Исследование прикатодных областей тлеющего разряда в гелии и азоте

Тлеющий разряд постоянного тока является объектом постоянного внимания [3,72], поскольку он широко используется в практических приложениях и является удобным физическим объектом для научных исследований.

Широкое применение плазмы во многих газоразрядных приборах, обуславливает постоянный исследовательский интерес к тлеющему разряду. В частности, к таким недостаточно изученным областям тлеющего разряда как отрицательное свечение (N0) и фарадеево темное пространство (РБ8).

Прикатодная область (астоново темное пространство, катодное свечение, N0 и РБ8) ответственна за обеспечение самостоятельности разрядабез нее разряд не может существовать. При сближении электродов сокращается длина положительного столба (РС), в то время как катодные и анодные части перемещаются вместе с электродами и не изменяют свою структуру. Соответственно, РС не является обязательным для существования разряда.

Традиционно описание газоразрядной плазмы строилось на основе гидродинамического подхода, оперирующего характеристиками усредненной частицы. Однако такое приближение не может полно описать многие явления в газовых разрядах [5−7]. Гидродинамический подход требует равновесного (максвелловского) распределения всех присутствующих в плазме частиц. Газовый разряд, как правило, представляет собой сильно неравновесную систему и наиболее неравновесной оказывается электронная компонента. Это связано с тем, что электрическая энергия вкладывается в основном в электроны, а обмен энергией электронов с другими частицами затруднен из-за малой массы электрона. Поэтому функция распределения электронов (ФРЭ), как правило, сильно отличается от максвелловской.

Кроме того, специфика разрядов при низких давлениях состоит в том, что длина релаксации электронов по энергиям сравнима с характерными масштабами разрядов. Это определяет нелокальный характер функции распределения, когда функция распределения формируется не местным значением поля, а профилем потенциала в некоторой пространственно-временной окрестности и размер этой окрестности определяется длиной энергетической релаксации электронов. Электроны разных энергий имеют разные длины релаксации и часто ведут себя практически независимо. При этом потоки частиц и энергий разных областей функции распределения электронов по энергии не связаны друг с другом и могут даже быть направлены в разные стороны, поэтому представления гидродинамического подхода об усредненных частицах, о диффузии, теплопроводности в принципе не применимы [5,7]. Сложность теоретического описания состоит также в том, что задача является самосогласованной: высокоэнергетическая часть ФРЭ определяет пространственное распределение ионизации и, соответственно, профиль потенциала плазмы, который в свою очередь, определяет вид ФРЭ.

Значительный прогресс в теории неоднородных областей газового разряда достигнут благодаря применению принципов нелокальной кинетики электронов [5,76]. В основе этой концепции лежит предположение о том, что именно нелокальный характер ФРЭ определяет немонотонный вид плазменных профилей, в том числе и формирование потенциальной ямы для тепловых электронов и обращения знака электрического поля в плазме N0 и В зависимости от приведенной длины разряда рЬ образуются одна или две точки обращения поляот этого зависит знак анодного падения.

Несмотря на длительную историю изучения тлеющего разряда, физические процессы в отдельных частях разряда недостаточно изучены. В особенности это относится к катодным областям. Нет четкого представления зависимости параметров разряда от режима работы газоразрядного прибора. Недостаточно экспериментальных данных распределений параметров плазмы в катодных областях и почти отсутствует анализ этих данных с точки зрения нелокальной кинетики [15]. Между тем это важно для развития теории разряда и его практического использования. Поэтому комплексное изучение физических свойств прикатодных областей тлеющего разряда и создание соответствующей теоретической модели являются актуальными направлениями развития современной физики газового разряда.

В данной работе проведено экспериментальное исследование короткого тлеющего разряда (без положительного столба) в атомарном (гелий) и молекулярном (азот) газах. Исследована структура прикатодной области исследуемых разрядов. Рассмотрено формирование неоднородных плазменных профилей газоразрядной плазмы в катодных областях тлеющего разряда низкого давления в гелии и азоте. Проведен одномерный теоретический анализ и предложена самосогласованная модель прикатодных областей исследуемых тлеющих разрядов с учетом нелокальной кинетики электронов в пренебрежении потерей энергии при упругих ударах.

Основные результаты и выводы:

С целью определения структуры прикатодных областей коротких (без положительного столба) тлеющих разрядов в атомарном (гелий) и молекулярном (азот) газах и проверки их нелокальной модели выполнено измерение параметров прикатодных областей этих разрядов. Исследование включало измерение потенциала пространства, функции распределения электронов, концентрации заряженных частиц и излучения разряда, а также расчет этих величин, их сравнение с экспериментальными данными и развитие нелокальной теоретической модели.

1) Впервые обнаружено наличие двух типов структуры катодных областей. При малом параметре рЬ на профиле потенциала пространства наблюдается потенциальная яма. При большем значении параметра рЬ потенциальная яма явно экспериментально не регистрируется. Наблюдается участок постоянства потенциала плазмы.

Наличие потенциальной ямы для электронов при низких давлениях обусловлено тем, что плотность диффузионного тока превышает плотность разрядного тока, в связи с чем возникает обратное поле, чтобы выполнялось уравнение непрерывности. При этих давлениях столкновений электронов с атомами и молекулами газа мало. Следовательно, диффузионный поток большой и необходимо большое обратное поле, поэтому потенциальная яма должна быть достаточно глубокой (порядка температуры электронов). При повышении давления газа увеличивается число столкновений. В связи с этим увеличивается сопротивление диффузионному потоку, следовательно, сам поток становится мал. Таким образом, требуется меньшее обратное поле и область обратного поля будет значительно короче. В этом случае явно экспериментально яма может не регистрироваться при условии Здифф >^. При условии ]дифф < ]раф существование ямы не является необходимым.

2) Установлено, что измеренные по второй производной зондового тока функции распределения электронов в медленной части являются максвелловскими с температурой менее одного еУ. Этот факт объясняется кинетической моделью тлеющего разряда постоянного тока, основанной на нелокальной ионизации газа электронами, набравшими свою энергию в катодном слое, которая предсказывает наличие трех групп электронов: быстрые, промежуточные и медленные (запертые в потенциальной яме). Группа медленных электронов состоит из запертых электронов, энергии которых ниже потенциала второй точки обращения поля (или потенциала анода в коротком разряде). Эти электроны не участвуют в переносе тока и остывают до температуры порядка комнатной. Максимум концентрации электронов соответствует дну потенциальной ямы. Электронный ток в фарадеевом темном пространстве переносится промежуточными электронами с энергиями меньше энергии возбуждения атомов.

3) Показано, что результаты измерения функции распределения промежуточных электронов вдоль оси разряда согласуются в нелокальном режиме с расчетами, основанными на решении кинетического уравнения Больцмана с нулевым граничным условием на аноде.

4) Обнаружено, что свечение разряда максимально на границе слойплазма. Это объясняется тем, что возбуждение и ионизация в отрицательном свечении обусловлены быстрыми электронами, ускоренными сильным полем в катодном слое. Их энергия намного превосходит энергии возбуждения и ионизации атомов. Ионизация атомов экспоненциально растет по мере удаления от катода, достигая максимума вблизи границы слой — плазма.

5) Показано, что предложенные теоретические модели с учетом нелокальной кинетики электронов справедливы как в атомарном, так и в молекулярном газах. В молекулярном газе длина NG, также как и в атомарном, определяется пробегом быстрых электронов, набравших свою энергию в катодном падении, и слабо зависит от характеристик медленных и промежуточных электронов.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с предложенной моделью прикатодных областей тлеющего разряда, основанной на нелокальной ионизации газа электронами, набравшими свою энергию в катодном слое.

В заключение выражаю глубокую благодарность за приятное и плодотворное сотрудничество, поддержку при подготовке диссертации и многие полезные советы Цендину Л. Д., Вагнеру С. Д., соавторам статей Кудрявцеву A.A., Нисимову С. У. и научному руководителю Слышову А.Г.

Заключение

.