Введение к работе
Актуальность темы. Практический интерес к неравновесным газовым разрядам, создаваемым пучками сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного излучения, связан с возможностью получения плотной, неравновесной плазмы, удаленной от электродов, стенок разрядной камеры и источников энергии. Эти свойства делают перспективным использование СВЧ разряда для создания искусственного радиозеркала в атмосфере Земли, в качестве активных сред в газовых лазерах и в различных плазмохимических приложениях, среди которых в последнее время активно исследуются возможность очистки атмосферы Земли от фреонов, восполнение убыли озона в области озоновых дыр и напыления алмазных пленок.
Такие разряды в зависимости от длительности и мощности СВЧ излучения, давления и сорта газа, конфигурации начального поля обладают весьма сложными и разнообразными пространственными структурами и существенно различными параметрами разрядной плазмы.
Многообразие типов разрядов (и, соответственно, типов их структур) может быть классифицировано по различным признакам. В данной работе в основу положена длительность СВЧ импульсов. Это сделано по следующим причинам. Формирование структуры разряда происходит в результате воздействия различных процессов, которые характеризуются разными временами. При достаточно больших величинах электрического поля и малой длительности СВЧ импульсов практически единственным механизмом образования свободных электронов является ионизация нейтральных молекул электронами, получающими энергию от электромагнитной волны. В соответствии с этим, форма разряда определяется структурой поля, которая в свою очередь формируется в результате взаимодействия электромагнитного излучения с образующейся разрядной плазмой. Характерный временной масштаб этого процесса при высоких давлениях обычно лежит в пределах от единиц до нескольких сотен наносекунд. При больших (микросекундных) длительностях СВЧ импульсов становится существенным нагрев газа, который в области начальных давлений, когда частота соударений электронов с моле-
кулами превосходит круговую частоту электромагнитной волны (v>co), оказывает существенное влияние на частоту ионизации в результате уменьшения плотности газа. Это приводит к развитию ио-низационно-перегревной неустойчивости и в результате в плазме образуются тонкие яркие плазменные нити, параллельные вектору электрического поля. Другим механизмом формирования нитевидной структуры разряда является вытягивание плазменных нитей в результате последовательного пробоя газа в области локального усиления поля, возникающего на мелкомасштабных плазменных неод-нородностях (конце нити). В непрерывном СВЧ разряде в результате накопления различных активных частиц (радикалов, возбужденных частиц, ионов разного сорта) процессы рождения и гибели электронов весьма разнообразны. Поэтому форма области, занятой плазмой в значительной мере оказывается связанной с этими процессами.
Для практических применений СВЧ разрядов в ряде случаев бывает необходима высокая степень однородности плазмы, в других - формирование структур с высокой температурой и концентрацией электронов приводит к увеличению эффективности плазмохимиче-ских процессов. Поэтому изучение взаимосвязи параметров разрядной плазмы и структуры СВЧ разряда имеет важное значение для практических приложений. В тоже время СВЧ разряд является примером нелинейного взаимодействия мощного СВЧ излучения со средой. В нем возможно развитие целого ряда неустойчивостей, имеющих различную природу. Их действие существенным образом сказывается на структуре разряда. В связи с этим исследование механизмов формирования пространственных структур в СВЧ разряде несомненно представляет самостоятельный интерес и для физики газового разряда.
Цель работы. Предлагаемая работа прежде всего ставит своей целью изучение механизмов формирования пространственных структур СВЧ разряда для выяснения способов воздействия на параметры плазмы в разрядах различных типов. В работе на различных примерах продемонстрировано, как в результате формирования структур газового разряда меняются параметры разрядной плазмы, и
как это влияет на различные процессы, происходящие в газе под воздействием такого разряда.
Научная новизна.
-
Выполнены экспериментальные исследования образования озона в наносекундном СВЧ разряде в воздухе при различной пространственной конфигурации начального электрического поля. Использование наносекундных импульсов позволило впервые получить преимущественную генерацию озона (при небольшом попутном выходе окислов азота) в лабораторном воздухе. Определены затраты энергии (энергоцена), идущей на образование одной молекулы озона в разрядах, создаваемых в различных электродинамических структурах.
-
Подробно исследован процесс образования отдельной нити в результате развития ионизационно-персгревной неустойчивости. Одновременно измерены зависимости от времени концентрации электронов и температуры газа.
-
Экспериментально исследован характер движения микросекундного разряда. Измерены скорости вытягивания однородного плаз-моида и тонкой плазменной нити (высокочастотного стримера). Обнаружено, что вытягивание однородного плазмоида прекращается при достижении им размера около половины длины электромагнитной волны. Описан процесс ветвления стримера.
-
Построена численная модель, которая адекватно описывает динамику отдельной нити, возникающей на фоне квазиоднородной плазмы в результате развития ионизационно-перегревной неустойчивости. Для описания процессов нагрева и вытеснения газа использована полная система уравнений газодинамики для плотности, давления и скорости газа. Использование неизобарического описания газодинамических процессов позволило найти характерный масштаб - диаметр плазменной нити, а через него определить концентрацию электронов.
-
Описана новая для СВЧ разряда термотоковая неустойчивость. В результате ее развития происходит расслоение плазмы непрерывного СВЧ разряда на слои перпендикулярные вектору электрического поля.
Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы для выбора типа и параметров разряда (давление или плотность газа, длительность и мощность СВЧ импульсов, распределение начального электрического поля) при конструировании технологических плазменных установок.
Публикации и апробация результатов. Основные материалы, изложенные в диссертации, докладывались на VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991), на XXI и XXII Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Бохум, 1993 и Хобокен, 1995), на совещании Мощные микроволны в плазме (Нижний Новгород, 1994), на конференции Физика и техника плазмы (Минск, 1994) и опубликованы в 8 статьях и в 7 докладах в сборниках трудов конференций.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Наносекундный СВЧ разряд в воздухе является эффективным источником озона. Наибольшая эффективность диссоциации кислорода и образования озона достигается в области давлений газа, когда выполняется условие (v>o) при использовании импульсов с высоким значением начального электрического поля: /JV«10"i4 В-см2. Энергоцена генерации озона в верхней атмосфере Земли с помощью искусственной ионизированной области, создаваемой скрещенными ТЕ-пучками электромагнитных волн 3-см и 8-мм диапазонов, составляет 30-40 эВ на молекулу.
-
Использование наносекундного СВЧ разряда, создаваемого полем цилиндрической ТЕ-волны, для накачки азотного лазера позволяет получить большую длительность лазерного импульса равную длительности СВЧ импульса в результате последовательной генерации лазерного излучения новыми слоями плазмы при распространении разряда от центра к периферии.
-
Самостоятельный СВЧ разряд, создаваемый импульсами микросекундной длительности при достаточно большом начальном давлении газа, когда частота соударений электронов с нейтралами превосходит круговую частоту электромагнитной волны (v>co), существует в трех характерных формах: однородной плазмоидной, нитевидной и стримерной, последовательно сменяющих друг друга в те-
чение СВЧ импульса. Вследствие развития ионизационко-перегревной неустойчивости в однородной плазме образуется нитевидная структура. После появления нитей проявляется эффект усиления поля на мелкомасштабных плазменных образованьях, который приводит к удлинению плазменной нити (появлению стримера). В результате проявления волнового характера взаимодействия электромагнитного поля с плазмой удлинение стримера носит прерывистый характер. В результате возникновения областей усиленного поля на боковой поверхности стримера происходит образование новых стримеров и разряд приобретает ветзящутося структуру.
-
Параметры плазменной нити, на нелинейной ста дли иошізаші-онно-перегревнсй неустойчивости определяются в основном начальным давлением (плотностью) газа и слабо зависят от амплитуды начального электрического поля. В рамках линейного анализа использование иеизобарического описания газодинамических процессов позволило найти характерный масштаб - диаметр плазменной нити, который может быть найден, как расстояние, проходимое звуком за время рождения нити. Максимальная концентрация электронов в нити определяется ее диаметром и может быть оценена из условия, что толщина скин-слоя близка к диаметру нити.
-
При достаточно больших давлениях газа быстрый рост электронной концентрации и значение параметра E/N (электронной температуры) делает плазменную нить интенсивным- источником УФ излучения. При некоторых условиях возможен даже режим индуцированного излучения из плазменной нити.
-
Мелкомасштабное расслоение плазмы непрерывного СВЧ разряда при концентрации электронов, превышающей критическую, может быть объяснено развитием термотоковой неустойчивости. В результате ее действия формируется диссипативная структура в виде периодических страт перпендикулярных вектору электрического поля.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 110 страниц, включая 32 рисунка и список литературы, который состоит из 94 наименований.
