Диссертация (1097947), страница 16

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

Текст из файла (страница 16)

Изэкспериментальных работ, посвященных исследованиям кинетики ФРЭЭ, для развития итестирования вычислительного модуля СИМ для определения ФРЭЭ и её моментов,использованы данные [23, 133, 141, 607–609, 613, 626]. Они составляют базу данныхэлектронной компоненты в уровневой полуэмпирической СИМ азотной НТП, развитой вдиссертации.К настоящему времени разработаны ряд пакетов программ для определения ФРЭЭ.Например, в [748] приводится описание пакета программ ELENDIF для расчета временнойэволюции ФРЭЭ, основных моментов ФРЭЭ в газовом разряде и послесвечении в различныхсмесях газов с учетом столкновений первого и второго рода электронов с тяжелыми частицами,электрон - электронных и электрон - ионных столкновений, фотон - электронных столкновений,процессов прилипания и рекомбинации, ионизации (включая вторичные электроны) и внешниеисточники рождения электронов (электронный пучок).

В [757] описывается пакет программBOLSIG+ для расчета ФРЭЭ и её основных моментов. В [758] предлагается разработанныйпакет программ EEDF (и KIN), позволяющий в самосогласованной постановке рассчитыватькинетические характеристики электронов и компонентный состав газового разряда. Вподавляющем числе работ при решении кинетического уравнения для ФРЭЭ совместно сбалансными уравнениями ограничиваются учетом интегральных сечений и коэффициентовскоростей возбуждения и дезактивации суммарных заселенностей электронных состояниймолекул без разрешения по колебательным уровням.

Это ограничивает применение данныхмоделей для спектроскопической диагностики НТП. Построение математической и физическоймодели определения ФРЭЭ и её основных моментов для спектроскопической диагностикигазовых разрядов и послесвечения является актуальной задачей.Данный подпараграф диссертации посвящен развитию математической и физическоймодели определения ФРЭЭ и её основных моментов применительно к оптической диагностикеразрядов постоянного тока, импульсного тлеющего разряда и СВЧ разряда в азоте (рис.

1). Внастоящем подпараграфе рассмотрены: исходные понятия и приближения, при которыхсправедливы основное кинетическое уравнение Больцмана для ФРЭЭ и выражения дляопределения её основных моментов; база данных измеренных и рассчитанных интегральных и94уровневых коэффициентов скоростей и сечений столкновений электронов с молекулами иатомами азота.В теоретических исследованиях электронной компоненты в газовых разрядах ипослесвечении развиваются различные методы определения ФРЭЭ и сечений столкновенийэлектронов с тяжелыми частицами: метод многочленного разложения ФРЭЭ в ряд посферическим гармоникам; методы Монте-Карло; методы «крупных» частиц в ячейке, методопределения самосогласованного набора сечений и т.д. В данной работе для восполнениянедостающих значений уровневых сечений и определения энергетического спектра электроновиспользуется метод разложения ФРЭЭ в ряд по сферическим гармоникам, который получилширокое распространение в исследованиях электронной компоненты в газовых разрядах ипослесвечении [29, 40, 44, 107, 119, 133, 141, 175, 193, 657, 724, 756, 758, 762, 763, 627, 722, 747,757, 764–795, 797–807].

Исходным уравнением в теоретических исследованиях электроннойкомпоненты в НТП является основное кинетическое нестационарное уравнение Больцмана дляодночастичной ФРЭЭ [29, 40, 33, 44, 107, 119, 133, 139, 141, 197, 203, 758, 808–823]. В рамкахфизической кинетики, вывод основного кинетического уравнения для ФРЭЭ, основан насправедливости предположений (1–6), а также на допущении, что скорость изменения числаэлектронов за счет соударений с тяжелыми частицами в элементарном объеме фазовогопространства пропорциональна его величине. Предполагается, что она определяется суммойсоответствующих скоростей упругих и неупругих соударений электронов с тяжелыминейтральными частицами.

Разложение одночастичной функции распределения электронов попеременным v e / ve ( ve - скорость электрона), с точностью до членов первого порядка, являетсясправедливым при условии, что сила, действующая на электрон в слабоионизованной плазме,вызывает незначительную анизотропию функции (лоренцовское приближение) [824]. В НТПколичество движения электрона испытывает хаотические изменения в результате упругихстолкновений электронов с тяжелыми частицами газа.

Дрейф электронов по направлениювектора силы (например, напряженности электрического поля E , которое поддерживаетгазовый разряд), действующей на электроны, сохраняется. Чтобы исключить излишнеподробное описание кинетики электронной компоненты от углов рассеяния в результатесоударений электронов с тяжелыми частицами, основное кинетическое уравнение следуетусреднить по всевозможным направлениям рассеяния. Подобное усреднение удобновыполнить, представив функцию распределения электронов по скоростям в лоренцовскомприближении в сферической системе координат.

В разложении функции по сферическимгармоникам ограничиваются двумя первыми членами этого ряда, определяющими ФРЭЭ и еёосновные моменты [72, 724, 758, 818, 824–834]. Справедливость двухчленного приближения в95исследованиях ФРЭЭ в газовых разрядах по величине напряженности электрического поля Eобсуждалась в [29, 40, 107, 758, 762, 805]. Показано, что метод разложения по сферическимгармоникам в положительном столбе ТРПТ можно использовать в диапазоне измененияприведенного электрического поля E / N =20–150 Тд.

Это вывод подтверждается сравнениемрезультатов расчета ФРЭЭ, выполненных методами разложения ФРЭЭ по сферическимгармоникам и Монте-Карло [748, 762, 794, 795].В теоретических исследованиях кинетики нестационарного [776–784,835,836] истационарного [722, 724, 758, 764, 766, 767–775, 785, 786, 791–793, 837–840] энергетическогоспектра электронов рассмотрены упругие и неупругие столкновения между электронами инейтральными частицами [9, 10, 13, 19, 22, 23, 29, 37, 38, 40, 45, 58, 63, 65, 68, 75, 88, 100, 107,119, 120, 122, 124, 127, 129, 133, 138, 141, 147, 162, 171, 173, 175, 184, 187, 189, 193–195, 204,206, 209, 211, 330, 724, 756, 758, 764, 805, 806, 841–845].

Показано, что они обуславливаютсложную зависимость релаксация энергии, запасенной в поступательных степенях свободыэлектронов: от параметров газового разряда - напряженности электрического поля,концентрации плазмообразующего газа (давления и поступательной температуры газа),компонентного состава и концентраций частиц в возбужденных состояниях; от временипребывания t p возбужденных частиц в газовом разряде и послесвечении; от полнотыкинетической схемы, описывающейупругие и неупругие соударения электронов снейтральными и заряженными тяжелыми частицами; от абсолютных значениями сечений,соответствующих упругим и неупругим соударениям электронов с тяжелыми нейтральнымичастицами.Вдиссертацииописаниеупругихстолкновенийвыполненовдиффузионномприближении.

Предполагается, что в ПС ТРПТ, в ИТР и СВЧ разрядах изменение внутренней икинетической энергии частицы по сравнению с кинетической энергией электрона передстолкновением можно пренебречь; поступательная скорость электронов заметно превышаетсоответствующую скорость движения тяжелых частиц; тяжелые частицы рассматриваются, какнеподвижные частицы по отношению к электронам.

Это позволяет упростить выражение дляинтеграла упругих столкновений и представить его в основном кинетическом уравнении дляФРЭЭ в диффузионном приближении.В результате неупругих столкновений электрона с частицами НТП происходитвозбуждение вращательных и колебательных уровней основного состояния нейтральных иионизованных молекул электронным ударом, а также возбуждение электронных состоянийионизованных и нейтральных молекул и атомов, диссоциация и ионизация молекулэлектронным ударом, диссоциативная ионизация молекул. В отличие от упругих столкновенийэлектрона с частицами плазмы, при неупругих столкновениях с частицами он теряет заметную96долю энергии, идущую на возбуждение внутренних степеней свободы частиц. Исключениесоставляет возбуждение и де - возбуждение вращательных уровней молекулы электроннымударом. В газовых разрядах, разность энергий, соответствующих соседним вращательнымуровням молекул в основном электронном состоянии, намного меньше, чем усредненнаяпоступательная энергия тяжелых частиц, а также энергии, запасенной во вращательныхстепенях свободы молекул и поступательной средней энергии электронов.

В диссертацииописание возбуждение вращательных степеней свободы молекулы выполнено в диффузионномприближении. Возбуждение и де-возбуждение остальных внутренних степеней свободымолекулы и атомов в столкновениях с электроном описывается посредством балансныхсоотношений для изменений концентраций частиц. Справедливость двухчленного приближенияв исследованиях ФРЭЭ в газовых разрядах по величине сечений неупругих столкновенийэлектронов с частицами НТП обсуждалась в [756, 805, 844]. Заметное изменениепоступательной энергии электронов, в азотной НТП, особенно выражено для колебательныхстепеней свободы молекулы азота в основном состоянии. Энергетический спектр электроновсущественно обедняется в диапазоне энергий электронов, в котором расположены максимумысечений колебательного возбуждения молекулы азота [133,141]. В диссертации, приформировании самосогласованного набора уровневых сечений колебательного возбуждения,принимается во внимание, что в этом диапазоне энергий электронов, применение методадвухчленного разложения по сферическим гармоникам для решения основного кинетическогоуравнения для ФРЭЭ, может приводить к высоким погрешностям определения ФРЭЭ и еёмоментов (до 30%) [756, 805, 844].Как уже не раз отмечалось ранее, одним из существенных недостатков моделей,представленных в литературе для определения ФРЭЭ в НТП, является недостаточная полнотакинетической схемы, описывающих неупругие столкновения электронов с нейтральными изаряженными частицами.

Это ограничивает применение этих моделей для спектроскопическойдиагностики НТП. В отличие от существующих моделей расчета энергетического спектраэлектронов в азотной НТП, в уровневой полуэмпирической СИМ, развитой в диссертации,увеличено число квантовых состояний молекулы и иона молекулы азота, а также расширенакинетическая схема для процессов неупругих столкновений электронов с частицами (таблица3). При определении изотропной части ФРЭЭ, учитываются следующие упругие и неупругиепроцессы: упругие соударения электронов с молекулами N 2  X 1g  и атомами N  4 S  азота;возбуждение вращательных уровней Jмолекулы азота N 2  X 1g , v  0, J  ; возбуждениеколебательных уровней v основного состояния X 1 g молекулы азота электронным ударом(при формировании самосогласованного набора сечений, рассматривается возбуждение97уровней v = 1 – 10 с уровня v =0, а также учитываются всевозможные процессы ступенчатоговозбуждения с уровней v  1) (процесс 7.0, табл.3); возбуждение триплетных состоянийA3u  vA  0  13 , D3u , B3 g  vB  0  17  , E 3 g ,W 3u  vW  0  9 исинглетныхсостоянийB3u  vB  0  17  , C 3u  vC  0  4  ,a1u  va  0  19  ,a1 g  va  0  15 ,w1u  vw  0  6  , a1 g молекулы азота (процессы 8.0 – 13.0, табл.3); возбуждение триплетныхсостояний F 3 u , G 3 u и C '3  u молекулы азота электронным ударом из основного состоянияX 1g , v =0 молекулы азота; ступенчатое возбуждение триплетного состояния B3 g  vB  0  17 из метастабильного состояния N2  A3u , vA  0  13 ; возбуждение электронного состоянияB 2u молекулярного иона азота N 2 с колебательных уровней v = 0 – 15 основного состоянияX 1 g нейтральной молекулы азота (процесс 111.0, табл.3).

Характеристики

Список файлов диссертации