Развитие моделей газовых разрядов в постоянных, высокочастотных и сверхвысокочастотных электрических полях (1097865)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиДвинин Сергей АлександровичРАЗВИТИЕ МОДЕЛЕЙ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ В ПОСТОЯННЫХ, ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХСпециальность 01.04.08 – Физика плазмыАвтореферат диссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква20092Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета имени М.В.ЛомоносоваНаучный консультантДоктор физико-математических наук, профессор Александров А.Ф.Официальные оппоненты:Доктор физико-математических наук Коссый Игорь Антонович.Доктор физико-математических наук Найдис Георгий Вениаминович.Доктор физико-математических наук, профессор Синкевич Олег Арсеньевич.Ведущая организация: Институт нефтехимического синтеза Российскойакадемии наук.Защита состоится ― 23 ‖ апреля 2009 г.

в 16 часов на заседании Диссертационного совета Д.501.001.66 Московского Государственного университета по адресу: 119991, г. Москва, Ленинские Горы, Московский Государственный университет, Физический факультет, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан ―_____‖ ________________2009 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д.501.001.66,доктор физико-математических наукА.П. Ершов3I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыВ настоящее время газоразрядные источники плазмы используются вомножестве приложений: в гетерофазных и гомофазных плазмохимических реакторах, в источниках света, плазменных двигателях, как инициатор химическихреакций и средство управления газовыми потоками в плазменной аэродинамике.Параметры плазмы в этих устройствах изменяются в широких пределах (плотности заряженных частиц от 107 до 1015 см-3, давление газа от 10–4 Тор до атмосферного, в качестве рабочего вещества используются инертные, молекулярные, электроотрицательные газы и их смеси).

В связи с этим актуальной является задачаразработки единого подхода к созданию моделей разряда, которые бы позволялирассчитывать их параметры так же просто, как это позволяют делать классические модели Шоттки (диффузионный режим газового разряда) и ТонксаЛенгмюра (режим свободного падения ионов на стенку).Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальномуизучению явлений, наблюдающихся в газоразрядных источниках плазмы в широком диапазоне давлений газа от 0.01 Тор до атмосферного. Развитие нанотехнологий требует создания плазмохимических реакторов нового поколения, работающих в области давлений, в которой длина свободного пробега ионов  порядка размеров системы L и построения соответствующих моделей разряда, учитывающих его двух и трехмерную неоднородность (в отличие от длинных цилиндрических разрядных трубок с плазмой, однородной вдоль оси, рассматриваемых вклассических моделях).

Теоретическое описание этих задач к началу настоящейработы отсутствовало.В некоторых технологических приложениях важна высокая степень равномерности воздействия на подложку. Поэтому необходимы обобщения классических моделей разряда, учитывающих относительно простую кинетику электронов, на двухмерную и трехмерную геометрию с целью оценки достижимой степени однородности. Классические модели положительного столба разряда в этихусловиях недостаточны.

Работа плазменных источников при низких давленияхобусловливает переход от разряда постоянного тока к высокочастотным (ВЧ) исверхвысокочастотным (СВЧ) разрядам, исключающим дрейф заряженных частиц в поле как процесс, приводящий к дополнительным потерям заряженных частиц.Увеличение размеров плазмы, генерируемой с помощью высокочастотныхполей, неминуемо приводит к нарушению квазистационарности электромагнитных ВЧ и СВЧ полей в разряде, который уже нельзя рассматривать как сосредоточенный объект, что является еще одной проблемой, решаемой в настоящей работе.4Следующей практической задачей является необходимость расчета воздействия потока ионов на стенки камеры и подложку, что принципиально требуетучета инерции ионов. Это означает, что вместо линейных уравнений диффузиидолжна быть использована нелинейная система уравнений гидродинамики с учетом ионизации и конвективного слагаемого (V)V, ответственного за инерциюионов.

К началу настоящей работы были получены решения только одномернойзадачи1, в то время как в современных плазмохимических реакторах плазмапринципиально двух или трехмерно неоднородна. Более того, граничные условиядля плазмы (равенство скорости движения ионов ионно-звуковой, называемоекритерием Бома) были установлены только для одномерных течений. Задачауправления энергией ионов, бомбардирующих стенку, на практике обычно решается путем возбуждения высокочастотных электромагнитных полей на границеплазмы с обрабатываемой подложкой. При этом возможна обработка диэлектрических подложек, так как постоянные поля в области слоя пространственного заряда генерируются за счет выпрямления ВЧ полей на нелинейности слоя. Однакоувеличение размеров подложек и в данном случае приводит к тому, что распределение ВЧ поля и потоков заряженных частиц по площади подложки становитсянеравномерным.

Поэтому актуальной является задача расчета распределения ВЧполей на границе плазмы с металлической и диэлектрической подложками.Увеличение давления нейтрального газа повышает производительность источников плазмы, использующихся для осуществления гомогенных химическихреакций. При этом размер разряда определяется интенсивностью процессов переноса в газе, а роль стенок разрядной камеры несущественна, или они отсутствуютвовсе.

Идеальным случаем можно считать создание однородной среды, в которойпротекает химическая реакция с локальным балансом заряженным частиц. Элементарной разрядной структурой, обеспечивающей переход среды из невозбужденного состояния в возбужденное, является фронт ионизации. Теория такихфронтов может быть построена по аналогии с теорией волн, описываемых нелинейным уравнением диффузии, которая была создана А.Н. Колмогоровым, И.Г.Петровским, Н.С. Пискуновым. Для волн медленного горения теория была разработана Я.Б. Зельдовичем и Д.А. Франк-Каменецким, а для газового разряда первые работы выполнены Ю.П. Райзером. Обобщение данных моделей на ВЧ и СВЧразряды затрудняется тем, что скорость химических реакций зависит от распре1Существуют двух- и трехмерные решения уравнения диффузии, не учитывающие инерцию ионов.

Однако нулевые граничные условия не позволяют рассчитать потоки ионов на подложку, а применение модельных условий не являетсястрого обоснованным. Строго говоря, именно полученные автором результаты имогут служить обоснованием модельных граничных условий.5деления ВЧ и СВЧ поля в пространстве, описываемого волновым уравнением.Поэтому в этих типах разрядов нелинейный источник в уравнении диффузии будет не только нелинейным но и нелокальным, что требует разработки соответствующей теории.

Разряды в свободном пространстве могут быть использованы вкачестве инициатора химических реакций, как в неподвижном газе, так и в газовом потоке, для управления обтекания газом различных объектов. Умение управлять пространственной структурой плазмы важно для использования газовогоразряда в плазменной аэродинамике, в объемных химических реакторах и в качестве инициатора химических реакций. Эффективность процесса зависит от объема, в котором существует разряд, и реализуемых температур газа, поэтому необходимо исследование процессов, определяющих форму и структуру разряда. Помимо того, что изучение таких механизмов интересно само по себе, именно этипроцессы лимитируют эффективность многих технологических устройств. Параметры плазмы в разрядах высокого давления СВЧ и постоянного тока близки, чтоделает уместным совместное рассмотрение этих типов разрядов.В последние годы был разработан эффективный источник плазмы, использующий электромагнитную поверхностную волну, распространяющуюся вдольграницы раздела диэлектрической антенны с плазмой.

Спецификой этой формыразряда является его промежуточный характер между разрядом в свободном пространстве и разрядом, ограниченным стенками. Теории аналогичных разрядов,имевшиеся до настоящей работы, предполагали локальную связь плотности заряженных частиц с полем, что не позволяет рассмотреть процесс установления стационарного состояния, а также не применимо в широкой области внешних условий.Из проведенного выше анализа ясно, что построение теории перечисленных явлений актуально с точки зрения практических применений, однако представляет собой сложную физическую задачу.

Рассматриваемая проблема усложняется тем, что все задачи являются существенно нелинейными.Поэтому изучение рассматриваемого в диссертации круга процессов является актуальным и имеет как чисто научный, так и прикладной интерес.Цель диссертационной работыЦелью работы является построение моделей разряда для новых источниковплазмы, использующих разряды постоянного тока, ВЧ и СВЧ разряды низкогодавления и разряды в свободном пространстве. Построенные модели должныобъяснить наблюдающиеся в эксперименте эффекты: гистерезис характеристик,наличие пространственных структур разряда, скачкообразные переходы от однойформы разряда к другой.

Модели должны допускать возможность дальнейшегоусовершенствования путем включения более продвинутой кинетики элементарных процессов с учетом упомянутого выше круга вопросов и их проверки в «чис-6ленных» и реальных экспериментах. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих основных задач.1. Построение кинетической теории положительного столба разряда низкогодавления в условиях, когда размер разряда порядка длины свободного пробегаионов. Модель должна переходить в известные модели Шоттки и ТонксаЛенгмюра в предельных случаях высоких и низких давлений газа.2.

Построение неодномерной гидродинамической модели разряда, учитывающей в дополнение к стандартной диффузионной модели инерцию ионов и еерешение для геометрий разрядной камеры, типичных для современных газоразрядных источников плазмы.3. Построение модели СВЧ разряда, поддерживаемого плоской волной, учитывающей возможность возбуждения поверхностной волны и взаимной трансформации волн.4. Изучение условий существования и дисперсионных характеристик волн,распространяющихся вдоль границы неравновесной плазмы ВЧ разряда низкогодавления с металлом.5.

Построение модели распространения разряда, поддерживаемого плоскойСВЧ волной, при плотностях электронов больше критической.6. Объяснение механизма формирования нитевидной структуры СВЧ разрядавысокого давления (построение теории высокочастотного стримера).7. Построение модели разряда постоянного тока в поперечном потоке газа.8. Построение самосогласованной модели СВЧ разряда на поверхности диэлектрической антенны.Научная новизна работы заключается в следующемАвтором впервые получены и выносятся на защиту следующие основныетеоретические и экспериментальные результаты.1. Выведено уравнение плазмы и слоя, позволяющее описать свойства разряда с учетом отклонений от квазинейтральности, инерции ионов, перезарядки, иреального распределения ионов по энергиям для разряда положительного столбапостоянного тока.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации