронного спектра. Вопрос излучения непрерывного континуума отрицательного свечения рассматривался до сих пор в относительных единицах без измерения абсолютных величин интенсивностей излучения и сопоставление полученных данных с теоретическими значениями для различных процессов, приводящих к формированию непрерывного спектра. Принимая во внимание отсутствие количественных данных об излучении непрерывного спектра в ОС, сделан вывод об актуальности проведения комплексных экспериментальных исследований спектральных и электрических характеристик тлеющего разряда.