Введение к работе
Актуальность темы исследований.
В представленной работе проведены экспериментальные исследования влияния пылевых плазменных структур, образованных макрочастицами А12Оз на спектральные и электрические характеристики стратифицированного тлеющего разряда низкого давления.
Плазма с макроскопическими частицами дисперсной фазы представляет собой низкотемпературную плазму, содержащую жидкие или твердые частицы вещества малых размеров. Макрочастицы эффективно взаимодействуют с заряженными компонентами плазмы и поэтому могут влиять на свойства плазмы.
Условия существования плазмы с макрочастицами могут значительно варьироваться. Благодаря большим зарядам, которые могут
приобретать макрочастицы (порядка 102 — 104)е, параметр межчастичного взаимодействия Г, определяемый, как отношение энергии кулоновского взаимодействия, частиц к энергии их теплового движения, может намного превышать единицу, что означает возникновение сильнонеидеальной плазмы[1].
Теоретические расчеты равновесных свойств такой плазмы показывают, что при определенных условиях сильное межчастичное взаимодействие приводит к возникновению упорядоченной структуры в расположении макроскопических частиц, аналогичной структурам в жидкости или твердом теле[2].
Несмотря на то, что впервые пылевая плазма в лабораторных условиях была обнаружена Лэнгмюром еще в 20-х годах нашего столетия, тем не менее, эксперименты по ее изучению активно начали проводиться лишь с 90-х годов. Широкий круг прикладных задач, таких как изучение продуктов сгорания ракетных топлив, изучение пылевых образований в атмосфере Земли и в космическом пространстве, появление пылевой плазмы при производстве полупроводниковых интегральных элементов, делает актуальными задачи всестороннего изучения феномена пылевой плазмы для осознанного управления ее свойствами и использования^]. Это в полной мере относится к вопросам изучения упорядоченных структур-пылевых "кристаллов", самоорганизующихся при определенных условиях в такой плазме [4].
Любые возмущения конденсированной дисперсной фазы в процессе обработки полупроводникового материала
а 3=ЙЗ
(Нігтів
! оэ wuWT4r#
на поверхность изделия и снижению числа выхода годных элементов. Поэтому изучение свойств пылевого кристалла, механизмов его образования и роста внесет вклад не только в основы фундаментальной физики, но и имеет широкое применение в большом числе прикладных задач.
Цель диссертационной работы заключается в изучении свойств пылевого плазменного кристалла с использованием оптико-спектральных методов диагностики:
изучения влияния образования и роста пылевой структуры на спектральные и электрические характеристики газового разряда
изучения области существования пылевой плазменной структуры и влияния параметров разряда (тока, напряжения, давления) на характеристики структуры пылевого образования
разработке методик диагностики плазменного кристалла в процессе его формирования и роста
разработке программно-аппаратного автоматизированного комплекса для проведения исследований, обработки и представления результатов.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые проведены комплексные исследования пылевой плазменной структуры с использованием оптико-спектральных методов.
Осуществлено исследование области существования пылевого плазменного кристалла в газовом разряде в широком диапазоне токов, напряжений, давлений и определены области, в которых фазовое состояние исследуемой пылевой структуры можно определить как кристаллическое, жидкое, газообразное.
Исследовано влияние вброса макрочастиц и последующего образования пылевой структуры на спектральную мощность излучения из области ее существования и изменение параметров газового разряда с теми же условиями, но без ее наличия.
Осуществлено выращивание упорядоченной плазменно-пылевой структуры и на различных этапах ее роста определены размеры, объем, форма, количество частиц в объеме структуры и среднее межчастичное расстояние для макрочастиц в соответствующих структурах.
Установлены закономерности, связывающие объем и количество частиц в нем для упорядоченных плазменно-пылевых структур из полидисперсных частиц AI2O3 в тлеющем разряде в неоне. Установлено, что в широком диапазоне размеров структуры и числа частиц в них среднее межчастичное расстояние сохраняется и
составляет (1.3 ± 0.05) * 10"2 см.
Установлены закономерности в изменении интенсивностей спектральных линий при модификации "структур" в процессе их выращивания и воздействия на них энергетических потоков и оценена роль различных механизмов возбуждения в условиях проведенных экспериментов.
Разработаны и апробированы оригинальные методики регистрации влияния конденсированной дисперсной фазы на спектральные и электрические параметры газового разряда с использованием относительно новых программных и аппаратных средств диагностики.
Сняты видеопоследовательности о поведении макрочастиц в структурах при различных условиях и объемах структур.
Научная и практическая ценность
Получены новые знания и развиты представления о формировании упорядоченных плазменно-пылевых структур, характеристиках их форм, объемов, строения и фазового состояния в различных условиях их существования, необходимые для развития теории и приложений пылевой плазмы.
Сформирован комплекс технических и программных средств, позволяющий вести в автоматизированном режиме с высокой эффективностью многофакторные и многопараметрические эксперименты, а также обработку их данных по широкому кругу проблематики пылевой плазмы с упорядоченными структурами. Благодаря модульному принципу комплектования программно-аппаратных средств комплекс может быть широко использован в научно-образовательном процессе по различным предметным направлениям.
Сформирована электронная база данных с результатами проведенных экспериментов, протоколами условий их проведения, с результатами обработки данных, позволяющая обеспечить надежными, объективными и достоверными данными и
информацией дальнейшее развитие и интерпретацию этих данных на основе проверки теоретических гипотез, описывающих физику процессов формирования упорядоченных плазменно-пылевых структур и их характеристик.
Положения, выносимые на зашиту
Получен массив экспериментальных данных по влиянию образования пылевой структуры на электрические характеристики тлеющего разряда и массив спектрометрических данных об изменении среды в условиях экспериментов. - Впервые осуществлено выращивание "плазменного кристалла", и в ходе этого процесса изучены форма, структура, зависимости величины объема от числа инжектируемых в него макрочастиц.
Впервые проведены систематические исследования спектров, излучаемых средой с макрочастицами и без них при различных модификациях упорядоченных структур, и оценены механизмы возбуждения для плазмы с частицами КДФ и без них, а также их изменение при росте и модификации упорядоченных структур.
Впервые установлено, что межчастичное расстояние структур не зависит от их величины при заданных внешних условиях, а форма и границы упорядоченной структуры мало изменяются в широком интервале энергетических воздействий на структуру для конкретной системы макрочастица-газ.
Оценены области условий существования различных фазовых состояний упорядоченной плазменно-пылевой структуры определенного вещества макрочастиц в определенной газовой среде (например, АІ2О3 в неоне).
Разработана техника и методика исследований, позволяющие определить влияние образования упорядоченной пылевой плазменной структуры на характеристики (спектральные и электрические) газового разряда низкого давления и осуществлять оптическую диагностику с использованием программно-аппаратного комплекса автоматизированного сбора и обработки результатов измерений на основе программных средств LabView, Instaspec и многофункционального адаптера PC-1802, а также оригинальных программных модулей обработки изображений и отображения результатов исследований.
Апробация результатов работы:
Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались, на научных семинарах кафедры, информационно-измерительных систем и физической электроники ПетрГУ и ИТЭС ОИВТ РАН г. Москва; II Всероссийской научной конференции "Молекулярная физика неравновесных систем" Иваново 2000г.; 3-ей Международной конференции "Физика плазмы и плазменные-технологии" (ФППТ-3, Минск, 2000г).; семинаре академика В.Е. Фортова (Москва, 2000г.); 3-ей Международной конференции "ФНТП-2001" (Петрозаводск 2001г.), 16th Международном симпозиуме по плазмохимии. (Taormina, Italy, 2003.), 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. (St Petersburg, Russia, 2003.), Ha международной конференции физики низкотемпературной плазмы. (PLTP-03. Kiev, Ukraine, 2003).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 статей и тезисов докладов в
материалах Международных и Всероссийских конференций и
семинаров.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 118 страниц, 36 рисунков и 15 таблиц. Список использованной, и цитированной литературы содержит 81 наименование.
