Нелинейные взаимодействия разрывных акустических волн в средах с распределенными в объеме и на границах случайными неоднородностями, страница 7

Напряжение, подаваемое на электроды,синусоидальное с частотой 15 кГц и амплитудой 5 кВ. На рассчитанныхзависимостях тока от времени, как и на осциллограммах лампы, наблюдаетсядва импульса тока на полупериод напряжения, временный интервал междукоторыми составляет примерно 0.16÷0.18 периода. Рассчитанные плотноститока имеют тот же порядок, что и экспериментально регистрируемые. Приувеличении газоразрядного зазора плотность тока в импульсе увеличивается,это наблюдается и экспериментально на осциллограммахлампы и нарассчитанных зависимостях J(t). Распределение интенсивности излучения поширине газоразрядного промежутка лампы и рассчитанные распределенияконцентраций излучающих компонент разряда имеют похожий характер.В седьмой главе представлены результаты моделирования физикохимических процессов и оптических и электрических характеристик БР всмесях Xe-Ne с параметрами, характерными для ячеек плазменных дисплейныхпанелей, изучена возможность масштабирования ячеек ПДП, получены законыпреобразования для эффективности излучения при масштабировании ячеек.Описаны результаты численного исследования кинетики электронов всмесях Xe-Ne.

Параметры электронов рассчитывались с помощью программыBolsig+ [51*]. Показано, что распределение энергии электронов на возбуждениеи ионизацию ксенона, и возбуждение и ионизацию неона зависит отприведенного электрического поля (или от средней энергии электронов). Сувеличением электрического поля доля энергии электронов, затрачиваемой навозбуждение ксенона, уменьшается и больше энергии вкладывается вионизацию ксенона, возбуждение и ионизацию неона.Более высокое содержание ксенона в смеси будет более эффективно каквследствие увеличения парциального давления ксенона, так и вследствиеснижения средней энергии электронов. Однако увеличение скоростивозбуждения атомов ксенона в метастабильное и резонансное состояниянаблюдается лишь до концентраций ксенона в смеси ~15-20%.

Эффективностьионизации увеличивается при увеличении концентрации ксенона до ~7%. При30этом нужно учитывать, что снижение эффективности ионизации приводит кнежелательному росту минимального напряжения необходимого дляподдержания разряда. Поэтому увеличение излучательной эффективностиразряда следует ожидать в диапазоне концентраций ксенона до 10%.В рамках ГД модели проведен расчет характеристик БР в смеси0.05Xe/0.95Ne (рис.

23, 24). Использовались 2 варианта кинетической схемыэлементарных физико-химических процессов в смеси 0.05Xe-0.95Ne. Первыйвариант включает 17 компонент: атомы Xe и Ne в основном состоянии, атомыксенона в метастабильном Xem*(3P2), резонансном Xer*(3P1) и выше лежащихвозбужденных Xe** состояниях; атомы неона в возбужденных состояниях Ne*,Ne**, молекулы Xe2*(3Σu+), Xe2*(1Σu+), Xe2**, Ne2*; атомарные Xe+, Ne+,молекулярные Xe2+, Ne2+ и комплексные NeXe+ ионы и электроны.

Во второмварианте из кинетической схемы были исключены атомы Ne** и молекулы Ne2*,поскольку, как показали расчеты, их концентрации в БР в смеси 0.05Xe-0.95Neмалы. Как и ожидалось, реакции с их участием не оказывают заметноговлияния на оптические и электрические характеристики разряда.Проанализировано развитие газоразрядного процесса. Показано, чтонесмотря на преобладание атомов неона в смеси 0.95 Ne/0.05 Xe, концентрацияионов Ne+ намного меньше концентрации ионов Xe+. Вклад атомарных ионовнеона (также как и молекулярных Ne2+) в формирование электрических иоптических характеристик БР в смеси 0.95 Ne/0.05 Xe мал.

Хотя в фазеимпульса тока преобладающим ионом является ион Xe+ и его концентрацияблизка к концентрации электронов, в среднем за период в центральной частиразряда преобладающим ионом является Xe2+.4UmUg3JJ, мА/см22400300200110000-1-100-2-200-3-300-4U, ВUs-4000.00.51.01.52.0t/TРис. 23. Подаваемое на электродынапряжение Us, падение потенциала наразрядномпромежуткеUg,падениепотенциала на диэлектрических барьерах Umи плотность тока барьерного разряда J. U0=400 В, f=100 кГц , Р=350 Тор, dg=400 мкм,db1=db2=200 мкм, ε=5.Среди возбужденных атомов имолекул в БР в смеси 0.05Xe-0.95Neпреобладаютатомыксенонаввозбужденныхсостояниях.Концентрации эксимерных молекулксенонасущественнонижеконцентраций возбужденных атомов,поэтомувизлученииразрядапреобладаетизлучениеизрезонансного состояния атомарногоксенона Xe*r (61%).

Суммарнаяэффективность излучения БР в смеси0.95Ne/0.05Xeсоставляет~8%.* 1 +Излучение эксимеров Xe2 ( Σu ), Xe2*(3Σu+) в сумме составляет ~ 38% отобщего излучения. На излучениеатомов и эксимеров неона приходитсяменее 1% от суммарного излучения.Концентрации атомов неонав31состоянии Ne** и эксимерных молекул неона Ne2* много меньше концентрацийвозбужденных атомов и молекул ксенона.Рис. 24. Пространственно-временное распределение электрического поля и среднейэнергии электронов в БР в смеси 0.95 Ne/0.05 Xe. U0= 400 В, f=100 кГц , Р=350 Тор,dg=400 мкм, db1=db2=200 мкм, ε=5.Плазмохимические реакции в смеси Ne-Xe классифицированы наразрешенные, запрещенные и нейтральные процессы.

Численно в рамкахгидродинамической моделипроведен анализ подобия БР разрядов смасштабным коэффициентом (соотношением линейных размеров разрядов)а=10 и с одинаковыми значениями комбинаций pd и pT (произведение давленияна длину газового промежутка d и произведение давления на период изменениянапряжения Т) в смеси 0.95 Ne/0.05 Xe и проверка инвариантности комбинацийхарактеризующих БР величин. Внешние параметры разрядов БР1 и БР2следующие: толщина диэлектрических слоев – 0.2 и 2 мм (ε=5); длинаразрядного промежутка – 0.4 и 4 мм; давление – 350 и 35 Тор; напряжениепитания – гармонический сигнал с частотой 100 и 10 кГц и одинаковойамплитудой 400 В. Показано, что БР разряды с масштабным коэффициентом 10и одинаковыми значениями комбинаций pd и pT в смеси инертных газов 0.95Ne/0.05 Xe имеют близкие электрические свойства при одинаковых значенияхpt как при прохождении импульса тока, так и в послесвечении.Отклонения от инвариантности комбинаций J/p2, E/p и σ/p малы, в фазепослесвечения заметны различия в зависимостях падения напряжения наразрядном промежутке от pt (рис.

25); здесь J - плотность тока, E напряженность электрического поля, σ - плотность заряда на поверхностидиэлектриков, t - время. Для электронов и основных ионов Xe+ инвариантностькомбинаций Ne,i/p2 приближенно выполняется (отклонения не превышают 40%),для остальных ионов – нарушается, что обусловлено кинетикой их образованияи гибели.

В кинетике молекулярных и комплексных ионов при давленияхнесколько сотен Тор важную роль играют трехчастичные столкновения, вкладкоторых уменьшается при давлении в несколько десятков Тор. Поэтому длямолекулярных и комплексных ионов подобие концентраций нарушается.Показано, что в подобных разрядах концентрации эксимерных молекулпри их образовании в тройных столкновениях атомов неона и ксенона с32возбужденными атомами и радиационной гибели преобразуются согласносоотношению(N )*exc 2=()1*N exc1,5aпри образовании эксимеров в тройныхстолкновениях атомов неона и ксенона с метастабильными атомами – в( )соответствии с соотношением N *exc 2 =60а)1a4(N ) .*exc 1БР1БР240б)БР1БР2302J/p , 10 мА/(см Тор )402200100-6Ug, В20-102-20-40-600.000-20-300.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007-400.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007p×t, Тор×cp×t, Тор×cРис.

25. Падения потенциала Ug на разрядном промежутке (а) и приведенные плотностиполного тока J/p2 (б) в БР1 и БР2 как функции pt. U0= 400 В; f1=100 кГц , Р1=350 Тор,dg1=0.4 мм, (db1)1=(db2)1=0.2 мм; f2=10 кГц , Р2=35 Тор, dg2=4 мм, (db1)2=(db2)2=2 мм; ε=5.Эффективность преобразования электрической энергии в излучение h k длявозбужденных частиц сорта k рассчитывалась как отношение мощности ихT dизлучения к вкладываемой в разряд мощности: h k=òò hnk nk( z ' , t ' )(1 / t k )dz ' dt '.0 0T d(6)ò ò j ( z' , t ' ) E ( z' , t ' )dz' dt 'c0 0Здесь jc ( z ' , t ' ) – плотность тока проводимости; nk ( z ' , t ' ) , nk, tk – концентрация,частота излучения и время жизни возбужденных частиц сорта k; E ( z ' , t ' ) –напряженность электрического поля; t – время; T – период; z –пространственная координата вдоль газового промежутка; h – постояннаяПланка.При условии, что для плотности тока проводимости и напряженностиэлектрического поля выполняются соотношения jc 2 = jc1 / a 2 и E 2 = E1 / a , из (6)теоретически получены законы преобразования для эффективности излучениякомпонент плазмы (табл.) при масштабировании БР.

Показано, чтотеоретически полученные законы подобия выполняются для резонансныхсостояний атомов и молекул ксенона, которые являются основнымиисточниками вакуумного ультрафиолетового излучения барьерного разряда всмеси 0.95Ne/0.05Xe.33Суммарная эффективность излучения подобных БР составляет 8.45% и7.66%. В обоих разрядах основную долю составляет излучение атомов Xe*r иэксимеров Xe2(1Σu+), Xe2(3Σu+). Для отношения суммарных эффективностейизлучения получено значение h 2 / h1 =0.91, что приблизительно соответствуетзакону преобразования h 2 » h1 .ТаблицаЭффективность излучения (h k ) на различных длинах волн, отношение h k 2 /h k1 исуммарная эффективность излучения h = åh k для БР1 и БР2kИзлучающийкомпонентXe*r*NeNe**Xe2 **Xe2(1Σu+)Xe2(3Σu+)Ne2 *hl, нмhk , %БР11475,19Видимый свет 0,001УФ0,0011520,031721,101722,13830,0028,45h k 2 / h k1БР26,651,280,0720,0020,0030,0130,920,0017220,10,0120,430,57,660,91Теорияh k 2 = hk1h k 2= a ×h k 1h=a ×h k 1k2h k=h k1 / a2h=h k1 / a 2k2h=bh k1 / a 2 + gh k1 / ak2h=h k1 / a 2k2h 2 » h1В Заключении сформулированы основные результаты работы.В Приложениях кратко описывается метод решения системы уравненийодномерной гидродинамической модели (Приложение 2),приводятсякинетические схемы плазмохимических реакций в CF3Br (Приложение 1), вксеноне (Приложение 3) и в смеси Ne-Xe (Приложение 4) и константыскоростей соответствующих реакций.III.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.Проведено комплексное исследование параметров плазмы ВЧЕ разряда в CF3Brпри давлениях 1-10 Па (частота 5.28 МГц). Изучено пространственноераспределение температуры газа. Методом оптической актинометрии свысоким пространственным разрешением измерены абсолютные концентрацииатомов Br и F. Показано, что концентрация атомов брома в десятки разпревышает концентрацию атомов фтора. При наличии на ВЧ электродепластины кремния концентрация атомарного брома у ВЧ электродаповышается. Разработана кинетическая модель газофазных реакций в CF3Brплазме, рассчитаны кинетические кривые концентраций компонент CF3Brплазмы. Дано объяснение наблюдаемому эффекту анизотропного травлениякремния в ВЧЕ разряде в трифторбромметане, связанное с близкимиконцентрациями основных ионов CF3+ и атомарного фтора в разряде иотсутствием летучих соединений брома с кремнием.342.Проведено комплексное исследование характеристик ВЧЕ разряда в магнитномполе в аргоне и метане (частота 13.56 МГц).