Исследование формирования кинетических и оптических характеристик тлеющих разрядов высоких и низких давлений в аргоне

Тлеющий разряд многие годы является объектом научных исследований и инструментом инженерных инноваций. Его описание можно найти практически во всех монографиях и учебниках по физике газового разряда [2, 7, 30, 52, 53]. Важными характерными особенностями тлеющих разрядов являются низкая степень ионизации (n/N = 10~4−10~6) и отсутствие термодинамического равновесия между электронами и тяжёлыми частицами (Te"Tg). Неравновесность широко используется в практике, поскольку позволяет получать среды с повышенной химической активностью, не прибегая к нагреву газа.

Эти и другие полезные свойства позволяют использовать тлеющие разряды в разнообразных научно-исследовательских и технологических приборах, среди которых газовые лазеры, источники света [51], источники электронов, устройства для синтеза углеродных нанотрубок [54], плазменной обработки поверхностей, стерилизации медицинских инструментов, обработки металлических изделий, текстильных материалов и т. п. 37].

Относительная сложность и дороговизна вакуумного оборудования разрядов низких давлений является сдерживающим фактором для их более активного использования в промышленности. Во многих современных газоразрядных системах этот недостаток устраняется за счет перехода к высоким (атмосферным) давлениям. При этом также осуществляется и важный для практики переход к компактности и миниатюризации, как самих газоразрядных приборов, так и основанных на них технологических установок. Трудности экспериментального исследования, вызванные малыми размерами области разряда, делают очевидным высокий потенциал применения в исследованиях численного моделирования и теории подобия. В отличие от классических тлеющих разрядов низкого давления, при давлениях порядка атмосферного, из-за затруднённого отвода тепла из области разряда газ греется, и это эффект необходимо учитывать при проектировании. Из-за того, что интерес к разрядам этого типа возник сравнительно недавно, расчетных и экспериментальных данных в настоящий момент явно недостаточно для понимания их особенностей.

Во многих научных публикациях современные численные модели применяются в рамках размерности 1D. Однако, для описания реальных устройств имеющих сложную геометрию, этого явно не достаточно и необходимо использовать 2D моделирование. В частности, даже наиболее изученный нормальный разряд низкого давления, занимающий лишь часть поверхности катода, является двумерным.

Классическая модель, которая и до сегодняшнего дня остается основой для описания тлеющего разряда, была построена на основе работ Таунсенда и Ленгмюра ещё в начале XX века Энгелем и Штеенбеком [52]. Эта модель, как и другие существующие аналитические модели, основана на автономности катодного слоя и в ней предполагается локальная зависимости коэффициента ионизации от поля. При таком подходе ионизация (и свечение) сосредоточены в прикатодном слое, где поле велико. Граница между слоем и плазмой совпадает с границей между отрицательным свечением и положительным столбом, а фарадеево темное пространство в таких моделях отсутствует. Такая картина явно противоречит наблюдениям, которые свидетельствуют о том, что ионизация в прикатодной области является нелокальной (т.е. не определяется локальным значением электрического поля в данной точке пространства). В частности, это выражается в том, что интенсивное возбуждение и излучение наблюдается в тех областях разряда, где поле мало (и даже меняет знак на противоположный).

Однако, как сами локальные модели, так и основанные на них оценки основных параметры тлеющих разрядов, не учитывают вклада нелокальной ионизации в плазменной области отрицательного свечения [2]. Это приводит к существенным отличиям полученных результатов от экспериментальных данных.

Поэтому совершенствование методик моделирования тлеющих разрядов и построение моделей, учитывающих все необходимые физические свойства, является актуальным направлением развития современной физики газового разряда.

Цель работы.

Комплексное исследование механизмов формирования параметров тлеющих разрядов высоких и низких давлений. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Развитие методик теоретического исследования оптических и электрических параметров тлеющих разрядов в широком диапазоне давлений. Анализ и верификация соотношений, позволяющих прогнозировать оптических и электрические свойства и структуру тлеющих газовых разрядов в широком диапазоне давлений.

2. Разработка аналитической модели для нахождения ВАХ и продольной структуры основных параметров разрядов. Сравнение результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными других исследователей для разрядов низкого давления.

3. Построение двумерной гибридной модели, позволяющей исследовать распределения основных параметров тлеющих разрядов в широком диапазоне давлений. Верификация модели путем сравнения результатов тестовых расчетов разряда низкого давления в аргоне с литературными данными.

4. Моделирование подобных (по параметрам pL и R/L) тлеющих разрядов высоких. (300 Торр) и низких (3 Торр) давлений в аргоне.

Исследование влияния нагрева газа на характеристики короткого (без положительного столба) тлеющего разряда высокого давления посредством двумерного моделирования.

Научная новизна и практическая ценность работы:

Впервые получены аналитические выражения для нахождения основных свойств короткого тлеющего разряда, учитывающие нелокальную ионизацию в плазме отрицательного свечения. Показано, что приход части ионов из области отрицательного свечения на катод и вызываемая ими электронная эмиссия, оказывают существенное влияние на условие поддержания и формирование параметров тлеющего разряда.

Построена и верифицирована двумерная гибридная модель для исследования оптических и электрических свойств тлеющих разрядов. Исследованы возможности масштабирования подобных тлеющих разрядов (по параметрам pL и R/L) при высоком (300 Торр) и низком (3 Торр) давлении в аргоне. Показана корректность используемой гибридной 2D модели для описания тлеющих разрядов в широком диапазоне условий.

Впервые на основе двумерного моделирования короткого (без положительного столба) тлеющего разряда высокого давления в аргоне с учётом нагрева газа, объяснены причины резкого роста вольтамперной характеристики и возникновения пространственной неоднородности распределения параметров разряда.

Результаты работы важны для понимания физики процессов, протекающих в тлеющих разрядах. Они могут использоваться для прогнозирования и оптимизации параметров газоразрядных источников света, газовых лазеров, при разработке плазменных реакторов и различных устройств сильноточной электроники и т. п.

Защищаемые положения.

1. Аналитическая модель, учитывающая нелокальную ионизацию в плазме отрицательного свечения и позволяющая корректно описать основные параметры короткого тлеющего разряда.

2. Представлены основные соотношения для расчета вольтамперной характеристики тлеющего разряда, распределения концентраций заряженных частиц вдоль разрядного промежутка, распределение потенциала и напряжённости электрического поля (включая нахождение точки обращения электрического поля).

3. Двумерная гибридная модель, позволяющая исследовать распределения основных оптических и электрических параметров тлеющих разрядов в широком диапазоне давлений.

4. Проведено исследование подобных по параметрам (pL, R/L) тлеющих разрядов при высоком (300 Торр) и низком (3 Торр) давлении в аргоне. Показана корректность используемой гибридной 2D модели для описания тлеющих разрядов в широком диапазоне условий.

5. Нагрев газа в тлеющих разрядах высокого давления приводит к резкому росту вольтамперной характеристики и возникновению пространственной неоднородности распределения параметров разряда, в виде смещения их максимумов в пристеночную область.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы представлены и обсуждались на конференциях и научных семинарах, в том числе:

— XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС (2010 год).

— XXXIV Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС (2007 год).

Всероссийская конференция по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2007.

— 5 International conference Plasma physics and plasma technology, Minsk, Belarus, 2006.

— Конференция молодых учёных СПГГИ (ТУ), 2006.

— Межд. научно-практической конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», СПб, 2006.

— IX Всероссийской конф. «Фундаментальные исследования в технических университетах» СПб, 2005.

— IX Международная. Конференция «Экология и развитие общества» СПб, 2005 Публикации по теме диссертации:

Кудрявцев А.А., Морин А. В., Цендин Л. Д. Роль нелокальной ионизации в формировании коротких тлеющих разрядов // ЖТФ-8, 2008.

— Мустафаев А. С., Морин А. В. Кинетика коротких тлеющих разрядов с учетом нелокальной ионизации. Записки СПГГИ (ТУ), 2009, № 182. С.249−254 Кудрявцев А. А., Морин А. В. Мустафаев А.С. Численные эксперименты по определению пространственно-энергетических параметров тлеющих разрядов низкого давления // Записки СПГГИ (ТУ), 2007, № 167.

— Кудрявцев А. А, Морин А. В. Мустафаев А.С. Влияние различных плазмохимических процессов на параметры тлеющих разрядов в аргоне при высоких и низких давлениях // Записки СПГГИ (ТУ), 2007, № 173. С. 221−225.

Заключение

.

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Предложена аналитическая модель для оценки основных параметров коротких (без положительного столба) тлеющих разрядов, учитывающая нелокальную ионизацию в плазме отрицательного свечения. Представлены основные соотношения для расчета вольтамперной характеристики, толщины катодного слоя, распределения концентраций заряженных частиц вдоль разрядного промежутка, распределение потенциала и напряжённости электрического поля (включая нахождение точки обращения электрического поля) и т. п. Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными для аргона показало значительно лучшее согласие, чем локальных моделей для прикатодной области тлеющего разряда.

2. Разработана двумерная (2D) гибридная модель для исследования электрокинетических и оптических характеристик тлеющих разрядов в широком диапазоне давлений. Она основана на системе уравнений баланса заряженных и возбужденных частиц, и энергии электронов, а также уравнении Пуассона. Скорости элементарных процессов с участием электронов и коэффициенты переноса (De, juc) рассчитываются исходя из кинетических представлений с использованием предварительно полученной ФРЭ. Постановка задачи моделирования и реализация вычислений выполнена при помощи специализированного программного обеспечения, предназначенного для решения систем нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов. Модель позволяет, с учетом основных элементарных процессов, получить вольтамперную характеристику, двумерные распределения основных параметров разряда. Тестирование модели показало, что полученные результаты хорошо соответствуют литературным данным других авторов.

3. Проведено двумерное моделирование подобных (по параметрам рЬ и r/L) тлеющих разрядов в нормальном и аномальном режиме при высоком (300 Торр) и низком (3 Торр) давлении. Сопоставление и анализ результатов показали корректность используемой гибридной 2D модели для описания подобных тлеющих разрядов в широком диапазоне условий.

4. Исследовано влияние нагрева газа, на основные параметры двумерного короткого тлеющего разряда в аргоне высокого давления. Показано что повышение температуры приводит к резкому росту ВАХ уже в нормальном режиме горения разряда. Связанное с этим вытеснение газа приводит в дальнейшем к переходу к затрудненному разряду и резкому росту ВАХ. Результаты 2D моделирования показали, что при этом наблюдается пространственная неоднородность в распределении электрокинетических и оптических характеристик разряда.