Автореферат (1103130)
Текст из файла
На правах рукописиТитов Александр ЮрьевичИсследование влияния малых газовых добавок и постоянногоэлектрического поля на параметры сильно неоднородного СВЧ разрядапониженного давления методом математического моделирования01.04.08 – физика плазмыАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена в лаборатории плазмохимии и физикохимии импульсныхпроцессов Федерального государственного бюджетного учреждения наукиОрдена Трудового Красного Знамени Института нефтехимического синтезаим. А.В.Топчиева Российской Академии НаукНаучный руководитель:Доктор физико-математических наук, профессор Юрий АнатольевичЛебедевОфициальные оппоненты:Балмашнов Александр Александрович,Доктор технических наук, профессор Федерального государственногоавтономного образовательного учреждения высшего образования«Российский университет дружбы народов»Синкевич Олег Арсеньевич,Докторфизико-математическихнаук,профессорМосковскогоэнергетического институтаВедущая организация:Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»Защита состоится «22»июня2017 года в 16-00 на заседаниидиссертационногосоветаД 501.001.66набазеМосковскогогосударственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991,Москва, Ленинские горы, д.
1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В.Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/disser/sovet-D501-001-66/Автореферат разослан «21 »апреля2017 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов2ВВЕДЕНИЕОбщая 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. [1]. 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 (см, например, [2-20])многие вопросы физики 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 [20].Примероммикроволновыйтакихразрядсильнонеоднородныхпониженногодавленияразрядов(ЭМР),являетсяэлектродныйвозбуждаемыйуторцамикроволновой 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 [20].
Интерес к ЭМР вызван рядом его отличительныхособенностей, таких, как малая мощность поддержания разряда, возможность создания3неравновеснойплазмывширокомдиапазонедавлений,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) [21-23]. Было показано, что постоянноеполе изменяет структуру и форму разряда. Также было показано, что постоянноенапряжение практически не влияет на колебательное распределение молекул азота всостоянии С3Пu. Эта же задача экспериментально исследовалась применительно к ЭМР вводороде и объяснение полученных результатов на основе моделирования содержится вдиссертации.Еще 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 [24-26]. Было изучено влияние малых добавок аргона и водорода на ЭМР вазоте. В работе будет изучено влияние малых добавок аргона и азота на ЭМР в водороде.4Цели 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.Основные 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 в5водороде 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.
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 возможностейприменимости 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 работы6Результаты 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.
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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
