Диссертация (Исследование влияния малых газовых добавок и постоянного электрического поля на параметры сильно неоднородного СВЧ разряда пониженного давления методом математического моделирования), страница 2

Этотподход позволил получить сведения о механизмах процессов в плазме, которыеневозможно получить каждым из этих подходов в отдельности.Практическая ценность результатовПолученные результаты могут использоваться в задачах управления физикохимическими процессами в неравновесной неоднородной СВЧ плазме с помощью малыхгазовых добавок к основному плазмообразующему газу и внешнего постоянногоэлектрического поля. Эти факторы дают дополнительные возможности, например,управления химической активностью плазмы.

Кроме того, результаты, полученные всмесях водорода с малой добавкой аргона важны при анализе возможностей8применимости такого метода диагностики плазмы, как оптическая актинометрия. Былопоказано, что даже малые добавки, вводимые в плазму для диагностики могут изменять еепараметры.Личный вклад автораВсе представленные в работе результаты получены либо лично автором, либо приего непосредственном участии. Автором выполнены все расчеты, обработаны ипроанализированы полученные результаты.

Также им проведено сравнение полученныхрезультатов с экспериментальными данными.Публикация и апробация работыРезультаты исследования опубликованы в 4-х статьях в журналах (3 из которыхсодержатся в списке журналов ВАК, 3 индексируются в базе данных Scopus и 2индексируются в базе данных Web of Science), а также представлены на конференциях:XLI Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС. 10-14февраля 2014 г.; Всероссийская (с международным участием) конференция «Физиканизкотемпературной плазмы» ФНТП-2014. Казань, 20-23 мая 2014.; Strong Microwaves andTerahertz waves: Sources and Applications, 9-th Int. Workshop, N.Novgorod-PermN.Novgorod, July 24-30, 2014.; VII Международный симпозиум по теоретической иприкладной плазмохимии, 3-7 сентября 2014 г., Плес; The 18th International Congress onPlasma Physics (ICPP 2016), 27.06.-01.07.

2016, Kaohsiung, Taiwan; XLIV Международнаяконференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 13-17 февраля2017 г. г. Звенигород; Всероссийская (с международным участием) конференция «Физиканизкотемпературной плазмы» (ФНТП-2017), Казань, 5-9 июня 2017 г.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объемдиссертации 119 с., включая 43 рис, 5 таблиц.

Список литературы насчитывает 192наименования.9Краткое содержание работыВо Введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи,сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и дано краткое описаниеработы.Глава 1 содержит литературный обзор. Анализ известных способов получения СВЧплазмы показал, что несомненный интерес для дальнейших исследований представляютинициированные разряды, которые могут создаваться при малых уровнях падающеймощности, не ограничены внешними стенками и имеют сильно неоднородную структуру.Последнее может влиять на механизмы физико-химических процессов в них.Представителем таких разрядов является электродный микроволновый разряд.Анализрезультатовмоделированияэлектродногомикроволновогоразряда(совместно с экспериментальными данными) показал, что важной и далеко не до концаисследованной задачей является изучение влияния малых добавокинертных имолекулярных газов на кинетику процессов в нем.

Это исследование будет продолжено напримерах разряда в смесях водорода с малыми добавками аргона и водорода с малымидобавками азота.Открытой областью для исследования является изучение влияния внешнихпостоянных полей на параметры СВЧ разряда.Эти задачи и являются содержанием диссертационной работы. Для их решениянеобходимо усовершенствовать имеющиеся модели.Глава 2 содержит описание разработанных базовых самосогласованных одно идвумерных осесимметричных моделей электродного СВЧ разряда.

Описана геометрия иосновные уравнения. Одномерные модели включают в себя уравнение для СВЧ поля вквазистатическом приближении. В двумерных моделях напряженность СВЧ полярассчитывается при решении уравнений Максвелла. Кроме того, модели включают в себяуравнения Пуассона, Больцмана и кинетические уравнения для концентраций заряженныхи возбужденных частиц плазмы. Модели позволяют рассчитывать пространственныераспределенияконцентрацийпространственныеэлектроновраспределенияСВЧиивозбужденныхпостоянногополя.тяжелыхДеталичастиц,моделей,используемых для решения конкретных задач, описаны в соответствующих главах.В Главе 3 рассмотрены некоторые результаты, полученные, в основном, приодномерном моделировании электродного СВЧ разряда. Проведено моделированиевлияниядиэлектрическогопокрытияметаллическогоэлектрода(изменениеэлектродинамики разряда, осаждение зарядов на поверхности диэлектрика, изменение10каталитических свойств поверхности антенны) на параметры плазмы СВЧ разряда вводороде при пониженном давлении.

Показало, что: (а) использованием диэлектрическогопокрытия разной толщины и разной диэлектрической проницаемости можно управлятьпространственным распределением напряженности микроволнового поля у антенны. (б)изменение электродинамики и осаждение зарядов на поверхности диэлектрика оказываютвлияние только на приповерхностную область разряда и практически не влияют нахарактеристики плазмы в объеме плазмы (например, на максимальное значениеконцентрации электронов), (в) каталитические свойства поверхности диэлектрика сильновлияют на максимальное значение концентрации атомов водорода в случае преобладанияих гибели в процессах диффузии и рекомбинации на поверхности, (г) осаждение зарядовна поверхностидиэлектрика приводит квозрастаниюпотенциала поверхностиотносительно плазмы, но пространственное распределение потенциала практически неизменяется, а также приводит к смешению области плазменного резонанса к поверхностиэлектрода. Можно ожидать, что с увеличением роли объемной рекомбинации атомовводорода, роль основного фактора влияния диэлектрического покрытия на параметрыплазмы будет малой.Исследование влияния добавки азота на параметрыэлектродного СВЧ разряда вводороде показало, что на профили концентраций электронов и СВЧ-:поля уже при 5%добавке азота влияют изменение ФРЭЭ (изменение транспортных свойств электронов),изменение ионного состава плазмы.

ФРЭЭ оказывает влияние в шаровой области разряда(вдали от электрода): увеличение подвижности электронов при добавлении азотаприводит к уменьшению размеров плазменного образования. Коэффициент диффузииэлектронов практически не изменяется. Изменение ионного состава плазмы ( основнымионом становится ион N2H+ ) влияет на структуру плазмы у поверхности электрода.В главе 4 исследуется влияние малой (до 5%) добавки аргона на параметрыэлектродного СВЧ разряда в водороде при давлении 1 Тор.

Экспериментально былопоказано, что добавление нескольких процентов аргона к водороду при неизменнойпадающей мощности ведет к уменьшению максимальных значений интенсивностейизлучения линий атомарного водорода.Для объяснения полученных результатов проведено двумерное самосогласованноемоделирование разряда. Использована модель, описанная в Главе 2 и дополненнаякинетическими процессами с участием атома аргона. Результаты 2D-моделированиякачественно согласуются с результатами экспериментов.Анализ рассчитанных пространственных распределений ионной компонентыплазмы (ионы Н2+, Н3+, Ar+), распределения постоянного поля в окрестности антенны и11потока ионов на нее позволил определить механизм влияния малой добавки аргона напараметры разряда в водороде. Несмотря на то, что в общем балансе заряженных частицион Ar+ составляет малую долю, вблизи электрода его роль велика.

Дополнительный (посравнению с разрядом в чистом водороде) ион уменьшает суммарный поток ионов наэлектрод. Поскольку в самостоятельном разряде напряженность поля, которое создаётплазму (СВЧ поле) определяется балансом заряженных частиц, то уменьшение потоказаряженных частиц на поверхность электрода вызывает уменьшение скорости ихрождения. Ионизация происходит в результате электронного удара и зависит, при прочихравных условиях, от напряженности СВЧ поля. Следовательно, при добавлении аргонанапряженность поля должна уменьшиться, что ведет к уменьшению интенсивностиизлучения линий водорода, а также к изменению параметров плазмы (концентрацийзаряженных частиц, энерговклада в плазму и структуры разряда).Результаты показывают, что возможность использования газовых добавок длядиагностики плазмы должна быть проанализированы в каждом случае.

В рассмотренномслучае метод оптической актинометрии не может быть использован. С другой стороныони показывают, что даже малые добавки инертного газа могут использоваться дляуправления параметрами плазмы.В главе5 на основе двумерного самосогласованного моделирования иэмиссионной спектроскопии электродного СВЧ разряда исследована возможностьуправление параметрами неравновесного сильно неоднородного электродного СВЧразряда в водороде при давлении 1 Тор с помощью внешнего постоянного напряжения,прикладываемого между электродом/антенной и стенками разрядной камеры. Ранееисследовалось влияние постоянного поля только на приэлектродную области разряда.

Внастоящей работе изучались аксиальные и радиальные распределения излучения во всемобъеме разряда. Показано, что при отрицательных напряжениях на антенне относительнокамеры разряд концентрируется у торца антенны и интенсивность излучения возрастаетпри увеличении напряжения во всем объеме разряда. Положительные напряженияпрактически не влияют на СВЧ разряд. Результаты моделирования качественносогласуются с результатами экспериментов. Моделирование показало, что увеличениеинтенсивности излучения линии Нα связана с тремя факторами – увеличениемнапряженности СВЧ поля, концентрации электронов и концентрации атомарноговодорода.