Диссертация (1103131), страница 7
Текст из файла (страница 7)
С торца верхней части разрядной камеры через вакуумный33переход вводится электрод-антенна (медная цилиндрическая трубка диаметром 5 мм).Электрод покрыт изолятором так, что протекание постоянного тока было возможнымтолько через небольшой цилиндрический участок электрода на его нижнем конце. Камераснабжена окнами для наблюдения разряда, как через боковую стенку, так и с ее нижнеготорца. Плазма ЭМР зажигается в окрестности конца электрода-антенны. Разрядпредставляет собой радиально-симметричную структуру с яркой приэлектроднойобластью и шаровой внешней областью с резкой границей. Шаровая область окруженатемным пространством, простирающимся вплоть до стенки разрядной камеры.
Область,занимаемая светящейся плазмой много меньше объема камеры (см. рис.1.12).Электромагнитная волна (мощность до 180 Вт, частота 2.45 ГГц) в режименепрерывной генерации водилась в разрядную камеру с помощью коаксиальноволноводного перехода. СВЧ тракт включал в себя циркулятор, измерительную линию иизмеритель падающей мощности Pin.
Согласование в тракте изменялось с помощьюкороткозамыкающего поршня и трехшлейфового трансформатора. Измерительная линияиспользуется для определения коэффициента стоячей волны (КСВ) напряженности иотраженной от разрядной камеры мощности Pref. Мощность, поглощенная в системе послеволноводной линии определялась из балансного соотношения Pab= Pin- Pref. Измерялисьпотери мощности в системе без плазмы и с плазмой, и определялась мощность,поглощенная в плазме Pabs.
Полученные значения Pabs находились в пределах от 5 Вт до 50Вт.Исследование проводилось в проточной системе. Напуск газов осуществлялся черезканал в электроде-антенне. Он контролировался и управлялся расходомером. Расход газасоставлял 10-30 см3/мин при нормальных условиях. Давление в разрядной камереподдерживалось в пределах 1-10 Тор и измерялось баротроном. Стабилизация давленияосуществлялась регулируемым клапаном, включенным в систему автоматическогоуправления. Внешняя цепь постоянного тока позволяла изменять и измерять напряжениемежду электродом и камерой в пределах ±600 В и измерять ток в цепи.1.3.2. Численные расчеты для чистых газов к установке ЭМР-3Спомощьюкомпьютерногомоделированияпроведенанализструктурыэлектрических полей при различных геометрических параметрах пустой разряднойкамеры.
Показано, что при достаточно больших радиусах внешней стенки камеры, прикоторых в камере возможно установление E011 моды, существуют положения торцацентрального электрода, при которых на нем происходит резонансное увеличение поля.34Эти положения являются наилучшими для зажигания и устойчивого горения разряда.
Врезультате найденная длина центрального электрода для экспериментальной камерызаданных размеров совпала с найденной экспериментальным путем.Показано на примере модели ЭМР в водороде, что существует ограничение намаксимальный энерговклад в такой разряд (соответственно, и на размер плазменногообразования). Эти ограничения связаны, либо с убеганием разряда в сторону генератора,либо с зажиганием разряда в области ввода антенны в камеру.Проведено моделирование ЭМР для чистых газов: водорода [67, 69, 74, 93],кислорода [75] и азота [29,80, 93,94] при давлениях в диапазоне от 1 до 8 Тор. Входнаямощность варьировалась от 20 до 100 Вт. Для всех исследуемых газов разряд горит наконце электрода. Поглощаемая мощность в основном концентрируется в шаровой областидиаметром порядка сантиметра.
Концентрация плазмы в этой шаровой области имеетмаксимум порядка одного или нескольких критических значений ncr, расположенного вприэлектродном слое, а вне области диффузно спадает к внешней стенке камеры. Вразряде любого исследованного газа можно выделить узкую (~1-2 мм) приэлектроднуюобласть и протяженную (~1-2 см) шаровую внешнюю область. СВЧ поле имеет резкиймаксимум в приэлектродной области (E ~ 500-1000 В/см), в шаровой области практическипостоянно по радиусу (E ~ 100 В/см), а вне шаровой области быстро спадает.Трехмерное моделирование СВЧ разряда с детальным набором кинетическихпроцессов в водороде показало, в частности, неплохое соответствие распределенийвозбужденных атомов H, ответственных за излучение линии H, в шаровой областиплазмы [93].
Двумерное моделирование СВЧ разряда в азоте среди прочегопродемонстрировало соответствие рассчитанных радиальных профилей концентрацийэлектронно-возбужденныхмолекул3азота N 2 B gиN 2 C 3 uспектральнымизмерениям первой и второй положительной системы азота [80]. Одномерная модель СВЧразряда в кислороде показала, что присутствие отрицательных ионов не приводит котличиям в электродинамике разряда по сравнению с разрядом в азоте.
Колебательноевозбуждение не оказывает влияния на кинетику процессов в плазме в кислороде [75].§ 1.4. Выводы к Главе 1Анализ известных способов получения СВЧ плазмы показал, что несомненныйинтерес для дальнейших исследований представляют инициированные разряды, которыемогут создаваться при малых уровнях падающей мощности, не ограничены внешнимистенками и имеют сильно неоднородную структуру. Последнее может влиять на35механизмы физико-химических процессов в них. Представителем таких разрядов являетсяэлектродный микроволновый разряд.Анализрезультатовмоделированияэлектродногомикроволновогоразряда(совместно с экспериментальными данными) показал, что важной и далеко не до концаисследованной задачей является изучение влияния малых добавок инертных имолекулярных газов на кинетику процессов в нем.
Это исследование будет продолжено напримерах смесей водорода с малыми добавками аргона и водорода с малыми добавкамиазота.Краткиеобзорыпоконкретнымвопросамбудутданывовведенияхсоответствующих глав.Открытой областью для исследования является и изучение влияния внешнихпостоянных полей на параметры СВЧ разряда.Эти задачи и являются содержанием диссертационной работы. Для их решениянеобходимо усовершенствовать имеющиеся модели.36ГЛАВА 2.
ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОДНОГО СВЧРАЗРЯДА§ 2.1. ВведениеГлава описывает самосогласованные модели, разработанные для описания и исследованиипроцессов в сильно неоднородном СВЧ разряде, в качестве которого выбран электродныйнеравновесный СВЧ разряд пониженного давления в водороде.Выбор объектаисследованийПредставленныеизадачиобоснованыввыводахкГлаве1.самосогласованные модели являются развитием моделей, разработанных в лабораторииплазмохимии и физикохимии импульсных процессов ИНХС РАН. Глава организованаследующим образом.
Сначала описана геометрия разряда и расчетная область. Затемприведены уравнения, учитываемые при моделировании разряда. Затем дана кинетическаясхема процессов в разряде в водороде, описывающая наиболее важные процессы в плазме(возбуждение, ионизация, диссоциация, рекомбинация). В Главах 3, 4 и 5 решались задачис различными газовыми добавками и с различными граничными условиями. Поэтомудетали моделей, отличающие их от базовой, приведенной в настоящей главе, будутописаны в соответствующих главах.Материал настоящей главы основан на публикации [95].§ 2.2.
Геометрия задачи (расчетная область)При математическом описании сильно неоднородного электронного СВЧ разрядаиспользовалисьмоделидвухразмерностей:одномернаяидвумернаямодели,определяющие геометрические размеры которых соответствовали разменам разряднойкамеры экспериментальной установки, описанной в Главе 1.2.2.1. Одномерная геометрияЗадача имеет радиальную симметрию и решается в сферической системе координат.Поскольку при давлении 1 Тор для разряда в водороде длина релаксации энергииэлектронов намного меньше характерных геометрических размеров нашей системы, дляописания разряда использовалась самосогласованная модель в локальном приближении.Обоснование применимости локального приближения в описываемых условиях приведено37в [96, 97]. Схема расчётной области в сферической симметрии приведена на рис.
2.1(размеры соответствуют размерам камеры и антенны/электрода в экспериментальнойустановке рис. 2.1.)Рис. 2.1. Схематическое изображение геометрии расчётной области в сферическойсимметрии (размеры даны в миллиметрах). В расчетах задается амплитуда СВЧ-поля E0 наповерхности центрального сферического электрода (см. п.
2.3.5а).2.2.2. Двумерная геометрияЗадача имеет осевую симметрию и решается в цилиндрической системе координат r, z.Как и в предыдущем параграфе при моделировании плазмы использовалось локальноеприближение.Схемарасчетнойобластидляэлектродногомикроволновогоразряда(ЭМР)пониженного давления изображена на рисунке 2.2. ЭМР возникает в окрестностицентрального электрода обрезанной коаксиальной линии, к которому подводится СВЧэнергия. Центральный электрод, как и в экспериментальной установке, имеет канал.Поскольку диаметр канала значительно меньше длины волны (является запредельнымволноводом), СВЧ полна в него не проникает, и он имеет ограниченную глубину (20 мм).Внешняя цилиндрическая поверхность коаксиальной линии является стенкой разряднойкамеры.38Рис. 2.2. Геометрия цилиндрически симметричной расчетной области (все размеры даны вмиллиметрах).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
