Процессы амбиполярного переноса в формировании неоднородных профилей в структурах в газоразрядной плазме

Актуальность темы

В настоящее время интенсивно изучаются способы достижения и продолжительного удержания во времени экстремальных состояний вещества. Знания о таких состояниях используются для создания новых технологий, материалов и т. д., в том числе, и для применения в специальных целях. Импульсной кумуляцией энергомассовых потоков удается на короткое время достичь экстремальных состояний вещества.

Свойством постоянно (квазистационарно) фокусировать массу и схлопывать энергомассовые потоки к центру фокусировки на всех уровнях обладают водосток, торнадо, циклон, смерч и другие структуры, и их регулярные системы. Явления, определяемые фокусировкой энергомассовых потоков, в гравитационном поле осуществляются в макро космосе (в областях нейтронных звезд, пульсаров, квазаров, новых и сверхновых звезд, окружающих их туманностях и межгалактических молниях). Энергетически эти явления подпитываются благодаря постоянной фокусировке радиально схлопывающихся энергомассовых потоков и их трансмутации. Исследованию кумуляции и результатов деятельности процессов фокусировки, определяемых гравитационными полями, уделено значительное внимание. Известны работы по ритмодинамике пульсаров, в которых изучаются спектры и законы импульсно-периодического функционирования таких систем. Открыто и подробно исследовано явление самофокусировки электромагнитного поля, при прохождении излучения через вещество. Обусловлена такая самофокусировка изменением диэлектрической проницаемости сплошной среды, активизируемой внешним излучением. Известны работы по кумуляции магнитных полей. Теоретических работ о самофокусировке электрических полей в структурах в газоразрядной плазме практически нет, а экспериментальные работы в этом направлении до сих пор относятся к «загадочным» или спонтанным явлениям. Как показано в данной работе неограниченный рост или кумуляция напряженности электрического поля к центру или некой оси может быть описан в рамках модели амбиполярный дрейф-ионизация.

Кулоновские силы являются наиболее мощными, поэтому исследования динамической самоконденсации объемного заряда, кумуляции или фокусировки заряженных потоков вещества, конкретных процессов взрывного роста напряженности электрического поля и концентрации частиц плазмы в активизируемом к экстремальным состояниям веществе и выявление необходимых для глубокой фокусировки энергомассовых потоков соответствующих фазои различных геометрических формообразований, проявляющих себя в виде плазменных структур являются весьма актуальными. Например, нарушение нейтральности на уровне (nj-ne)/N -10″ (где гц, пеконцентрации ионов и электронов, N — концентрация нейтральных частиц) останавливает соответствующие гравитационные процессы фокусировки.

Структуры в различных фазовых состояниях в газоразрядной плазме излучают звуковые, электромагнитные и прочие волны. Изучая эти волны, можно определить законы взрывного роста напряженности электрического поля и кумуляции потоков заряженных частиц в протяженных, кулоновских структурах, имеющих дальний динамический порядок и трансляционную симметрию.

Роль процессов кумуляции энергомассовых потоков является определяющей в процессах переноса энергии, импульса и массы через границу различных сред (отличающихся фазовым и прочими состояниями). Поэтому и возникают на границе металл-газ, металл-жидкость и т. д. катодные и анодные пятна, кумулирующие энергомассовые потоки. О фокусировке электрической энергии указывает интенсивное свечение из этих областей. В динамических структурах особая геометрия потоков и соответствующие кумулятивные процессы сближают характеристики (параметры) разнородных сред. Но, динамические структуры и их системы возникают и в гомогенных средах при достижении параметров внешней обобщенной силы или энергетического перепада критических значений в определенной области среды при формировании фокусировщика (фокусирующей линзы) энергомассовых потоков. Такие динамические структуры являются кумулятивно-диссипативными структурами. Цель самоформирования кумулятивно-диссипативных структур в гомогенных средах заключается, и в этом случае, в том, чтобы наиболее эффективно сблизить параметры, управляющие динамическим порядком в направлении градиента энергетического перепада и тем минимизировать энергозатраты на перенос энерго-массово-импульсных потоков. Минимизация энергозатрат происходит при формировании структур, фокусирующих энергомассовые потоки и формирующих кумулятивные струи. Как показано в данной диссертации такое формирование в плазме сопровождается взрывным ростом приведенной внешней электрической силы (параметра E/N, где Е — напряженность электрического поля) к центру фокусирующей системы.

Проникновение в объем плазмы, и формирование резко неоднородных профилей электрических полей, в том числе и на ее приэлектродных границах составляет основную особенность динамики плазмы. Внутренние поля определяют скорость общего движения неоднородности плазмы, быстроту, пространственный и временной характер ее расплывания. Процессы переноса вдоль тока в плазме можно разделить на процессы амбиполярного дрейфа (Кольрауш, Вебер 1897, Штарк 1903, Гуревич, Цедилина 1967, Высикайло 1980;2003 и др.) и амбиполярной диффузии (Шоттки 1924, Сорока, Шапиро 1979, Высикайло 1985, 1990 и др.). Относительная роль этих процессов на характерных размерах L определяется параметром 1U/L = e/eEL, где 8 — характеристическая энергия электронов, lu = l/[N (auam)0 5] = 1/[N amV<5 ] — энергетическая длина пробега электронов, сти — сечение неупругого рассеяния электронов, Стщ — транспортное сечение рассеяния, 5 — фактор неупругости, характеризующий передачу энергии от электрона к нейтральной частице (при рассеянии без изменения внутреннего состояния частицы 5 = 2m/M, т — масса электрона, М — масса нейтральной частицы). С повышением давления 1и уменьшается, параметр 1U/L становится мал, и следует учитывать процессы амбиполярного дрейфа, пренебрегая диффузией. Однако если токи не велики и 1Е «1и (где 1Е = Е/4л-епс), то нарушение нейтральности в плазме с током приводит к вынужденной диффузии (Сорока, Шапиро 1979), которую предложено называть диффузией Пуассона (Высикайло 1985), в отличие от амбиполярной, диффузии Шоттки. Параметром пренебрежения амбиполярной диффузией Пуассона по сравнению с амбиполярным дрейфом является 1ЕУЬ.

Эффективная скорость амбиполярного дрейфа есть скорость распространения возмущений плазмы при повышенных давлениях и ее роль аналогична скорости звука в обычной газодинамике. Поэтому, с одной стороны, методы анализа, разработанные при моделировании различных (звуковых и ударных) волн в газодинамике, могут быть использованы практически без существенных изменений при анализе распространения возмущений концентрации и напряженности электрического поля в плазме (А.В. Гуревич, Е. Е. Цедилина 1967). С другой стороны, явлениям, хорошо известным в газодинамике, должны соответствовать аналогичные, но недостаточно изученные явления при распространении возмущений в плазме при повышенных давлениях газа. Такими явлениями в газодинамике являются смерчи и циклоны, в гидродинамике водостоки и водовороты, а в плазмодинамике катодные пятна, четочные, шаровые, линейные молнии, электрические дуги и другие плазмоиды. В этих плазмоидах явно, что наблюдается даже визуально, происходит фокусировка электрической энергии. При этом в таких структурах осуществляется сложный перенос зарядов. Амбиполярную кумуляцию заряженных частиц в плазме можно описать с помощью амбиполярного дрейфа (Ф.И. Высикайло 1996). Для корректного описания таких явлений в плазме необходимо знание возможных процессов амбиполярного дрейфа, определяемого рядом параметров, среди которых основным является параметр E/N.

Е.И. Забабахин отмечал, что неограниченная кумуляция останавливается возбуждением новых степеней свободы. Согласно предположениям, высказанным автором диссертации, все динамические структуры кумулируют энерго-массо-импульсные потоки, трансмутируют их элементы в иные формы, в частности, увеличивают и перераспределяют удельную энергию. Только после возбуждения в них новых степеней свободы структуры диссипируют потоки в окружающую среду в новом энергомассовом виде (с возбужденными, внешней обобщенной силой, новыми степенями свободы).

Во многих случаях в динамических структурах в обобщенных сплошных средах при достижении параметрами, определяющими динамический порядок, критических значений формируются кумулятивные струи. В кумулятивных струях в области фокусировки и происходит схлопывание энергомассовых потоков. По мере фокусировки характерные размеры кумулятивных струй, характерные частоты и типы происходящих в них процессов, могут существенно отличаться от аналогичных параметров в периферийной области фокусировки. В кумулятивных струях, по мере фокусировки энергомассовых потоков, характерные частоты растут, а характерные размеры резко уменьшаются. Это приводит к разделению (макроквантованных) процессов на видимые для исследователей (в области фокусировки) и не видимые — загадочные (в области кумулятивной струи и т. д.). Как правило, не замечают узкие кумулятивные струи, но бывает, не замечают и весь кумулятивно-диссипативный процесс как целостное дуальное (андрогинное) явление.

Роль кумулятивных струй в формообразовании в сплошной среде заключается в предварительной активации ранее не активизированной к структуроформированию среды. Согласно предлагаемой в диссертации модели самофокусировки энергомассовых потоков в молнии узкие (с расходимостью ~2°) высоко энергетичные электронные пучки — кумулятивные струи, высыпающиеся из молний, осуществляют ионизацию воздуха при импульсном ее продвижении в направлении от отрицательно заряженного облака. После предионизации происходит амбиполярное формирование новой части молнии в результате кумулятивных процессов переноса, фокусирующих энергомассовые потоки.

Пропускная и фокусирующая способности структурированной на кумуляцию потоков среды (при минимуме энергетических затрат на возбуждение в среде новых фазовых состояний и соответствующих им динамических формообразований) во много тысяч раз превышает возможность продвижения энергомассовых потоков в бесструктурной среде. В среде без областей геометрически структурированных на кумуляцию или фокусировку энергомассовых потоков, и без гиперпроводящих кумулятивных струй с новыми фазовыми состояниями энергомассовые потоки распространяются очень медленно. Структуризацию среды, упорядоченность с дальним и ближними порядками, в том числе, и ее такую геометрическо-топологическую и энергетическую «память» о пронизавших среду энергомассовых потоках относят к самоорганизации. Но не следует забывать, что самоорганизация среды в динамических (диссипативных) структурах и их системах происходит под действием внешней обобщенной силы, совершающей работу по активизации элементов среды к самоорганизации и упорядочиванию.

Упорядоченные внешней силой структуры И. Пригожин назвал диссипативными структурами. Известны примеры химических диссипативных структур, нарушающих пространственную симметрию. Они называются (структурами Тьюринга) в память об Алане Тьюринге, который первым выдвинул в 1952 г. гипотезу о том, что, взаимодействие между нелинейными химическими реакциями и диффузией может приводить к образованию пространственных неоднородных, регулярных структур. В данной работе исследуются неоднородные структуры, в которых перенос осуществляется не только различными типами диффузий, как в структурах Тьюринга, а и амбиполярным дрейфом (Высикайло 1996 г.). Такие макроквантованные, мультифазовые, мультииерархичные системы диссипативных структур, выступающие единым глобальным целым, автором диссертации предложено назвать — кумулятивно-диссипативными «кристаллами», так как они обладают многими, если не всеми, свойствами обычных кристаллов (Высикайло 1996 г.).

Структуризация в среде обеспечивает геометрическую самофокусировку или кумуляцию энерго-массо-импульсных потоков. Связан этот процесс с самоформированием и последующим развитием в среде фильтрующих, дискриминирующих. селектирующих, упорядочивающих, энергосберегающих, фокусирующих энерго-массо-импульсиые потоки и их элементы динамических переходных слоев (исполняющих роль полупроницаемых мембран) и кумулятивных струй. Общие проблемы при формировании четко выраженной структурной самоорганизации энерго-массово-импульсных потоков через обобщенную сплошную среду (с резкими скачками параметров, выполняющих, роль полупроницаемых мембран) и установление дальнего порядка через формирование динамических структур и их регулярных строго упорядоченных систем под действием внешней обобщенной силы или энергетического перепада в сплошных средах следует относить к проблемам кумулятивно-диссипативного формообразования (Ф.И. Высикайло 2001).

В диссертации подробно изучены теоретически и экспериментально профили, фокусирующие потоки заряженных частиц и тем приводящие к кумуляции, с симметрией:

1) сферической,.

2) цилиндрической,.

3) плоскостной.

На этом основании у фокусирующих структур и их регулярных систем, в том числе |и в газоразрядной плазме, можно выделить несколько типов симметрии (см. Гл. 1 и 6).

В соответствии с основными типами кумуляции энергомассовых потоков установлено несколько разновидностей структурной или кумулятивней теплопроводности, проводимости и т. д. Например, в плазме часто возникает слоистая структурная проводимость, проявляющая себя в виде ярко светящихся страт параллельных плоским электродам. |Электрическая дуга, молния, линейная трещина в металлах возникают Яри цилиндрической кумуляции энергомассовых потоков. В молнии цилиндрическая кумуляция приводит к формированию гиперпровоДящей непрерывно или импульсно продвигающейся струи высоко энергетичных электронов. В такой линейной (продольные размеры — L «г — радиальных) регулярной системе формируются пучки электронов с энергией в несколько МэВ. Катодное пятно в предлагаемой подходе представляет сферическую форму фокусировщйка. В плазме разряда в водороде наблюдалась автором диссертации j с В. М. Шашковым кумуляция («стакан в стакане»), когда яркие цилиндрические слои были расположены параллельно друг другу с осью, перпендикулярной плоским электродам (продольные полному току цилиндрические страты).

В данной диссертации подробно исследуются явления нелинейной самоорганизации дискриминирующих профилей (мембран, селектирующих и направляющих потоки заряженных частиц), упорядоченных на больших расстояниях и формирующих протяженные структуры вгазоразрядной плазме при повышенных давлениях. В диссертации^делено значительное внимание изучению закономерностей процессов переноса электронов, ионов и амбиполярным нелинейным процессам сноса профилей плазмы с учетом внутренних электрических полей. На базе моделей амбиполярных явлений переноса, предложенных Кольраушем, Вебером, Шоттки и существенно модифицированных автором в диссертации получены модифицированные коэффициенты амбиполярного переноса в газоразрядной плазме с током и корректные инкременты бе неустойчивостей (прилипательной, со ступенчатыми процессами ионизации и т. д.).

В диссертации предложена математическая модель процесса неограниченного роста напряженности электрического поля к центру плазменной структуры. В деталях исследован новый открытый автором конкретный механизм амбиполярной кумуляции плотности электрического тока и напряженности электрического поля к центру плазменной структуры. Неограниченный рост напряженности электрического поля к центру структуры приводит к возбуждению радиальных к полному току потоков заряженных частиц плазмы в областях у Катодного пятна, молнии и других плазменных структур — плазмоидов |и их регулярных систем, обладающих дальним порядком и трансляциойной симметрией.

Автором диссертации в 1985 г. были предсказаны скачки с нарушением нейтральности или динамической самофокусировкой объемного заряда, и предложены! способы управлять этими скачками, изменяя скорость прокачки г^за и величину тока. В 1985 г. автором были установлены основные параметры, определяющие явление плоскостной динамической самофокусировки объемного заряда в плазме с током. Исследованы профили сложных или смешанных дрейфовых скачков, когда процессы диффузии и нарушение нейтральности осуществляют сравнимый вклад в формирование неоднородных профилей параметров.

В главе 3 и 4 автором построен соответствующий каскад теории возмущений для полной системы гидродинамических уравнений переноса заряженных частиц в неравновесной плазме. В результате анализа системы уравнений расширена область применимости простых гидродинамических уравнений для описания явлений дрейфового и диффузионного амбиполярного переноса и структуроформирования плазмоидов (плазменных образований, выступающих визуально единым целым) в газоразрядной плазме.

Возможно, что в кулоновских структурах при схлопывании энергомассовых потоков, может происходить преодоление кулоновского барьера ядер. Однако организовать такую, практически неограниченную, кулоновскую кумуляцию энергомассовых потоков в протяженных, самоформирующихся в плазме структурах (электрических дугах, катодных пятнах, шаровых молниях) для промышленных целей представляется пока далеко не простой задачей.

И, тем не менее, актуальность изучения протяженных кулоновских (самосхлопывающих энергомассовые потоки) структур, их регулярных систем, а также детальное изучение процессов переноса, формирующих в них нестационарные и неоднородные профили параметров, возникающих в них скачков, играющих роль высоко проводящих русел, мембран и потенциальных стенок в таких системах, в этом плане становится очевидной, а практическая ценность исследовательских работ в этом направлении может оказаться весьма существенной.

Цель и задачи работы.

Основной целью работы является теоретическое и экспериментальное выявление закономерностей процессов формирования и переноса структур с неоднородными профилями параметров в слабоионизованной плазме. Знания этих закономерностей используются для:

— создания однородного объемного разряда с целью применения в мощных газоразрядных лазерах;

— получения новых материалов и материалов с необходимыми свойствами, возникающими при обработке электрическими полями;

— создания накопителей электрической энергии;

— получения плазменных структур и управления их параметрами для выращивания нанотрубок, алмазных пленок и т. д.

Достижение поставленных целей осуществлялось решением следующих задач:

1. Сформулировать основы теории формообразования структур и самоорганизации потоков частиц из-за нелинейного взаимодействия внешних электрических полей с плазмой в заряженных структурах.

2. Модифицировать метод, разработанный Шоттки (для описания процесса амбиполярной диффузии плазмы) и теории других исследователей (уточняющие коэффициенты диффузии и термодиффузии электронов) и на этой базе построить свою теорию возмущений для нелинейных процессов переноса, позволяющую более полно и в более широком диапазоне параметров описать процессы формирования неоднородных профилей в структурах и их упорядоченных системах в плазме с током.

3. На основании исследования пространственно-временного распределения параметров в плазменных системах разработать наиболее полную модель кумуляции потоков заряженных частиц и неограниченного роста электрического поля в плазме, способную на базе взрывных процессов объяснить широкий спектр явлений, до сих пор, не имеющих научного объяснения, и относимых к спонтанным или «загадочным» явлениям.

4. Создать методики аналитического и численного моделирования процессов переноса в плазменных структурах, определяемых дисперсией и нелинейностью процессов амбиполярного дрейфа, процессов диффузии и процессов переноса, обусловленных нарушением нейтральности плазмы и нестационарностью и неоднородностью параметров, определяющих ФРЭ.

5. Получить простые соотношения (уравнения геометрическо-энергетического состояния плазмоидов), связывающие геометрические параметры (характерные размеры диссипативных структур) с энергетическими параметрами (E/N, ne/N и др.).

6. Разработать методику экспериментальных исследований, провести эксперименты и сравнить экспериментальные результаты с численно и аналитически полученными профилями параметров в кумулятивных системах различных типов симметрии в слабоионизованной плазме.

7. Описать с помощью, разработанной теории возмущений, впервые предсказанные автором и затем впервые обнаруженные экспериментально скачки параметров с нарушением нейтральности (слои объемного заряда).

8. Получить численные и аналитические, неоднородные профили параметров, определяющих динамический порядок в энергомассовых потоках, возникающих из-за граничных условий и наличия амбиполярных потоков различного генезиса (происхождения). Разработать аналитическую и численную модели кумуляции тока и взрывного роста напряженности электрического поля для описания плазменных структур.

Научная новизна.

1. Впервые, в рамках газоразрядной, слабоионизованной плазмы, сформулированы основы динамики формообразования структур с кумулятивными струями, позволяющие описывать процессы формирования резко неоднородных профилей приведенной напряженности электрического поля (E/N) в им же активизируемой сплошной среде. Автором диссертации доказано, что взрывной рост параметров E/N, ne/N и др. к центру фокусировки энергомассовых потоков, описываемый амбиполярным дрейфом плазмы и ионизацией, является неотъемлемым свойством динамических структур в газоразрядной плазме.

2. Автором диссертации обоснована и введена классификация параметров, определяющих характерные размеры неоднородных профилей и характерные частоты в плазменных структурах в газоразрядной плазме, выявлена взаимосвязь этих параметров.

3. Впервые теоретически предсказаны новые явления: а) динамическое формирование слоя нескомпенсированного объемного заряда и соответствующих резко неоднородных профилей напряженности электрического поля вдали от границ раздела металл-плазмаб) самоорганизация дрейфовых скачков с нарушением нейтральности, обусловленных схлопыванием плоских амбиполярных волн в плазме с током. Эти скачки экспериментально обнаруженыв) самокумуляция плотности тока, взрывной рост напряженности электрического поля, концентрации электронов и ионов: на периферии катодного пятна как в сферическом кулоновском фокусировщикена периферии молнии и электрической дуги, как цилиндрических, динамических, фокусирующих энергомассовые потоки структурах.

4. Качественно и количественно описаны явления, ранее не имевшие научных объяснений: а) напряженности электрических полей ~ 105 В/см в цилиндрических плазмоидах — электрических дугахб) обратное движение катодного пятна в поперечном магнитном полев) формирование обратной кумулятивной струи в катодном пятне, ответственной за существование фарадеева темного пространстваг) длина прианодной квазинейтральной области в разрядах с продольной прокачкой газа.

5. Введены в физику плазмы и обоснованы понятия о: дрейфовых скачкахамбиполярном дрейфе, обусловленном неоднородностью и нестационарностью ФРЭ в источниках и стоках заряженных частицкумулятивных (взрывных или гиперболических) профилях в плазменных структурах, определяемых амбиполярным дрейфом.

6. Исследовано экспериментально, аналитически и численно влияние амбиполярного дрейфа, вызванного различными причинами, на профили в неоднородной слабоионизованной плазме.

7. В экспериментах впервые удалось создать условия для динамической самофокусировки слоя пространственного заряда вдали от электродов (в объеме плазмы), т. е. создать кулоновский (заряженный) скачок с нарушением нейтральности в объеме плазмы, предсказанный автором диссертации. В этих скачках созданы области в объеме плазмы с более высокими значениями напряженности электрического поля, чем в положительном столбе разряда.

8. Экспериментально в объеме плазмы созданы управляемые внешними воздействиями плазменные линзы с кумулятивными профилями параметров и с конической фокусирующей геометрией для потоков заряженных частиц.

Практическая и научная ценность полученных в диссертации результатов обусловлена тем, что они существенно расширяют знания о физических нелинейных процессах взаимодействиях плазмы с внешним электрическим полем и представляют большой практический интерес для оптимизации процессов в генераторах плазмы и их практического использования в технологиях микроэлектроники, материаловедении и плазмохимии. В частности:

1. Автором диссертации доказано, что кумуляция электрического тока и напряженности электрического поля к центру плазменных структур, определяемая амбиполярным дрейфом, существует, и это явление необходимо изучать и использовать в практике, например, управляя кумулятивными плазменными структурами при обработке материалов.

2. Построенная автором, теория возмущений позволила сформулировать ряд физических и математических моделей частей разряда и динамических структур, возникающих в результате нелинейного взаимодействия постоянных, ВЧ и СВЧ полей с плазмой. Аналитически и численно в широких диапазонах параметров удалось рассчитать профили напряженности электрического поля и исследовать процессы амбиполярного переноса в объеме неоднородной плазмы и в приэлектродных областях разрядов с прокачкой газа. Полученные в диссертации модифицированные инкременты и коэффициенты амбиполярного переноса позволяют оценить характерные времена однородного горения объемного разряда. Полученные закономерности формирования неоднородных профилей параметров, хорошо описывают экспериментальные наблюдения. Выявленные на базе построенной теории возмущения закономерности формирования неоднородных профилей параметров плазмы, могут быть полезны при проектировании стационарных, импульсных и импульсно-периодических лазерных установок с однородным энерговкладом и прокачкой газа.

3. Выявлены закономерности и разработаны модели формирования поперечных размеров объемных разрядов с цилиндрическими электродами в плазме эксимерных лазеров в импульсном и импульсно-периодическом режимах. Знание этих закономерностей позволило сформировать однородные объемные разряды для эксимерных лазеров атмосферного давления, увеличить их характерные размеры и мощность в разы.

4. Созданы аналитические и численные модели, описывающие, предсказанные автором, скачки с нарушением нейтральности. Впервые экспериментально зафиксированы скачки с нарушением нейтральности в объеме плазмы, созданы области в объеме плазмы с более высокими значениями напряженности электрического поля, чем в положительном столбе. Впервые экспериментально в объеме плазмы созданы управляемые внешними воздействиями профили с конической фокусирующей напряженность электрического поля геометрией. Экспериментально установлена и исследована зависимость поперечного размера самофокусирующегося разряда от параметров (E/N, ne/N). Знания об особенностях формирования плазменных заряженных структур полезны при обработке интенсивными электрическими полями твердых материалов и жидких сред.

5. Полученные автором аналитические зависимости коэффициента амбиполярной диффузии, обусловленной нарушением нейтральности, позволяют корректно проводить аналитические расчеты процессов амбиполярного переноса в газоразрядной плазме с током. Автором диссертации доказано, что нарушение нейтральности приводит, при наличии тока в плазме, к диффузии (Пуассона) при любых частотах внешнего электрического поля. Такой учет приводит к перенормировке эффективного коэффициента амбиполярной диффузии Шоттки, возникновению амбиполярного дрейфа, обусловленного наличием неоднородности и нестационарности процессов переноса в плазме. Знания этих зависимостей представляют ценность при работе с плазмой с кулоновскими «пылевыми кристаллами».

6. Автором диссертации дано научное объяснение возникновения фликкер-шума (1/f— шума) в газоразрядной плазме, формированием и функционированием строго упорядоченных, динамических плазменных структур и их регулярных систем, геометрически сложно фокусирующих потоки зараженных частиц. Получены аналитические результаты, показано, что природа этих шумов связана с гиперболическими или взрывными профилями электрического поля в сплошной среде, проводящей ток. Эти представления и полученные результаты могут быть полезными при разработке, конструировании и доведении до оптимальных режимов работы газоразрядных приборов, в которых такие шумы возникают и существенно влияют на их характеристики.

7. На основании численных расчетов и сравнения их с экспериментами сформулированы, разработаны, опробованы и верифицированы математические модели, позволяющие аналитически и численно описывать процессы амбиполярного переноса в газоразрядной плазме с прокачкой газа.

8. На базе кумулятивных процессов предложено решение вопроса нелинейных резонансов в динамических структурах и их регулярных (упорядоченных, «кристаллических») фокусирующих энергомассовые потоки системах.

Личный вклад автора.

Непосредственный личный вклад автора в работу состоит в следующем:

1. Все физические задачи, математические модели и методы их численного и аналитического решений сформулированы и поставлены, а результаты проведенных исследований обобщены в единую научную концепцию, автором самостоятельно.

2. Разработаны методика экспериментов и основы аппаратурного обеспечения, спроектированы элементы экспериментальных установок для: а) обнаружения динамической самофокусировки объемного заряда в объеме плазмыб) прямого доказательства существования и измерения скорости амбиполярного дрейфа плазмы, обусловленного различными зависимостями подвижностей электронов и ионов от напряженности электрического поляв) измерения профилей напряженности электрического поля в скачке с нарушением нейтральностиг) фиксирования фокусирующих плазменные потоки профилей.

3. Непосредственное участие с соавторами в экспериментах, в которых обнаружена самофокусировка объемного заряда, коническая кумуляция тока, резкие скачки напряженности электрического поля в объеме плазмы (вдали от электродов), измерена скорость амбиполярного дрейфа, обусловленного различными зависимостями подвижностей электронов и ионов от поля.

4. Разработка, выбор, доработка и обобщение математических моделей процессов возбуждения, ионизации и переноса в газоразрядной плазме.

5. Разработка алгоритмов численных программ, непосредственное выполнение численных и аналитических расчетов и проведение численных экспериментов.

6. Валидация и верификация численных и аналитических моделей. Анализ практической применимости моделей и достоверности полученных в экспериментах результатов.

7. Анализ, обобщение, установление закономерностей и формулировка законов кумуляции и амбиполярного переноса в газоразрядной плазме.

8. Разработка метода модификации коэффициентов амбиполярного переноса и получение корректных, модифицированных инкрементов неустойчивостей и коэффициентов амбиполярного дрейфа и диффузии, учитывающих нестационароность, неоднородность функции распределения электронов (ФРЭ) и нарушение нейтральности в газоразрядной плазме.

Достоверность полученных результатов обеспечивается сравнением результатов развитых автором теоретических моделей с данными экспериментов, проведенных с непосредственным участием автора и с экспериментальными данными опубликованными другими исследователями (МФТИ, ВЭИ, ГНЦ РФ ТРИНИТИ, ИВТАН).

Защищаемые положения.

1. Кумуляции потоков (заряженных частиц) и фокусировка (взрывной рост) напряженности электрического поля к центру (кумуляции), являются неотъемлемыми свойствами динамических структур в плазме. Кумулятивно-диссипативное формообразование плазменных структур обусловлено амбиполярным дрейфом плазмы различного генезиса. Закон (г|) фокусировки (кумуляции) приведенного электрического поля в одномерном приближении (E/N ~ 1/гл) не зависит от (к) геометрической формы (сферической к=2, цилиндрической к=1 и плоскостной к=0) области кулоновского притяжения. Геометрическая форма, особенности симметрии и параметры активизированной среды фокусировщика (или плазменной кулоновской линзы) определяют тепловые взрывы на границе электрод-газ, резко неоднородные профили концентрации заряженных частиц и тем определяют формирование кумулятивных струй и высоко энергетичных пучков электронов, а также нелинейные резонансы в плазменных системах.

2. Нарушение нейтральности в плазме с током приводит к нелинейному взаимодействию внешнего электрического поля и плазмы, что проявляется в виде амбиполярного конвективного сноса и амбиполярной диффузии (Пуассона) профилей параметров плазмы в квазистационарных полях и при любых частотах (со) переменного, ВЧ и СВЧ полей. Коэффициент диффузии Пуассона, обусловленный нарушением нейтральности плазмы с током ~ 1/со4 при со > 1/тм. При со > vm и со «1/тм (тм — максвелловское время компенсации объемного заряда, vm — частота упругих столкновений электронов с тяжелыми о частицами газа) коэффициент диффузии Пуассона ~ 1/со .

3. Предсказание, аналитическое, и численное описание динамической самофокусировки пространственного заряда в объеме плазмы в динамике протекания тока.

4. Предсказание существования в газоразрядной плазме скачков с нарушением нейтральности, классификация скачков на диффузионные, скачки с нарушением нейтральности и сложные скачки. Обобщение скачков в класс дрейфовых скачков.

5. Прямое экспериментальное доказательство существования амбиполярного дрейфа плазмы, обусловленного различием в зависимостях подвижностей электронов и ионов от напряженности электрического поля.

6. Предсказана, теоретически и экспериментально исследована динамическая самофокусировка пространственного заряда в заряженные плазменные структуры вдали от электродов в динамике протекания тока при схлопывании амбиполярных потоков. Тем доказано существование макрокулоновских областей с объемным зарядом или кулоновских линз.

7. Теоретически предсказан новый механизм амбиполярного дрейфа, обусловленный нестационарностью и неоднородностью параметров, определяющих ФРЭ в источниках и стоках частиц плазмы. Установлена динамика взаимопереходов амбиполярных дрейфовых потоков и их зависимость от значений характерных параметров в плазме. Выяснено влияние амбиполярных дрейфов плазмы на инкременты неустойчивостей и профили параметров в динамических структурах и их регулярных системах в газоразрядной плазме среднего и повышенного давлений с и без прокачки газа.

8. Модификация метода Шоттки и получение корректных модифицированных коэффициентов амбиполярной диффизии, амбиполярного рейфа, инкрементов неустойчивостей, фазовых и групповых скоростей распространения возмущений в газоразрядной плазме с током и с существенным нарушением нейтральности.

9. Процессы амбиполярного переноса, формирующие динамическую структуру с кумуляцией энергомассовых потоков и взрывными профилями напряженности электрического поля, определяют спектр нелинейных резонансов. [Постановка и аналитическое решение задачи о нелинейных резонансах в плазменных структурах и их регулярных системах]. Плазменные динамические системы имеют иерархичную структуру. Характерные размеры структур на каждом уровне иерархии определяются из уравнений топоэнергетических состояний плазмоида (уравнения получены автором из баланса конкурирующих процессов).

10. Параметр динамического порядка E/N «(dU/dt)/VN «const в разрядах, скользящих по поверхности диэлектрика на стадии пробоя. [Методика для описания коммутационных характеристик разрядов, скользящих по поверхности диэлектриков, базирующаяся на понятии критических параметров]. Здесь dU/dt — скорость нарастания напряжения на высоковольтном электроде, V — скорость распространения волны ионизации по поверхности диэлектрика.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Международных (Берлин, Снежинск, Киев, Минск и др.), Всесоюзных и Всероссийских (Ужгород, Тарту, Ленинград и др.) конференциях, обсуждались на научных семинарах в МГУМИФИМФТИТРИНИТИИВТАНИАЭ, ИБРАЭ, ВЭИ им. ЛенинаИнституте проблем лазерной и информационной технологий РАН г. ШатураРязанской инженерно—технической академииФизическом институте РАН им. П. Н. Лебедева и в других научных организациях.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ в отечественных и зарубежных журналах, трудах конференций и т. д. Среди них более 30 печатных работ, опубликованны в ведущих, рецензируемых журналах, указанных в перечне, определенном ВАК. Эти работы автора указаны в списке литературы.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 226 наименований. Объем диссертации составляет 268 страниц.

Результаты работы представлены в публикациях [7, 35—41, 43—46, 73—77, 139—142, 148—161, 164—165, 168—170, 172—177, 182—185, 187, 190, 195, 202, 205, 208, 214, 217, 219, 224 — 226].

Автор благодарен всем своим коллегам и друзьям по работе. Особую благодарность автор выражает: директору ГНЦ РФ ТРИНИТИ В. Д. Письменному, сотрудникам ТРИНИТИ: В. М. Борисову, А. Ф. Глове, В. А. Гурашвили, A.M. Дыхне, Н. Г. Ковальскому, И. В. Кочетову, Д. Д. Малюте, А. П. Напартовичу, А. Ф. Палю, В. П. Панченко, А. Н. Старостину, В. Е. Трощиеву, Черковцу В. Е. и многим другим. Без их поддержки и профессионального интереса работа не была бы выполнена в предлагаемом объеме и на данном уровне.

Заключение

.