Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТІ) ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ. Исследования пространственно-временных структур, возникающих в неравновесной газоразрядной плазме, выливают неослабевающий интерес в научном н прикладном отношениях ввігду ее широкого применения в разнообразных технологиях и устройствах: в источниках света, лазерах, преобразователях оперши, в современных технологиях обработки материалов, травления микросхем и т. д. Пространственная неоднородность плазмы связана с наличием внешних факторов — электродов, поверхностей, ограничивающих плазму, зондов, анализаторов. Помимо этого в плазме могут возникать самоорганизованные структуры тина стоячих или бегущих страт и контракции. Кинетика электронов в стратах самым тесним образом связана с вопросами излучения плазмы. Яркости линейчатого излучения определяются процессами прямых и ступенчатых возбуждений при столкновениях электронов с атомами, спектральное распределение излучения тормозного континуума зависит от вида функции распределения электронов (ФРЭ). В стратах могут иметь место тонкие оптические эф(]>скты, связанные с фазовыми сдвшпмн свечения спектральных ліпшії с разными потенциалами возбуждения. В условиях конкуренции прямого и ступенчатого возбуждении интерпретацию этих эффектов можно дать только с помощью тщательного анализа функции распределения электронов в различных фазах страт во веем диапазоне энергии. Изучение страт в газовом разряде представляет большой общенаучный интерес, поскольку подобного рода явления встречаются во многих смежных дисциплинах, таких как физика полунроводітков, геофизика, гидродинамика, биология, химия.
Несмотря на длительную историю изучения страт в газовом разряде, первый важный этан в понимании специфики этих волн произошел лишь в начале 00-х годов, когда однозначно была установлена ноннзацпонно-днф-фузнонная природа страт, с чем связано их второе название — ионизационные волны. В 19G8 г. одновременно появились обзоры А.В. Недоспасова [1], Л. Пекарека [2], II. Олесона и А. Купера [3], в которых было проанализировано большое число работ, посвященных экспериментальным исследованиям бегущих и стоячих страт и их теоретическому осмыслению. В соответствии с содержанием перечисленных, а также более поздних обзоров и книг [4—В] природа страт в разных газах и разных разрядных условиях представлялась более или менее единой н поддающейся гидродинамическому описанию. Несомненным успехом гидродинамических теорий [1,7,8] можно считать достаточно адекватное описание свойств страт малой амплитуды, наблюдаемых в диффузном разряде вблизи верхней границы существования но току. Однако серьезный недостаток заключался в
том, что в рамках флюидного подхода было принципиально невозможно объяснить разнообразие видов и свойств страт, наблюдаемых в широком диапазоне давлений и токов, например три типа волн (S-, Р-, R-страты) в инертных газах при низких давлениях и малых токах.
В работах Т. Ружнчки и К. Ролены [9,10] было показано, что в инертных газах при низких давлениях и малых токах может реалпзонываться механизм стратификации, связанный е резонансным поведением электронной компоненты в пространственно модулированных электрических нолях. Л.Д. Цендин впервые показал [11], что нелокальный механизм формирования функции распределения электронов в пространственно периодических полях при учете малых потерь энергии в упругих ударах с атомами может приводить к эффекту бунчировки, т.е. стягиванию ФРЭ к резонансной траектории и, соответственно, к появлению характерного максимума на функции распределения, который бежит в пространстве и но ФРЭ.
Систематических экспериментальных исследовании поведения функции распределения и потенциала плазмы в S- и Р-стратах при низких давлениях и малых токах, которые позволили бы наглядно продемонстрировать их кинетическую природу, выявить общие черты н существенные различия распространения волны бунчировки в этих стратах, специфику формирования ФРЭ в областях слабого и сильного поля, в литературе практически пе проводилось. Отдельные сведения о поведении потенциала плазмы вдоль страты приведены в [12—14]; функции распределения в нескольких фазах страты в неоне и аргоне измерены в [15—17] для естественных страт и в [14] для искусственно возбужденных воли. Теоретических расчетов формирования ФРЭ в реальных электрических полях для естественных кинетических страт S- и Р-тшюв в литературе не обнаружено.
В настоящее время становится ясным, что природа ионизационных волн в зависимости от разрядных условий (давление, ток) и от сорта газа (атомарные, молекулярные) может быть совершенно различна. Отдельно можно выделить область повышенных давлении, где ионизационные волны возникают при скачкообразной контракции разряда, и область промежуточных давлении, где страты при небольших токах могут носить существенно нерегулярный характер, а при повышении тока переходят в регулярные. К моменту начала настоящей работы физические механизмы возникновения и распространения таких волн не были практически исследованы ни в экспериментальном, ни в теоретическом отношениях.
Стедуег особо отметить, что практически неизученными являются вопросы, связанные с взаимодействием страт с приэлектродными областями, в
частности, прохождение кинетических ионизационных поли через прнанод-ную область. Весьма спорным является вопрос о наличии потенциальных ям (обратных полеіі) в стратах, условиях их образования и пространственно-временных масштабах, специфике поведения функции распределения п таких полях.
НАСТОЯЩАЯ РАБОТА ПОСВЯЩЕНА комплексному экспериментальному и теоретическому исследованию проблемы возникновения и распространения ионизационных полк в низкотемпературной плазме инертных газов в широком диапазоне условий, для которых механизмы стратификации имеют существенно различную природу:
-
При низких давлениях (для неона pR < 5Торр-см) и небольших токах, где проблема возникновения страт должна решаться на основе последних достижений нелокальной кинетики электронов в пространственно-периодических полях [18,19] н где решающим фактором, должно быть тщательное исследование поведения ФРЭ, потенциала и линейчатого излучения плазмы к пространстве н времени.
-
При повышенных давлениях (рії>60 Торр-см), где ионизационные волны возникают одновременно со скачкообразной контракцией разряда и в связи е этим очень интересна динамика одновременного развития поперечной и продольной пеустойчпвоетен плазмы. При таких давлениях наряду с излучением спектральных линий появляется интенсивное свечение тормозного континуума, что позволяет проводит!» оптическую диагностику ионизационных волн.В этом диапазоне условий пространственная пелокалыюсть ФРЭ несущественна и может оказаться эффективным применение методов нелинейной динамики к анализу явлення контракции н одновременной стратификации разряда, как к примеру самоорганизации плазмы.
Л. При промежуточных давлениях (10 < pR < 60 Торр-см), где механизм стратификации для небольших токов может быть связан с нелокалыюстыо хвоста функции распределения [11]. Страты в этих условпях часто носят нерегулярный характер, и требуется развитие специальных методов измерений функции распределенші электронов в различных фазах нерегулярных поли. С ростом тока происходит плавное сжатие линейчатого и сплошного излучений плазмы к оси разряда п природа стратификации изменяется.
ЦЕЛИ РАБОТЫ заключаются в следующем:
— проведение систематических экспериментальных исследований профи-леи потенциала, ФРЭ и излучения спектральных литій в положительном столбе и нриаподнон области стратифищіроваїшого разряда низкого давлення в неоне (для S- и Р-етрат), а также условий возникновения и областей существовашш потенциальных ям и обратных нолей в стратах;
проведение конкретных расчетов ФРЭ в реальных электрических полях для Р- и S-страт в положительном столбе и прнанодной области разряда и сопоставление с экспериментальными данными, кинетический анализ формирования функции распределения запертых и свободных электронов при наличии обратных полей в стратах;
обобщение теории пространственной релаксации ФРЭ и бунчировки электронов в пространственно неоднородных нолях [ 1 ] ] с отказом от приближения «черной стенки» н с учетом реальных неунрутих ударов. Расчеты ФРЭ, формирующейся в неоднородных полях при наличии различных каналов потерь энергии;
теоретический анализ механизма возникновения н распространения ионизационных волн и контрагнровашюм разряде инертных газов, анализ взаимосвязи поперечной и продольной нсустойчнвостей разряда, приводящих к его шнурованию и одновременной стратификации;
проведение систематических экспериментальных исследований динамики скачкообразного контрагщювання, оптических характеристик и специфики ионизационных волн в контрагнровашюм разряде. Сопоставление результатов теории и эксперимента;
проведение бифуркационного анализа явлення скачкообразной контракции разряда, как фазового перехода к новой диссииатнвной структуре методами нелинейной динамики;
экспериментальное и теоретическое исследование механизма стратификации разряда при промежуточных давленнях и небольших токах, где страты обычно нерегулярны, а также при токах, соответствующих плавной контракции оптического излучения разряда.
ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ были положительный столб и нриаподпал область стратифицированного тлеющего разряда в инертных газах при низких, промежуточных и повышенных давленнях (1 <рЯ<600 Торрсм).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ МЕТОДАМИ исследований были оптические методы диагностики нестационарной и неоднородной плазмы, основанные на измерении абсолютных яркостей и спектрального распределения свечения тормозного континуума, линейчатого излучения и поглощения с необходимым пространственным и временным разрешением, а также зопдовые методы определения ФРЭ и потенциала плазмы в различных фазах страт.
