Диссертация (1149790), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Максимум концентрации(~5·109 см-3) и минимум температуры электронов (~0.5 эВ) наблюдался вплазме отрицательного свечения. По мере движения к аноду через фарадеевотемное пространство концентрация электронов падала, а температуравозрастала. Радиальные распределения концентрации электронов имели видфункции Бесселя, температура электронов возрастала по мере движения отоси разряда к стенкам.В [50] исследовался короткий (без положительного столба) тлеющийразряд в неоне при давлениях от 0.26 до 2.00 Торр, были полученыпространственные распределения концентраций электронов. В трубке длиной6.4 см при давлении 2 Торр и токе 1 мА наблюдалось отрицательное свечениеи фарадеево темное пространство, концентрация электронов имела максимумв области отрицательного свечения. При понижении давления фарадеевопространствоисчезало,профильконцентрациистановилсяболееравномерным по длине разряда.В работе [51] было проведено сопоставление зондового и оптическогометодов измерения температуры электронов в плазме отрицательногосвечения в гелии при различных давлениях (от 0.6 до 1.5 Торр) и токах (от 1027до 120 мА).
В работе отмечалось, что зондовые измерения дают завышенныезначениятемпературыэлектроновпосравнениюсполученнымиоптическими методами. Отметим, однако, что оба метода в рассмотренномслучае также давали низкие значения температуры электронов (0.05 – 0.1 эВ).Параметры плазмы отрицательного свечения в водороде при давлениях0.06-0.60 Торр исследовались в [52] с помощью плоского и цилиндрическогозондов.
В работе также отмечался групповой характер распределенияэлектронов по энергиям и низкое значение температуры медленныхэлектронов (600 K).Вработе[10]былпроведенанализформированияфункциираспределения медленных электронов. Утверждалось, что при значительныхвременах жизни медленных электронов (определяющихся рекомбинацией иамбиполярной диффузией) успевает установиться термическое равновесиемежду газовой и электронной компонентой с температурой, равнойтемпературе газа.
В противном случае, когда характерные временаамбиполярной диффузии и рекомбинации малы, температура электроновопределяется характером распределения вторичной группы электронов ипревышаеттемпературугаза.Былипроведенырасчетыфункциираспределения медленных электронов. Сопоставление с результатамизондовых измерений для гелия и водорода показало хорошее согласие сэкспериментом полученных с помощью теории зависимостей температурымедленных электронов от внешних параметров. Отметим, что притеоретическом рассмотрении влиянием слабого амбиполярного поля наформирование функции распределения пренебрегалось.В [53,54] изменение функции распределения электронов по энергиямвдоль оси разряда было получено зондовым методом в гелии, неоне и аргонепри различных давлениях и разрядных токах.
В случае гелия было отмеченоналичие пиков в распределении электронов по энергии около значений,соответствующихэнергииэлектронов,рождающихсяврезультатепеннинговской ионизации, а также общее сходство плазмы отрицательного28свечения и плазмы разряда с полым катодом. Также в [54] были измереныпространственныераспределенияосновныххарактеристикразряда.Наблюдалось уменьшение ширины медленной части распределения по мередвижения зонда к аноду.В работе [55] были проведены систематические зондовые измеренияпараметров плазмы отрицательного свечения, в ходе которых такжеотмечалосьзначительноеотличиеэнергетическихраспределенийотмаксвелловских.
Подобно [54], наблюдалось сужение энергетическогораспределения медленных электронов по мере удаления от катода, а такжесхожесть плазмы отрицательного свечения тлеющего разряда и плазмы вразряде с полым катодом.В работах [8,9,56] было проведено экспериментальное исследованиекороткого тлеющего разряда в гелии различными оптическими методами(оптогальваническими,флуоресцентнымиипоизмерениямлинийпоглощения). В [8] были измерены электрические поля в катодном слоеразряда и концентрации метастабильных атомов гелия. Были проведенырасчеты пространственных профилей ионизации и возбуждения различныхэлектронныхсостояний,удовлетворительноесопоставлениесогласие.На основесэкспериментомполученныхданныхдалобылипроведены оценки концентрации и температуры медленных электронов вплазмеотрицательногосвечения,полученныезначениясоставилиne ~ 2 10 1011 см-3, Te ~ 0.25 0.3 эВ.
В [9] флуоресцентный и поглощательныйметоды использовались для непосредственного измерения концентрации итемпературы электронов в плазме отрицательного свечения гелия придавлении 3.5 Торр и плотности тока 0.845 мА/см2. Каждый из методовпозволял измерить скорость соответствующих оптических переходов(флуоресцентный – переходы ридберговских атомов, поглощательный –переходы с метастабильных уровней), которая определяла соотношениемежду neи Te .
Комбинирование методов позволило определить по29отдельности значения ne и Te , которые составили 5·1011 см-3 и 0.12 эВ.Полученные результаты были уточнены авторами в [56], где были проведеныоценки точности данного метода и осуществлены измерения в широкомдиапазоне токов (0.19 – 1.50 мА/см2). Отметим, что в данной работе былопредложенодругоеобозначениеразличныхгруппэлектронов.Так,холодными (“cold”) обозначалась группа медленных электронов, имеющихмаксвелловское распределение и температуру, близкую к температуре газа, агорячими (“hot”) – все остальные электроны. Также в [56] было осуществленочисленное моделирование горячих электронов с помощью метода МонтеКарло и был проведен анализ баланса энергии холодных электронов,который показал, что основными процессами, определяющими температурумедленных электронов в плазме отрицательного свечения, являются потерипри упругих столкновениях с нейтральными атомами и нагрев прикулоновских столкновениях с горячими электронами.В работе [57] экспериментально наблюдалось обращение поля в плазмеотрицательного свечения оптогальваническим методом, основанным наизменении подвижности молекулярных ионов азота при их переходе ввозбужденное состояние.
Возбуждение ионов в плазме осуществлялось спомощью лазера, просвечивавшего разрядную область в направлении,перпендикулярном оси разряда. Возбуждение могло осуществляться по всейдлине разряда, что позволяло получать пространственное распределениеоптогальваническогоприближенииэффекта.Численноемоноэнергетическогопучкамоделированиетакжеразрядапоказаловналичиеобращения поля. Авторы связали наличие обращения поля с тем, что плазмаотрицательного свечения поддерживается пучком электронов – из-заповышенных скоростей ионизации для поддержания постоянства плотноститока в разряде электроны в этой области необходимо сдерживать, а ионы,наоборот, разгонять.30В работе [58] были получены распределения интенсивности излучениявдоль оси тлеющего разряда в аргоне для различных давлений и токов.
Наоснове полученных распределений были определены границы катодного слояи отрицательного свечения и были исследованы зависимости структурыразряда (длин катодного слоя и отрицательного свечения) от давления и тока.Было установлено, что все основные характеристики, за исключением длиныотрицательного свечения, являются функциями приведенной плотности токаj / p2 , что подтвердило основные законы подобия тлеющего разряда [1].В [59] было проведено исследование влияния диаметра разряднойтрубки на свойства разряда. Структура разряда определялась на основеоптических измерений.
Полученные в ходе работы пространственныепрофили излучения легли в основу работы [60], в которой были проведенысамосогласованные расчеты заселенности различных уровней аргона длярассмотренных в [59] разрядных условий. Отметим, что подобный подход –совмещениесамосогласованныхрасчетовсэкспериментальнымиизмерениями – использовался авторами в ряде последующих работ,посвященных разработке численных моделей тлеющего разряда постоянноготока [20-22,61,62].
Подробности используемых в них численных моделейописания разряда будут рассмотрены далее в обзоре основных моделейтлеющего разряда. Здесь же отметим работы [21,22], в которых длявалидации численной модели короткого тлеющего разряда были проведеныдетальные зондовые измерения концентрации и температуры электронов вшироком диапазоне токов и давлений. В [21] исследовался разряд в гелии.Зондовыеизмеренияпоказалинезависимостьзначениятемпературыэлектронов от разрядных условий, ее значение составило 0.055 эВ. В [22]исследовался короткий разряд в аргоне. Уменьшение давления разряда припостоянной длине промежутка приводило к парадоксальному увеличениюконцентрации электронов и уменьшению температуры. Данный факт былприписан изменению общей структуры разряда с изменением давления.31Основные тенденции экспериментальных исследований разрядов впоследние десятилетия определялись тем фактом, что основной задачейявлялось получение стабильных источников низкотемпературной плазмы приповышенных (вплоть до атмосферного) давлениях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
