Диссертация (Исследование влияния малых газовых добавок и постоянного электрического поля на параметры сильно неоднородного СВЧ разряда пониженного давления методом математического моделирования)

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового КрасногоЗнамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева Российской академиинаукНа правах рукописиУДК 533.9.03ТИТОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАЛЫХ ГАЗОВЫХ ДОБАВОК И ПОСТОЯННОГОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПАРАМЕТРЫ СИЛЬНОНЕОДНОРОДНОГО СВЧ РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ МЕТОДОММАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ01.04.08 – физика плазмыДИССЕРТАЦИЯна соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительд.ф.-м.н. Лебедев Ю.А.2ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ4ГЛАВА 1.

Литературный обзор13§ 1.1. СВЧ устройства, применяемые для получения плазмы13§ 1.2. Моделирование СВЧ разрядов21§ 1.3. Моделирование электродного СВЧ разряда31§ 1.4. Выводы к Главе 134ГЛАВА 2. Описание разработанных моделей электродного СВЧ разряда36§ 2.1. Введение36§ 2.2. Геометрия задачи (расчетная область)36§ 2.3. Основные уравнения38§ 2.4. Выводы к Главе 247ГЛАВА 3. Влияние диэлектрического покрытия антенны и малых добавок азота насвойства плазмы электродного СВЧ разряда в водороде48§ 3.1.

Влияние диэлектрического покрытия антенны на свойства электродного СВЧразряда48§ 3.2. Влияние малых добавок азота на СВЧ-разряд пониженного давления в водороде.Моделирование57§ 3.3. Выводы к Главе 364ГЛАВА 4. Влияние малых добавок аргона на сильно неоднородный СВЧ разряд(электродный СВЧ разряд) пониженного давления в водороде65§ 4.1. Введение65§ 4.2. Экспериментальная часть66§ 4.3. Модель68§ 4.4. Результаты и обсуждение70§ 4.5.

Выводы к главе 481ГЛАВА 5. Влияние внешнего постоянного электрического поля на свойстванеоднородного микроволнового разряда в водороде при пониженных давлениях83§ 5.1 Введение.83§ 5.2. Самосогласованная 2D модель разряда.83§ 5.3.

Экспериментальная установка84§ 5.4. Результаты и обсуждение883§ 5.5. Выводы к главе 598ЗАКЛЮЧЕНИЕ100БЛАГОДАРНОСТИ102ЛИТЕРАТУРА1034ВВЕДЕНИЕОбщая характеристика диссертационной работыДиссертационная работа посвящена изучению влияния малых газовых добавок ипостоянного электрического поля на параметры сильно неоднородного СВЧ разрядапониженного давления на основе результатов численного одно и двумерногосамосогласованногомоделирования.Вкачествеобъектаисследованиявыбранпространственно неоднородный неравновесный электродный СВЧ разряд в водороде придавлениях порядка 1 Торр.

Самосогласованные модели построены на основе совместногорешения уравнений для СВЧ поля, уравнения Больцмана для свободных электронов,уравнения Пуассона и кинетических уравнений для концентраций заряженных ивозбужденных частиц.Актуальность работыНизкотемпературная плазмы широко используется для решения различныхнаучных и прикладных проблем. Она применяется в плазмохимии, газоразрядныхисточниках света, аналитической химии, для решения экологических проблем, в медицинеи т.д.

В настоящее время для получения плазмы используются все типы электрическихразрядов. СВЧ разряды не являются исключением. Несмотря на то, что имеется большоеколичество оригинальных и обзорных публикаций по СВЧ разрядам, многие вопросыфизики и применения таких разрядов остаются не исследованными.Важной задачей является исследование неоднородных разрядов. Она обусловлена,во-первых, тем, что большинство электрических разрядов, если не приниматьспециальных мер, являются пространственно неоднородными по одному, или несколькимпараметрам (напряженность электрического поля, концентрации возбужденных частиц ит.д.). Для целенаправленного управления свойствами таких разрядов необходимо знатьосновные закономерности и механизмы влияния неоднородности разряда на параметрыплазмы. Во-вторых, сильная неоднородность разряда может приводить к проявлениюновых физических явлений, в частности, различию физико-химических процессов вразных частях разряда.Примероммикроволновыйтакихразрядсильнонеоднородныхпониженногодавленияразрядов(ЭМР),являетсяэлектродныйвозбуждаемыйуторца5микроволновой антенны и в котором напряженность генерирующего плазму СВЧ полясильно меняется в объеме плазмы как из-за геометрии разряда, так и из-за присутствияобластей плазменного резонанса.Интерес к ЭМРвызван рядом его отличительныхособенностей, таких, как малая мощность поддержания разряда, возможность созданиянеравновеснойплазмывширокомдиапазонедавлений,возможностьсозданиякомпактных плазменных структур, возможность генерации активных частиц в большихкамерах, возможность создания плазмы в требуемой точке пространства, возможностьгенерации плазмы в приповерхностных слоях тел различной формы.

ЭМР позволяетисследовать и реализовать плазмохимические процессы и интенсифицировать физикохимические процессы в газовой фазе, включая процессы горения, исследоватьвзаимодействие плазмы с поверхностью, поведение тел с приповерхностной плазмой впотоках газа, взаимодействие плазменных структур с потоками газа.Поэтому именно ЭМР является объектом исследования.Другой важной проблемой физики газовых разрядов является исследованиевлияния различных воздействий на разряд с целью поиска путей управления егопараметрами. Такой подход, например, реализуется в комбинированных разрядах, когдаплазма создается источником энергии одного частотного диапазона (например, СВЧдиапазона), а управление ее параметрами осуществляется электрическими полями другогочастотного диапазона (например, ВЧ диапазона).

Эффективным путем управленияоднородностью высокочастотного разряда, энергией ионного пучка на обрабатываемуюповерхность и его плотностью является использование двух отличающихся частот одногодиапазона. К эффективным воздействиям относится и наложение внешнего магнитногополя или постоянного электрического поля.В диссертации будут приведены результаты по изучению влияния внешнегопостоянного электрического поля на структуру и параметры ЭМР на основемоделированиястационарногонеравновесногоЭМРвводороде.Этоявляетсяпродолжением работ, выполненных ранее в ИНХС РАН.

Были проведены исследованияЭМР в азоте в постоянном электрическом поле (постоянное напряжение прикладывалосьмежду СВЧ антенной и заземленной камерой). Было показано, что постоянное полеизменяет структуру и форму разряда. Также было показано, что постоянное напряжениепрактически не влияет на колебательное распределение молекул азота в состоянии С 3Пu.Эта же задача экспериментально исследовалась применительно к ЭМР в водороде иобъяснение полученных результатов на основе моделирования содержится в диссертации.6Еще одной задачей, связанной с изучением возможностей управления свойствамиплазмы, является исследование влияния малых газовых добавок на структуру и параметрыЭМР. В этой части диссертация продолжает цикл исследований, проведенных ранее вИНХС РАН.

Было изучено влияние малых добавок аргона и водорода на ЭМР в азоте. Вработе будет изучено влияние малых добавок аргона и азота на ЭМР в водороде.Цели диссертационной работы1. Разработка моделей для описания неоднородного неравновесного СВЧ разряда вводороде пониженного давления, позволяющих исследовать влияние малых добавоказота и аргона, а также внешнего постоянного электрического поля на параметрыплазмы.2. Исследование влияние малых добавок (до 5 об. %) азота и аргона на параметрысильнонеоднородногоэлектродногоСВЧразрядавводороденаосноверазработанных моделей.3. Исследование влияние внешнего постоянного электрического поля на параметрыэлектродного СВЧ разряда в водороде на основе разработанных моделей.4. Сопоставление полученных результатов с результатами измерений.Научная новизна1. Впервые исследован механизм влияния малых добавок азота и аргона на параметрысильнонеоднородногоэлектродногоСВЧразрядавводороденаосноверазработанных одно и двумерных моделей.

Показано, что в сильно неоднородномразряде в разных его частях механизмы влияния добавок различны. Так, придобавлении азота в разряд в водороде в приэлектродной области изменениепараметров связано с изменением ионного состава плазмы, а в области удаленной отнего (сферическая область разряда) влияние связано с измерением функциираспределения электронов по энергиям.2. Впервые исследовано влияние внешнего постоянного электрического поля напараметры электродного СВЧ разряда в водороде на основе двумерной моделиразряда. Показано, что внешнее постоянное поле изменяет потоки заряженных частицна поверхность антенны (электрода), что приводит к изменению необходимого дляподдержания разряда СВЧ поля и, тем самым, к изменению всех параметров разряда.7Основные положения, выносимые на защиту1. Разработанные одно и двумерные самосогласованные модели неоднородногонеравновесного электродного СВЧ разряда для решения задач анализа возможностейуправления параметрами разряда с помощью малых газовых добавок и внешнегопостоянного электрического поля.2.

Результаты исследования с помощью разработанных моделей влияния малой (до 5об.%) добавки азота и аргона на параметры и структуру неоднородного СВЧ разряда вводороде при давлении 1 Торр. Результаты находятся в согласии с известнымиэкспериментальными данными.3. Результаты исследования с помощью разработанных моделей влияния внешнегопостоянного электрического поля на параметры и структуру неоднородного СВЧ разрядав водороде при давлении 1 Торр. Результаты находятся в согласии с известнымиэкспериментальными данными.Достоверность результатовДостоверностьрезультатовподтверждаетсятщательныманализоммеханизмов,включенных в кинетическую схему процессов, а также сопоставлением с полученными влаборатории плазмохимии и физикохимии импульсных процессов ИНХС РАНэкспериментальными результатами. Фактически в работе реализован расчетно –экспериментальный подход к исследованию плазмы электродного СВЧ разряда.