Оглавление
1 Обзор литературы ^
2 Кинетика электронов в Б- и Р- стратах 18
2.1 Кинетическое уравнение Больцмана..............................18
2.2 Релаксация ФРЭ в однородном поле..............................23
2.3 Эффект бунчировки электронов в пространственно периодических резонансных стратоподобных полях..............................27
2.4 ФРЭ в экспериментально измеренных профилях поля в Б- и
Р-стратах.....................................................28
3 Кинетика возбужденных атомов в стратах 38
3.1 Мстастабильные атомы..........................................38
3.2 Резонансные атомы.............................................39
3.3 Сечения прямых и ступенчатых процессов........................42
3.4 Анализ механизмов возбуждения и ионизации в Б- и Р-стратах. 43
3.4.1 Прямые процессы.........................................51
3.4.2 Ступенчатые процессы....................................53
3.5 Методы измерений..............................................55
3.5.1 Поглощающие атомы.......................................58
3.5.2 Излучающие атомы........................................63
3.6 Результаты измерений..........................................65
3.6.1 Р-страты..............................................66
3.6.2 Б-страты................................................75
3.7 Сопоставление теории и эксперимента . . . ...................79
1
4 Экспериментальное исследование двумерной структуры страт 86
4.1 Экспериментальная установка................................. 86
4.2 Параметры страт. ............................................88
4.3 Результаты измерений.........................................89
4.4 Колебаниях плазмы положительного столба при распространении ионизационной волны..........................................93
5 Заключение 102
2
Введение
Исследования неоднородной газоразрядной плазмы приобрели в последнее время особую актуальность в научном и прикладном аспектах ввиду ее широкого применения в разнообразных технологиях и устройствах. Пространственная неоднородность плазмы возникает из-за присутствия в ней электродов, зондов, анализаторов. Неоднородность также может быть связана с наличием поверхностей, ограничивающих плазму, возникновением в ней пространственных структур волнового и колебательного характера.
Разряды такого типа широко применяются в источниках света, лазерах и других газоразрядных устройствах. Подобные разрядные условия используются в емкостных и индукционных высокочастотных разрядах, широко применяющихся в современных плазменных технологиях обработки материалов, травления .микросхем, и т.п. Пространственно-временные плазменные структуры, наблюдаемые в разряде постоянного тока, характерны и для других типов разрядов и осуществляются в них одновременно с неоднородностями, связанными с наличием внешних высокочастотных полей.
Спецификой разрядов низкого давления является то, что вследствие большого различия длин релаксации электронов по импульсу и энергии при движении электрона в пространственно неоднородном электрическом потенциальном поле его полпая эиергия почти не изменяется, если размер пространственной неоднородности не превышает длину энергетической релаксации. Структура термов инертных газов с большим энергетическим зазором между основным и первым возбужденным состояниями, и всей совокупностью воозбужденных уровней, прижатой к потенциалу ионизации, приводит к тому, что ускоренные электрическим полем электроны могут пройти большое расстояние прежде, чем они наберут энергию, равную порогу возбуждения
3
и испытают неупругий удар. Различие в длинах релаксации позволило разработать нелокальный подход к описанию подобных разрядов, являющийся мощным инструментом при решении широкого круга задач неравновесной столкновнтельной плазмы.
Многие работы но нелокальной кинетике электронов базировались на аналитическом решении кинетического уравнения только в упругой области и вопросы формирования функции распределения быстрых электронов, ответственных за возбуждение и ионизацию в этих работах не затрагивались.
Эти вопросы являются принципиальными, поскольку для выяснения механизма стратификации положительною столба необходима информация о пространственном распределении источников ионизации и их фазовом сдвиге по отношению к концентрации электронов.
Таким образом к началу выполнения настоящей работы с одной стороны отсутствовал теоретический фундамент для описания быстрых электронов п стратоподобных полях, с другой стороны зондовые методы измерения ФРЭ при больших энергиях, превышающих порог возбуждения, не дают достаточно точных результатов, позволяющих анализировать механизмы возбуждения и ионизации из-за малого отношения сигнал-шум.
Надежным источником информации о быстрых электронах являются возбужденные атомы, которые образуются в результате неупругих столкновений. Классические спектроскопические измерения излучения и поглощения возбужденных атомов в стратах, методы лазерной абсорбции и лазерной флюоресценции позволяют анализировать тонкие эффекты формирования быстрых электронов в стратах.
Настоящая работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию механизма формирования функции распределения электронов, экспериментальному и теоретическому анализу заселенностей возбужденных атомов в Б- и Р-стратах в плазме положительного столба тлеющего разряда низкого давления в неоне.
Целью настоящей работы является:
1. Проведение систематических экспериментальных исследований заселен-
пости возбужденных состояний атомов в газовом разряде в неоне в присутствии движущихся страт.
2. Развитие кинетических моделей механизма формирования ФРЭ в области энергий выше порога возбуждения в плазме газового разряда низкою давления в неоне в присутствии движущихся страт.
3. Разработка механизмов формирования заселенностей возбужденных атомов на основе нелокальной кинетики электронов.
4. Проведение систематических экспериментальных исследований двумерной структуры потенциала и макроскопических характеристик плазмы в Б-и Р-стратах в неоне.
5. Выделение из пространственно-временной структуры потенциала волновой составляющей, обусловленной прохождением ионизационной волны, и колебательной составляющей, связанной с колебаниями потенциала плазмы как целого.
Научная новизна и практическая ценноегь работы заключается в следующем:
1. Методами классической и лазерной абсорбции проведены абсолютные измерения концентраций мстастабилькых и резонансных атомов в состоянии 2р53$ по фазам страт.
2. Методом классического лучеиспускания с учетом реабсорбции выполнены абсолютные измерения концентраций излучающих атомов в состоянии 2р53р по фазам страт.
3. Проведен анализ кинетики возбужденных состояний атомов в стратах на основе численного решения кинетического уравнения. Рассчитаны временные профили заселенностей возбужденных состояний. Проведено сравнение с экспериментальными данными.
4. Экспериментально исследована двумерная структура потенциала и макроскопических параметров плазмы в В- и Р-стратах.
5.Произведено разложение пространственно-временной структуры потенциала плазмы на волновую и колебательную составляющие.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на между-
5
Hapojjtofl KOH<bepcK«HH 29th Symposium on Plasma Physics and Technology (Prague, Czech Rep., 2000) h ony6jiuKonam>i p cneAyfOiunx patSorax:
1. Yu.B. Golubovski, R.V. Kozakov, V.A. Maiorov, J. Behnke. J.F. Behnke, Non-local electron kinetics and densities of excited atoms in S- and P-striations., 19th Symposium on Plasma Physics and Technology, Prague, Czech. J. Phys. 50 (2000), Suppl. S3, 319-323.
2. Yu.B. Golubovski, R.V. Kozakov, V.A. Maiorov, J. Behnke, J.F. Behnke, Non-local electron kinetics and densities of excited atoms in S- and P-striations.. Phys. Rev. E, 62 (2000).
3. Yu.B. Golubovski, R.V. Kozakov, V.A. Maiorov, S. Soliman, G. Stockhauzen, C. Wilke, On the density of metastable and resonance atoms in a stratified positive column in noon., J. Phys. D: Appl. Phys. 34 (2001).
6
I. Обзор литературы
Стратификация положительного столба газового разряда, т.е. существование разряда в режиме стоячих или бегущих ионизационных волн (страт), является ярким примером самоорганизации резко неравновесной системы, которой является плазма газового разряда, поддерживаемая электрическим полем.
История изучения страт весьма продолжительна и насчитывает более ста пятидесяти лет. Стоячие страты впервые описал Абрия [1] в 1843г., бегущие - А. Вюльнер [21 в 1874 г. и В. Спотисвуд [3] в 1876 г. До пятидесятых годов XX пека исследовались самопроизвольные (естественные) страты. Было обнаружено несколько типов волн, которые могли существовать не только по отдельности, но и одновременно, что затрудняло интерпретацию экспериментальных материалов. Кроме того картина осложнялась нерегулярностью волн. Несмотря на эти трудности, был получен ряд надёжных, достаточно общих результатов. Так. Пупп (4, 5] в 30-х годах XX в. систематически исследовал свойства ионизационных волн в инертных газах при токах порядка нескольких ампер и установил границу их спонтанного существования (называемую верхней границей существования страт по Пуппу). Пупп и чуть позже Ван-Горкум [С] доказали, что страты не генерируются колебаниями анодного падения потенциала: если подавить эти колебания с помощью вспомогательного разряда у анода, параметры волн не изменяются.
Новый этап в изучении страт начался с рабог по искусственному возбуждению стоячих и бегущих ионизационных волн. Клярфельдом (7) было продемонстрировано, что приложением отрицательного напряжения на зонд или наложением внешнего магнитного ноля можно приводить неподвижные страты в движение или останавливать движущиеся, из чего можно было заключить, что принципиальной разницы между неподвижными и движущимися стратами нет, и они являются периодическим повторением местного возму-
7
- Київ+380960830922