Оптико-спектральные исследования пылевых структур в плазме тлеющего разряда

Актуальность темы

исследований.

В представленной работе проведены экспериментальные исследования влияния пылевых плазменных структур, образованных макрочастицами АЬ03 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.

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.

Несмотря на то, что впервые пылевая плазма в лабораторных условиях была обнаружена Ленгмюром 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. Любые возмущения конденсированной дисперсной фазы в процессе обработки полупроводникового материала могут привести к ее падению 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:

1. изучения влияния образования и роста пылевой структуры на спектральные и электрические характеристики газового разряда.

2. изучения области существования пылевой плазменной структуры и влияния параметров разряда (тока, напряжения, давления) на характеристики структуры пылевого образования.

3. разработке методик диагностики плазменного кристалла в процессе его формирования и роста.

4. 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)*10~2см.

• 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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 защиту.

• 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, AI2O3 в неоне).

• Разработаны 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 РС-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. МоскваII Всероссийской научной конференции «Молекулярная физика неравновесных систем» Иваново 2000 г.- 3-ей Международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (ФППТ-3, Минск, 2000г).- семинаре академика В. Е. Фортова (Москва, 2000 г.) — 3-ей Международной конференции «ФНТП-2001» (Петрозаводск 2001 г.), 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.

Заключение

.

1. Проведены комплексные систематические исследования процессов формирования и роста упорядоченных плазменно-пылевых структур в плазме тлеющего разряда постоянного тока (в частности, в неоне) с инжекцией полидисперсных макрочастиц AI2O3.

2. Впервые проведена работа по «выращиванию» пылевых «кристаллов» и •зафиксированы спектральные, оптические, электрические параметры в процессе этого «выращивания» .

3. Установлены закономерности взаимного влияния структур, формирующихся в плазме, на характеристики плазмы и влияние условий в плазме на характеристики структур.

4. Рассмотрены и проанализированы уравнения баланса состояний для атомной компоненты плазме и оценены механизмы возбуждения атомных состояний. С использованием спектроскопических данных проведенных экспериментов сделана статистическая проверка гипотезы о главенствующей роли прямой ионизации и прямого возбуждения для исследованного диапазона условий. На этом основании, оценена проводимость плазмы в различных условиях эксперимента.

5. i Разработан и введен в практику исследований упорядоченных пылевых структур комплекс технических и программных средств, обеспечивающих автоматизированное проведение исследований одновременно размеров, формы и объема структур, регистрацию спектров излучения на многоэлементном фотоэлектронном приемнике (матрице), управление выходной мощностью излучения лазера при создании диагностирующего «ножа», а также регистрацию электрических характеристик в цепи питания разрядной трубки. Регистрация сигналов датчиков осуществляется с помощью средств среды LabView. Для сопряжения датчиков с этой средой, а также для обработки и представления результатов и исходных данных создано специализированное для решения задач исследований программное обеспечение, устанавливаемоена ПЭВМ. Эта ЭВМ вместе с устройством сопряжения с объектом и. программной средой играет роль управляющего вычислительного комплекса.

6. Собран, представленный в электронном виде массив данных экспериментальных исследований с протоколами экспериментов, пригодный для разносторонней апостериорной обработки при развитии теоретических моделей физических процессов в плазме с упорядоченными структурами КДФ.