Введение к работе
Актуальность работы: Зондовая диагностика является одним из наиболее простых и эффективных методов изучения плазмы. В настоящее время для измеряемой ионной части зондовой характеристики используются различные теоретические интерпретации, применимость каждой из которых зависит от конкретных параметров плазмы (давление, температура компонент и т. п.). Так, в области низкого давления применяются орбитальная и радиальная теории [1—5]. Орбитальная теория применима в том случае, когда ионы обладают значительным моментом количества движения (ионная температура отлична от нуля) и выполняется приближение бесстолкновительного движения. При этом даже редкие столкновения ионов с нейтралами разрушают орбитальное движение частиц. В случаях, когда модель орбит неприменима, более корректной является теория радиального дрейфа. Следует отметить, что как радиальная, так и орбитальная теории не учитывают ионизацию в объеме и предполагают формирование тока на бесконечности.
Теория ионного тока на электрический зонд при промежуточных давлениях без учета ионизации рассматривалась в [6-9]. Расчеты для плотной плазмы [10] показали существенное влияние ионизации на величину ионного тока насыщения. В виду этого актуальным является исследование влияния ионизации на формирование ионного тока на зонд при низких и промежуточных давлениях. Пренебрежение рождением ионов вследствие объемной ионизации приводит к необходимости формального увеличения области возмущения плазмы до бесконечности. Знание же области возмущения плазмы зондом необходимо для определения пространственного разрешения зондовых измерений и для оценки влияния зонда на плазму.
Помимо этого, в настоящее время зондовая теория используется для описания процессов зарядки пылевых частиц в плазме, которые образуют структуру так называемого плазменного кристалла. В данном случае пылевую частицу интерпретируют как очень малый зонд, размер которого на порядки меньше электронного дебаевского радиуса плазмы, находящийся в состоянии равновесия между ионным и электронным токами (плавающий потенциал).
Цель работы: Исследование влияния ионизации в объеме и столкновений на ионный ток на зонд (пылевые частицы) сферической и цилиндрической геометрии в плазме низкого и промежуточного давления и на формирование и размер области возмущения плазмы.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
Проведено теоретическое исследование и численный расчет слоя
пространственного заряда с учетом начальных скоростей ионов в со
ответствии с критерием Бома для широкого диапазона размеров зон-
т дов а = —— = 0.0001 -г-1000, где гз — радиус зонда, кд — электронный
дебаевский радиус плазмы.
Проведено сравнение элементарной теории слоя и радиальной
г теории в диапазоне размеров зондов а = —— = 0.0001 -^ 1000.
Предложена теоретическая модель ионного тока на зонд в приближении радиального дрейфа («холодные» ионы) с учетом ионизации и столкновений с атомами. Проведены численные расчеты для широкого диапазона относительных размеров зондов, частот ионизации и длин свободного пробега ионов.
Проведено моделирование методом молекулярной динамики ионного тока на зонд, учитывающее ионизацию в объеме, орбитальный момент ионов и столкновения с атомами. Проведены численные расчеты для широкого диапазона относительных размеров зондов, частот ионизации, длин свободного пробега ионов и типичных значений ионной температуры.
Выполнены эксперименты по измерению ионного тока на малые зонды в разреженной плазме и проведено сравнение с теоретическими моделями.
Научно-практическая значимость работы определяется тем, что в ней получена новая важная информация, способствующая развитию представлений о механизме формирования, величине и особенностях ионного тока на зонд в плазме низкого и промежуточного давлений с учетом столкновений с атомами и рождения частиц вследствие ионизации в объеме. Полученная информация представлена в удобной для практической интерпретации зондовых характеристик форме в виде графиков и таблиц. Перспективными направлениями практического применения являются: диагностика плазмы, физика плазменно-пылевых образований.
Основные положения выносимые на защиту:
1) Результаты численного расчета слоя пространственного заряда с учетом начальных скоростей ионов. Оценка приближения «слоя» для ионного тока на зонд.
Теоретическая модель ионного тока на зонд в приближении радиального дрейфа с учетом ионизации и столкновений с атомами. Результаты расчета (вольтамперные характеристики) ионного тока на сферические и цилиндрические зонды в приближении радиального дрейфа с учетом ионизации и столкновений с атомами.
Молекулярно-динамическая модель ионного тока на зонд, учитывающая ионизацию в объеме, орбитальный момент ионов и столкновения с атомами. Результаты расчета (вольтамперные характеристики) ионного тока на сферические и цилиндрические зонды с учетом ионизации в объеме, орбитального момента ионов и столкновений с атомами.
Измерения ионного тока на малый зонд в разреженной плазме и сравнение с теорией.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы были доложены на:
Конференции «Проблемы и возможности современной науки», г. Тамбов, 25 декабря 2009 г.
Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и северо-запада ФизикА.СПб, г. Санкт-Петербург, 27-28 октября 2010 г.
XX European Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (ESCAMPIG XX), Novi Sad, Serbia, 13-17 July 2010.
Всероссийской (с международным участием) конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП—2011). г. Петрозаводск, 21-27 июня 2011 г.
Вклад автора: Исследования проведены в период 2008-2011 гг. при непосредственном участии автора. Все численные расчеты и программная реализация алгоритмов проведены автором. Все экспериментальные измерения выполнены автором. В коллективных работах автору принадлежат защищаемые положения.
Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 139 страницах, включая 49 рисунков и списка литературы из 90 наименований на 5 страницах. Приложение содержит 144 страницы.
Благодарности: Исследования, представленные в данной работе, выполнялись при поддержке гранта в рамках Федеральной целевой программы Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы контракт № 16.740.11.0329 от 05.10.2010. Автор также выражает благодарность доценту КЭиЭ ПетрГУ Гостеву В. А. и ведущему инженеру КИИСиФЭ ПетрГУ Щербине А. И. за помощь в подготовке экспериментов и полезные обсуждения.
