Диссертация (1150471), страница 11

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

Текст из файла (страница 11)

Из рисунка видно, что кроме50ситуации, когда свет регистрируется непосредственно над катодом, в сигнале присутствуетдве составляющие: подвижная и неподвижная. Неподвижная часть по времени совпадает смоментом пробоя, который отмечен пунктирной линией и не зависит от положениясветовода. Момент наблюдения слабой и размытой подвижной части сигнала меняется приперемещении световода вдоль трубки. Снять спектр свечения этого максимума не удалосьввиду малой интенсивности излучения, поэтому вопрос о том, является ли это движущеесяобразованиеотрицательнойволнойионизации,остаетсяоткрытым.Можнолишьутверждать, что если она и возбуждается, то ее фронт при движении размывается и сильнозатухает. В любом случае достоверным является тот факт, что при смене полярности картинапробоя радикально меняется.Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1) Во всех газах приположительной полярности напряжения пробой сопровождается прохождением ВИ. 2) Приотрицательной полярности напряжения зарегистрировать ВИ не удается. 3) ТФ наблюдаетсяв инертных газах как при положительной, так и при отрицательной полярности напряжения.В азоте эффект наблюдается только для положительного напряжения.3.4. Обсуждение результатов наблюдений эффекта темной фазы3.4.1. Как отмечалось выше, в плазме положительного столба тлеющего разряда вазоте существенную роль в ионизационном балансе могут играть процессы ассоциативнойионизации молекул в метастабильных состояниях N2( A3u ) и N2( a1u ). Предполагалось, чтоэтот процесс может приводить к образованию ТФ в азоте.

Однако модельный расчет,проведенный в работе [63] показал, что схема развития ТФ в инертных газах не должнаработать в азоте, и воспроизвел результаты, наблюдаемые в разряде при заземленном аноде,когда эффект ТФ отсутствует. Рассмотрим основные положения этой модели и приведем еерезультаты.Кинетическая модель описывает зависимости от времени основных характеристикплазмы положительного столба на начальной стадии его формирования. Модель нерассматривает процесс пробоя, а потому не предполагает присутствия волны ионизации.Начальным для нее является состояние, при котором значения концентрация электронов итока не нулевые, но все же значительно меньшие установившихся. То есть рассматриваетсяпроцесс дальнейшего развития разряда после пробоя. В модели согласованным образомрешаются уравнения для концентраций электронов и ионов, уравнения для населенностивозбужденных состояний молекул и атомов азота, уравнение Больцмана для функциираспределения электронов по энергии и уравнение для электрической цепи.

В модели не51учитываются приэлектродные слои, кроме прикатодной области, падение напряжения накоторойзадается,т.е.рассматриваетсятолькоположительныйстолб,которыйпредполагается однородным по всему объему трубки. Для описания кинетики электронов,ионов, возбужденных молекул и атомов используется так называемая 0‒мерная модель.Потери возбужденных и заряженных частиц на стенке трубки учитываются в приближениидиффузионного времени жизни. Уравнение для электрической цепи, выражающее связьмежду полем в положительном столбе и разрядным током, имеет вид:(Vs ‒ Vc‒ EL)/Rb = eneWeS,(3.5)где ne – усредненная по сечению трубки концентрация электронов, Vs – напряжениеисточника питания, Vc – катодное падение напряжения, S – площадь поперечного сечениятрубки, e – заряд электрона, We – скорость дрейфа электронов.

Величина Vc считалась независящей от давления и тока и бралась равной 210 В [4].Так как моделировалась начальная стадия формирования положительного столбатлеющего разряда, т.е. рассматривались короткие времена (~ 1 мс), то в расчетах неучитывался разогрев газа, температура которого принималась равной 300 К.Как уже было указано, начальная концентрация электронов, ионов и заселенностьвозбужденных состояний молекул азота задавались низкими (т.е., по сути, решалась задача снулевыми начальными условиями). Функция распределения электронов по энергиямрассчитывается путемчисленного решения стационарного однородногоуравненияБольцмана (используя так называемое двухчленное разложение для распределенияэлектронов по скоростям). При этом учитываются следующие процессы: упругое рассеяниеэлектронов на молекулах N2, возбуждение вращательных и колебательных уровней молекулN2, возбуждение электронных уровней (включая ступенчатое возбуждение) атомов N имолекул N2,ионизация (включая ступенчатую ионизацию) атомов N и молекул N2,соударения второго рода и электрон-электронные соударения.

Модель включает четыресорта ионов (N+, N2+, N3+ и N4+) и процессы с их участием, а также процессы колебательнойкинетики и процессы образования и гибели атомов N.На рисунке 3.15 проведено сравнение с результатами расчета зависимостей отвремени напряжения на трубке, разрядного тока и интенсивности излучения, полученных вэксперименте. На графике для напряжения, на правой оси указаны значения приведенногополя E/N, полученные из шкалы напряжений по формуле: E/N = (U ‒ Vc)/(LN).52Рис.3.15 Зависимости от времени межэлектродного напряжения, разрядного тока ияркости излучения разряда. Сплошные линии – расчет, символы – результат экспериментадля заземленного анода.На графике зависимости яркости излучения также приведены значения населенностиизлучающего состояния N2(B3g), для краткости обозначенного N2(B). Графики длямежэлектродногонапряженияиразрядноготокапоказываютхорошеесогласиеэксперимента с расчетом.

Получается также качественное соответствие временныхзависимостей рассчитанной населенности состояния N2(B) и измеренной яркости излученияположительного столба разряда.3.4.2. Таким образом, рассмотренная модель воспроизводит поведение разряда призаземленном аноде, когда ТФ отсутствует. В то же время она не описывает случайзаземленного катода, т.е. эффект ТФ. Причина этого, как будет показано ниже, состоит втом, что реакции ассоциативной ионизации в азоте (4) не дают повышенной концентрацииэлектронов в начальной стадии формирования разряда. Возникает вопрос, нет ли в этомслучае иного источника избыточной начальной ионизации. Обратим внимание на то, что вазоте наличие ТФ коррелирует с появлением ВИ.

Исходя из этого, можно предположить, чтоименно ВИ и является таким источником. Идея, таким образом, состоит в том, что ВИоставляет после себя в промежутке электроны, концентрация которых превышаетконцентрацию в установившемся разряде nes. Модель, которая описывает эту ситуацию,отличается от предыдущей только тем, что начальное значение концентрации электронов ne0уже не считается малой величиной. Такие расчеты были проведены. Оказалось, что если ne053превышает nes, то модель воспроизводит эффект темной фазы. Для удовлетворительногосовпадения с экспериментом необходимо было задать ne0 в 3-8 раз большую, чем nes. Приэтом вместе с начальной концентрацией электронов задавалась такая же начальнаяконцентрация ионов N2+.

Начальные значения населенностей электронных и колебательныхуровней по-прежнему полагались малыми.Рис.3.16 Зависимость от времени напряжения, тока и яркости излучения тлеющегоразряда в случае заземленного катода. Символы – экспериментальные данные, сплошныелинии – расчет. 1 – расчет с начальной концентрацией электронов ne0 = 2∙109 см-3, 2 - ne0 =5∙109 см-3. На нижнем графике: эксперимент ‒ 1' - яркость на расстоянии 12 см от анода, 2'-на расстоянии 28 см от анода; расчет ‒ населенность состояния N2(B).На рисунке 3.16 результаты расчета сравниваются с экспериментом для двух значенийne0: 2∙109 и 5∙109 см-3 (при nes 6.5∙108 см-3).

Как и выше, приведены зависимости от временимежэлектродного напряжения, разрядного тока и яркости излучения разряда. Из рисункавидно, что модель воспроизводит поведение тока и напряжения на разряде. Из-заповышенной концентрации электронов в начальный момент, ток выше установившегося, анапряжение ниже, значит ниже значение приведенного электрического поля. Это приводит книзкой скорости возбуждения электронных уровней молекул азота и населенностиэлектронных уровней малы.

По этой причине свечение плазмы в начальной стадиипрактически отсутствует, т.е. наблюдается темная фаза.На рис.3.17 приведены вычисленные зависимости от времени концентрацииэлектронов, показывающие ее спад от изначально высоких значений к значениям в54установившемся разряде. Из сопоставления рис.3.16 и 3.17 видно, что длительность ТФсовпадает с длительностью области повышенного значения ne, причем, чем выше начальноезначение концентрации, тем длительнее темная фаза.

Это связано с тем, что гибельэлектронов обусловлена амбиполярной диффузией, частота которой не очень сильноизменяется в рассматриваемом диапазоне E/N. Поэтому при меньшем значении ne0 выход настационарное значение происходит за меньшее время.1010ne, см-3210910810.00.20.40.60.81.0t, мсРис.3.17 Зависимость от времени концентрации электронов. 1 – расчет с начальнойконцентрацией электронов ne0 = 2∙109 см-3, 2 - ne0 = 5∙109 см-3.Обнаруженная в эксперименте зависимость длительности темной фазы от положениясветоводавдольосиразрядаможнообъяснитьнеоднородностьюраспределенияконцентрации электронов в разрядном объѐме. Можно предположить, основываясь нанепосредственной связи длительности ТФ и концентрации электронов, что в прикатоднойобласти на начальном этапе формирования положительного столба концентрация электроновоказывается выше, чем в остальных частях трубки.

Характеристики

Список файлов диссертации