Исследование прианодной области разряда с анодом в форме острия

Актуальность работы: В настоящее время низкотемпературная плазма успешно решает практические задачи, связанные с обработкой материалов, в том числе медицинских объектов. Успехи применения низкотемпературной плазмы связаны с тем. что многие результаты применений не имеют традиционных аналогов. Особенно это проявляется в медицине, где бакгерицидные свойства плазмы являются, по-видимому, незаменимыми.

Недавно показана возможность получения микроплазменных источников низкотемпературной плазмы атмосферного давления, в которых за счет конфигурации электродов сохраняется величина межэлектродного промежутка при переходе к высоким давлениям [1]. Особенность конфигурации электродов связана с тем, что анод выполняется в форме острия с малым радиусом закругления, а катод в форме плоскости. В такой геометрии разряд представляет собой сферическое плазменное образование, локализованное на кончике анода в форме острия при темном разрядном промежутке до катодного свечения. Микроплазменные источники с анодом в форме острия имеют при малой потребляемой мощности менее 50 Вт, высокую плотность мощности, вкладываемую в прианодиое плазменное образование и яркость см.

Кд.

2-Ю4 —- [2]. Перспективными направлениями применения таких источников м являются: дисплейные панели [3,4], модификация и нанесение полупроводниковых материалов [5], обработка материалов [6,7], использование в качестве аналитического инструмента [8,9]. модификация поверхности [10], создание активной среды в лазерных технологиях [11]. Высокие параметры ирианодной плазмы и её сферическая форма указывают на эффективную местную ионизацию вблизи копчика острия при существенном снижении плотности тока на остальную поверхность анода. Анодная область такого источника плазмы является плохо изученной. Малые размеры плазменного образования препятствуют его экспериментальному изучению традиционными способами. Однако, без информации об анодной области разряда с острийньтм анодом невозможно построить полную картину механизма существования данного типа разряда и как следствие внедрить данный тип разряда в 3 производство. Поэтому работы в указанном направлении актуальны и несут в себе большой прикладной потенциал.

Цель работы заключалась в исследовании приаподной области разряда с анодом в форме острия с получением данных о распределениях концентрации плазмы, потенциала, температуры электронов, условиях создания и поддержания разряда, их зависимостях от радиуса кривизны анода, давления рабочего газа и разрядного тока.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

• Проведено экспериментальное исследование и компьютерное моделирование пространственных распределений параметров плазмы в прианодной области.

• Предложен метод зондовых измерений пространственных распределений параметров малых плазменных образований.

• Исследовано влияние давления рабочего газа, тока, радиуса закругления анода на распределения в анодной области.

Научно-практическая значимость работы определяется тем, что в пей получена новая важная информация, способствующая развитию представлений о механизме существования прианодного плазменного образования локализованного с центром на кончике анода в форме острия малого радиуса закругления. Перспективными направлениями практического применения являются: медицина, технологии нанесения полупроводниковых материалов, модификации поверхности, в качестве точечных источников излучения, индикаторов и активной среды лазеров. Основные положения выносимые на защиту:

1) Экспериментальные данные параметров плазмы в микроплазменном образовании, их зависимости от давления, разрядного тока и радиусах закругления анода.

2) Теоретическая модель и компьютерное моделирование распределения концентрации плазмы микроплазменного образования.

3) Метод зондового измерения пространственных распределений параметров в малых плазменных образованиях.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

• VII Всероссийская научной конференции с международным участием «Успехи современного естествознания «Сочи 2006 г. (2 доклада).

• III Всероссийской конференции молодых ученых Физика и химия высокоеергетических систем. Томск 2007 г.

• Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2007). Петрозаводск. 2007 г.(2 доклада) и опубликованы в виде статей и тезисов докладов конференций:

1. А. А. Тихомиров. В. И. Сысун, В. А. Гостев // Прианодная область микронлазменного источника с острийным анодом. Прикладная физика № 4 2008 с.49−52.

2. Тихомиров А. А., Сысун В. И. // Квазинейтральная область приэлектродного слоя при больших отбираемых токах. Успехи современного естествознания. № 11.2006. С. 32−33.

3. Тихомиров А. А., Сысун А. В., Олещук О. В. // Переходные слои между плазмой и анодом. Успехи современного естествознания. № 11. 2006. С. 31−32.

4. А. А. Тихомиров // Исследование микроплазменных образований в разряде с острийным анодом. Материалы III Всероссийской конференции молодых ученых Физика и химия высокоэнергетических систем. Томск. 2007 с. 428.

5. V.A. Gostev, А.А. Tikhomirov, V.S. Ignakhin, V.I. Sysun // Generator of air-plasma flow for biological and medical applications PPPT-5 Minsk 2007 V.2 p.791.

6. Сысун В. И., Гостев B.A., Белозеров Д. М., Игнахин В. С, Тихомиров А. А. // Микроплазматрон с жидкометаллическим анодом Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2007). Петрозаводск. 2007. с. 153.

7. Сысун В. И., Гостев В. А., Тихомиров А. А. // Распределение концентрации в микроплазменном источнике с малым анодом Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2007). Петрозаводск. 2007. с. 109−111.

Вклад автора. Все экспериментальные исследования проведены за период 2005 2008 г. автором, которым сформулированы и обоснованы все задачи 5 диссертации. В коллективных работах автору принадлежат изложенные в диссертации выводы и защищаемые положения.

Обьем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 86 страницах, включая 46 рисунков и список литературы из 68 наименований. Приложение содержит 6 страниц.

3.3 Выводы.

Полученные результаты моделирования позволяют заключить об удовлетворительном согласии эксперимента и результатов компьютерного моделирования, что подтверждает исходные предпосылки теоретической модели о существенной роли ступенчатой ионизации в прианодном плазменном образовании. Как и в эксперименте наблюдается ход концентрации по радиусу микроплазменного образования обратно-пропорциональный радиусуболее быстрый, чем линейный, рост концентрации с ростом токаслабо растущая вольтамперная характеристика в микроплазменной области и слабо падающая в анодном слое. Относительное изменение концентрации по радиусу при разных токах близко, хотя видимый радиус плазменного образования с ростом тока растёт из-за большего абсолютного значения концентрации. Видимая граница соответствует значению концентрации близкой к 1013 см 3 при концентрации у анода (4−10)-1014 см~.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с поставленной задачей проведены экспериментальные исследования и компьютерные моделирования прианодной области разряда с анодом в форме острия:

1. Собрана экспериментальная установка и освоены методы получения анодов в форме острия малого радиуса закругления, и тонких зондов.

2. Разработана локальная зондовая диагностика с помощью ступенчатого микронного перемещения тонкого оголённого зонда с измерением добавки тока на зонд на каждую ступень перемещения.

3. Проведены измерения вольтамперных характеристик и параметров плазмы микроплазмениого образования при изменении давления, радиуса закругления анода и разрядного тока.

4. Разработана теоретическая модель объединяющая, прианодный слой и квазинейтральную область плазмы учитывающая пнерциальные члены в уравнениях движения ионов и электронов, разность их концентрации, ступенчатую ионизацию атомов в квазинейтральной области согласующейся со значением коэффициента ионизации, а в слое. Результаты компьютерного моделирования близки к экспериментальным данным.

5. Из приведённых экспериментов и теоретического анализа вытекают следующие основные выводы диссертационной работы:

Напряжение горение разряда составляет 200−400 вольт, возрастая с ростом давления и величиной межэлектродного промежутка. Большая часть которого составляет катодное падение потенциала.

Суммарное падение напряжения на анодном слое и микроплазменном образовании составляет 38−54 вольта при давлении 380−760 торр. возрастая с ростом давления, и практически не зависит от тока при токах 30−50 мА.

Потенциал плазмы вблизи анода с ростом тока слабо уменьшается (при р=0.5 атмосферы и р=1 атмосфера соответственно 32−40 вольт при 1=30 мА). Это указывает на слабо падающую вольтамперную характеристику анодного слоя. В то же время падение напряжения на микроплазменном образовании наоборот, слабо растет с током 10−12 вольт при 1=30 мА и 12−14 вольт при.

1=50 мА). Это объясняет локальную привязку к кончику анода и сферическую форму плазменного образования.

Температура электронов составляет 1,5−2.2 эВ с возрастанием разрядного тока и снижением давления. Пространственно температура электронов близка к однородной со слабым спаданием по радиусу на 0,1−0,2 эВ.

Концентрация электронов в микроплазменном образовании возрастает к аноду от 10до 10h ел Г3 примерно обратно пропорционально радиусу, а не его квадрату как плотность тока.

Увеличение давления от 0.5 до 1 атмосферы приводит к увеличению концентрации электронов примерно в 2 раза у анода с более быстрым спадом у границ микроплазменного образования.

Уменьшение радиуса закругление анода с 33 мкм до 13 мкм приводит к незначительному изменению радиуса плазменного образования и концентрации электронов в нем. Это подтверждает локальность привязки микроплазменного образования к кончику анода.