Отзыв оппонента Балмашнова А.А (Исследование влияния малых газовых добавок и постоянного электрического поля на параметры сильно неоднородного СВЧ разряда пониженного давления методом математического моделирования)

ОТЗЫВ официального оппонента о диссертации Титова Александра Юрьевича «Исследование влияния малых газовых добавок и постоянного электрического поля на параметры сильно неоднородного СВЧ разряда пониженного давления методом математического моделирования», представленной на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук по специальности 01.04.08 — физика плазмы, Неравновесные СВЧ разряды в настоящее время находят применение для решения различных научных и прикладных задач.

Для выполнения этих задач требуется не только совершенствование методов диагностики, но и разработка адекватных протекающим процессам в системах их реализующих моделей для вычислительного эксперимента. Вычислительные методы совместно с экспериментальнымн позволяют исследовать механизмы Физико-химических процессов и, что важно, предлагать способы создания сред с заданными свойствами.

Именно этому посвя1цена диссертационная работа А.Ю. Титова. В своей работе А.Ю.Титов развивает известные работы, проводимые в ИНХС РАН в этом направлении, а именно, работы, связанные с изучением влияния малых газовых добавок и внешних электрических полей на параметры СВЧ плазмы. Объектом исследования является неоднородный (электродный) СВЧ разряд при давлениях смесей рабочих газов порядка ! Тора. Тема диссертационной работы является актуальной.

Структура и содержание работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка литературы. Объем диссертации 119 с., включая 43 рис, 5 таблиц. Список литературы насчитывает 192 наименования. Во Введении дана общая характеристика работы, цели и задачи исследования. Первая глава содержит литературный обзор, который включает описание СВЧ устройств, применяемых для получения плазмы, результаты исследований по моделированию СВЧ разрядов. Подробно описан электродный СВЧ разряд, который является объектом исследования и рассмотрены результаты работ по моделированию электродного СВЧ разряда, проведенных в ИНХС РАН.

В обзоре отмечен ряд нерешенных задач, представляющих несомненный интерес. Решению части этих задач посвящена данная диссертационная работа. Глава 2 содержит описание базовых одно- и двумерных самосогласованных моделей, разработанных для решения поставленных задач. Детали этих моделей, учитывающие специфику решаемых задач, описаны в соответствующих главах. Описана геометрия задачи (расчетная область), характеристические размеры которой соответствуют экспериментальной установке.

В одномерной задаче рассмотрена сферически симметричная область разряда. Двумерная задача имеет осевую симметрию и решается в цилиндрической системе координат. Самосогласованные модели включают в себя уравнения баланса частиц (электронов, ионов и нейтральных частиц) в диффузионно-дрейфовом приближении. Коэффициенты скоростей процессов под действием электронного удара рассчитывались с помощью однородного уравнения Больцмана, записанного в двухчленном приближении. Уравнение решалось самосогласованно с уравнением для колебательной кинетики в диффузионном приближении. Для описания полей, возникающих в плазме вследствие разделения зарядов, использовалось уравнение Пуассона, что является естественным при наличии многокомпонентной плазмы. Температура газа в исследуемой области считалась постоянной.

В одномерной и двумерной моделях для расчета электрической компоненты СВЧ поля использовались формулы в квазистатическом приближении и уравнения Максвелла, соответственно. В данной главе также представлена кинетическая схема процессов, возникающих в водородной плазме, которая используется автором в проводимых им расчетах. В Главе 3 рассмотрено влияние диэлектрического покрытия антенны и малых добавок азота на свойства плазмы электродного СВЧ разряда в водороде. Постановка задачи о влиянии диэлектрического покрытия антенны на параметры плазмы СВЧ разряда обусловлена двумя причинами.

Во первых., такое покрытие часто используется в экспериментах для уменьшения загрязнения объема продуктами эрозии антенны. Во вторых, в плазме поверхность диэлектрика приобретает электрический заряд и важно выяснить, как это влияет на ее параметры? Эта задача автором решается в одномерном приближении. Основным выводом этой части работы можно считать то, что хотя заряд на диэлектрической поверхности антенны приводит к изменению ее потенциала, пространственное распределение и напряженность СВЧ поля нс изменяются, Это позволило существенно упростить методику расчета при двумерном моделировании путем исключения этого процесса из рассмотрения.

Ранее в работах ИНХС РАН было исследовано влияние малой добавки водорода на неоднородный СВЧ разряд в азоте и было показано. что влияние связано с изменением ионного состава плазмы. В диссертации решается задача о влиянии малой добавки азота на СВЧ разряд в водороде.

Такая постановка задачи кардиналыю отличается от предыдущей. Прн СВЧ разряде в азоте преобладают процессы с участием тяжелых частиц, тогда как в водороде преобладают процессы с участием прямого электронного удара. В диссертационной работе описаны реакции с участием молекул азота, Задача решалась в одномерном приближении. Получен важный результат: влияние незначительного количества азота в плазмообразующий газ (водород) есть, причем механизм влияния сложнее, чем в случае добавки водорода в СВЧ разряд в азоте.

Показано, вблизи антенны влияние связано с изменением ионного состава плазмы, а в удалении от нее влияние связано с измерением функции распределения электронов по энергиям. Полагаю, что эти результаты нуждаются в экспериментальной проверке, В Главе 4 представлены результаты исследования влияния малой добавки аргона на разряд в водороде. Задача важная, поскольку аргон часто используе~ся в качестве диагностической добавки для определения параметров плазмы. В этой главе результаты расчетов сопоставляются с результатами экспериментов, в связи с чем дано описание экспериментальной установки и методики проведения спектрально-огпических измерений.

Следует отметить, что получение экспериментальных резуль~атов не входило в задачи диссертанта. Модеяь проводимых расчетов дополнена кинетической схемой процессов с участием атомов аргона в основном, метастабильном и резонансном состояниях и ионов Аг и АгН+. В модели четыре нижних возбужденных состояний аргона (два метастабпльных и два резонансных состояния) представлялись двумя состояниями: объединенным метастабнльным (Аг(М)) и объединенным резонансным (Аг(К)) состояниями.

Приведена таблица процессов, протекшощих с участием арго на. Для сравнения с экспериментальными результатами рассчитывались концентрации возбужденных атомов водорода, ответственных за излучение регистрируемой липни Н(альфа) серии Бальмера (концентраций атомов водорода в состоянии ЗзЗрЗВ ь Приведены двумерные изображения, отображающие влияние добавки аргона на величину и пространственное распределение электронов, напряженность СВЧ поля и концентрацию атомов водорода в состоянии ЗзЗРЗЙ, а также зависимости пространственных распределений концентрации электронов, напряженности СВЧ поля и концентрации атомов водорода в состоянии ЗзЗрЗд от вводимой с систему СВЧ мощности.

Результаты расчетов аксиального распределения концентраций атомов водорода в состоянии ЗзЗрЗг( согласуются с экспериментально полученными результатами. Установлено, что даже 'при добавке порядка (1-2)'го наблюдается уменьшение интенсивности излучения. Анализ полученных результатов позволил автору сделать вывод, что влияние добавки аргона в плазмообразующий газ (водород) на характеристики СВЧ разряда связано с изменением ионного состава плазмы, появлением более тяжелых ионов АгН; сопровождаемым уменьшением диффузионной гибели зарядов, уменьшением требуемого для поддержания разряда СВЧ поля и уменьшением интенсивности излучения атомов водорода, Автор делает выводы: а) с помощью добавки инертного газа (аргон) можно управлять параметрами водородной плазмы, б) необходимо внимательно относиться к возможности использования такой добавки для диагностики параметров плазмы.

В Главе 5 рассмотрено влияние внешнего постоянного поля на параметры сильно неоднородного СВЧ разряда. Постоянное напряжение прикладывается между антенной и корпусом газоразрядной камеры. Описана модификация модели„ представленной в Главе 2, применительно к задачам, рассматриваемым в этой части диссертационной рабо~ы, которые в основном касаются граничных условий. Приведены результаты, описывающие влияние постоянного поля на пространственные распределения концентрации электронов, СВЧ поля, концентраций атомов водорода в состоянии ЗзЗРЗд.

!<ак и в Главе 4 результаты расчетов сопоставляются с результатами измерений интенсивности излучения линии Н(альфа) серии Бальмера. Результаты моделирования качественно согласуются с результатами экспериментов. Моделирование показало, что к увеличению интенсивности излучения линии Н„приводит увеличение напряженности СВЧ поля, концентрации электронов и концентрации атомарного водорода. Постоянное электрическое поле изменяет потоки заряженных частиц на электрод и их пространственные распределения.