Іонізаційно-релаксаційні процеси в багатокомпонентній та гетерофазній плазмі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

УДК 533.9

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Спеціальність 01.04.08 - Фізика плазми

Іонізаційно-релаксаційні процеси в багатокомпонентній та гетерофазній плазмі

Мартиш Євген Власович

Київ - 2009

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий консультант: доктор фізико - математичних наук, професор Мальнєв В.М., Ефіопія, Адис-Абебський університет, кафедра фізики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Черемних О.К., Інститут космічних досліджень НАН та НКА України, заступник директора доктор фізико-математичних наук, професор Чорногор Л.Ф. Харківський національний університет імені Каразіна, кафедра космічної радіофізики доктор фізико-математичних наук, професор Шамрай К.П., Інститут ядерних досліджень НАН України, завідувач відділом.

Захист дисертації відбудеться 26.10.2009 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.001.31 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03127, м. Київ, просп. академіка Глушкова 2, корпус 5, радіофізичний факультет, аудиторія 46.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка (01033, м.Київ, вул. Володимирська 58) .

Автореферат розісланий 31 серпня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.І. Прокопенко.

Загальна характеристика роботи

Дисертацію присвячено вирішенню задач по дослідженню процесів іонізації та релаксації в багатокомпонентній та гетерофазній плазми.

Актуальність теми. Застосування низькотемпературної плазми в промислових технологіях, включаючи виробництво наноструктур; газових лазерах; МГД - генераторах, значній кількості радіоелектронних пристроїв привернула увагу дослідників до процесів її виникнення та релаксації. Цій темі присвячена ціла низка спеціалізованих конференцій: з плазмохімії, плазмових джерел світла та випромінювання в інших діапазонах, літосферно - іоносферних зв'язків тощо. Практично в кожній з них присутній розділ, присвячений фізиці елементарних процесів в плазмових системах. Такій перебіг подій в першу чергу виник тому, що стала очевидною необхідність використання нерівноважної плазми в більшості згаданих вище застосування. Найбільш фундаментальний (хоча, як правило, не дуже простий) підхід до вирішення проблеми створення таких систем та аналізу їх властивостей має зв'язок з кінетикою іонізації та релаксації. В основі такого підходу лежить знаходження функцій розподілу, які потім використовуються для знаходження усереднених макроскопічних характеристик .

Сучасні дослідження в цій галузі неможливі без використання комп'ютерних методів, які дозволяють впритул наблизитись до ідеальної ситуації, коли можна врахувати практично всі елементарні процеси, задіяні в конкретній проблемі. Адже, наприклад, для аналізу розвитку плазми в повітрі необхідно взяти до уваги біля 200 хімічних та іонно-молекулярних реакцій. Зрозуміло. що без чисельних методів та відповідних комп'ютерних потужностей це просто неможливо.

З іншого боку, аналітичний розв'язок кінетичного рівняння, як правило, вимагає досить складних математичних методів. Для отримання конкретних результатів потрібно створення адекватних фізичних моделей, які є фундаментом для необхідних спрощень. Крім того, сама модель надає можливості отримати якісні оцінки. Вони є безумовно необхідними для прийняття базових технологічних рішень та слугують орієнтиром для пошуків шляхів вдосконалення процесів та апаратури.

Таким чином, актуальність теми дисертації обумовлена істотним впливом елементарних процесів на параметри низькотемпературної плазми, яка використовується в технологічних застосуваннях та важливою роллю кінетикі як в об'ємі, так і на поверхні контакту плазми з конденсованою фазою для проектування майбутніх плазмохімічних та фотоплазмових установок. Вона також обумовлена потребою в інтерпретації численних експериментів в області запорошеної плазми, де взаємодія електронів та іонів з порошинками приводила до цікавих і важливих явищ не тільки в прикладних, а і в фундаментальних аспектах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що ввійшли до дисертаційної роботи, відповідають основним науковим напрямкам діяльності кафедри фізичної електроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка і виконувались в рамках наступних тем та програм:

1. „Плазма з рухомою границею” НДР КДУ № 188, № державної реєстрації 0194U03044, 1993-1996 рр.;

2. „Дослідження несамостійного розряду в водні, стимульованого плазмовим струменем”, НДР ДФФД 2.3/136 (784), № державної реєстрації 0194U03142, 1994-1996 рр.;

3. „Хімічні процеси, стимульовані контактом нерівноважної плазми з рідинами, що перебувають під дією зовнішнього електричного поля” НДР ДФФД 3.3/114 (785), № державної реєстрації 0194U031041, 1994-1996 рр.;

4. „Дослідження механізмів формування просторової структури імпульсної плазми та плазмових струменів в газі та плазмі” НДР КДУ № 143, № державної реєстрації 0194U03140, 1994-1996 рр.;

5. „Властивості нерівноважної плазми газових розрядів”, НДР КДУ №97171-б/ф, № державної реєстрації 0197U003317, 1997-2000 рр.;

6. „Плазмові процеси та їх вплив на навколишнє середовище”, НДР КДУ №97/039, № державної реєстрації 0197U003270, 1997-2000 рр.;

7. „Вплив плазми несамостійного розряду в системі пара-рідина на деструкцію складних молекул”, НДР ДФФД 3.4/402 (97529), № державної реєстрації 0198U007827, 1997-2000 рр.;

8. „Фундаментальні основи плазмових явищ”, НДР КДУ № 01БФ052-03 (ДР№ 0101U002602) комплексної наукової програми “Енергоресурси”, 2001-2005 рр.;

9. проект Спільної програми НАСА (США) та НКА України - грант УНТЦ № NN - 37, 2003-2004 рр.;

10. „Дослідження нерівноважності мікроплазми імпульсного розряду” НДР ДФФД Ф25.2/087, № ДР 0108V006601, 2007-2008 рр.

Автор був науковим керівником у проектах №№ 7, 9, виконував обов'язки наукового керівника підрозділу у проекті № 8, 10, відповідального виконавця у проектах №№ 1- 6.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка теорії кінетичних ефектів в іонізаційних та релаксаційних процесах, які мають місце в багатокомпонентній та гетерофазній плазмі і визначають виникнення та зникнення різних типів плазми. У роботі вирішуються такі завдання, пов'язані з досягненням цієї мети:

* З'ясувати механізми спільного перетікання процесів коливної та іонізаційної релаксації на поведінку електронної компоненти у післясвітінні плазмового джерела спеціального типу (кільцевий розрядник);

* Пояснити вплив іонізаційної релаксації на особливості поширення слабкої збіжної хвилі в зазначеному вище пристрої;

* Побудувати ефективні моделі для розрахунку функцій розподілу електронів в мікроплазмі ковзаючого бар'єрного розряду у період розвитку електронної лавини та у післясвітінні;

* Побудувати формалізм для опису гетерогенної рекомбінації об'ємних іонів плазми з електронами в поверхневих станах, який дозволить пояснити особливості впливу такого процесу на світловіддачу комірки PDP;

* Вивести рівняння, що описує формування функції розподілу по коливання двохатомних молекул в області великих коливних чисел та її вплив на параметри гетерогенної релаксації коливань;

* Вивчити особливості застосування методів акустичної діагностики в запорошеній плазмі, стан якої визначається різною динамікою взаємодії її складових;

* Пояснити особливості формування та поширення слабкодисипативних солітонів в запорошеній плазмі;

* Знайти умови виникнення негативного заломлення для запорошеній плазмі та дослідити особливості поширення електромагнітних та звукових хвиль в ній.

Об'єктом дослідження є нерівноважна низькотемпературна плазма різного хімічного складу, процеси її формування та загасання за умов впливу не тільки об'ємних, але і гетерогенних процесів.

Предметом дослідження є механізми взаємного впливу різних типів релаксації на формування зарядженної компоненти, плазмове випромінювання в різних діапазонах; умови застосування різних типів діагностики запорошеної плазми, коли суттєва взаємодія електронів та іонів з частинками конденсованої фази; процеси релаксації високозбуджених молекул в об'ємі та на поверні, що межує з плазмою; утворення та поширення слабкодисипативних солітонів в запорошеній плазмі; механізм виникнення негативного заломлення в плазмі при наявності частинок феромагнетика і зовнішнього магнітного поля; поширення електромагнітних та звукових хвиль за таких умов.

Методи дослідження. У дисертації застосовуються відомі методи розв'язку кінетичних рівнянь, в яких враховні пружні та непружні зіткнення, метод знаходження власних функцій та власних значень для стаціонарного рівняння Шредінгера із складним гамільтоніаном, методи досліджень колективних рухів малої та скінченої амплітуди (модифіковане рівняння КдВБ), методи електродинаміки суцільних середовищ для знаходження відповідних макроскопічних характеристик.

Наукова новизна отриманих результатів. У даній роботі вперше:

* Запропоновано пояснити поведінку електронної компоненти у післясвітінні плазмового джерела спеціального типу (кільцевий розрядник) за допомогою механізмів спільного перетікання процесів коливної та іонізаційної релаксації.

* Виведено рівняння, що описує формування функції розподілу по коливаннях в області великих коливних чисел, знайдена ця функція та застосована для визначення характеристик релаксації таких молекул на поверхні, що контактує з плазмою.

* Проаналізований процес гетерогенної рекомбінації на основі моделі за участю поверхневих станів електронів та надані пояснення знайденим раніше експериментальним результатам по випромінюванню таких систем.

* Запропоновані нові канали літосферно - іоносферних зв'язків та їх використання в проблемах моніторингу природніх катаклізмів.

* Доведена можливість використання акустичної діагностики запорошеної плазми з врахуванням як звичайної, так і аномальної дисипації, з гранулами обраної форми (циліндричної) та при наявності самогравітації.

* Досліджений механізм формування лінійних структур в плазмі з гранулами, які мають власний магнітний момент та знаходяться у зовнішньому магнітному полі.

* Знайдений точний розв'язок модифікованого рівняння Кортвега - де Вріза - Бюргерса для випадку розрідженої запорошеної плазми.

* Відкрито явище виникнення негативного заломлення в запорошеній плазмі з феромагнітними гранулами у зовнішньому магнітному полі. Досліджені особливості поширення низькочастотних хвиль у такому середовищі.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались на 19-ій Міжнародній конференції з явищ у іонізованих газах (Белград, Югославія, 1989) та 6-ій конференції з фізики газового розряду (Казань, Росія, 1992), 4-ій Міжнародній конференції з фізики та техніки плазми (Мінськ, Білорусія, 1994), на 7-ій та 13-ій Міжнародних конференціях з фізики плазми (Нагоя, Японія, 1996 та Київ, Україна, 2006), Міжнародному симпозіумі “Плазма - 97” (Варшава, Польща, 1997), 24-ій та 31-ій Конференціях Європейського фізичного товариства з керованого термоядерного синтезу та фізики плазми (Берлін, Германія, 1997 та Лондон, Великобританія, 2004), 6-ій Конференції молодих вчених з астрономії та фізики космосу (Київ, Україна, 1999), Симпозіумі “Інтербол” (Київ, Україна, 2000), 2-ій, 4-ій, 5-ій та 7-ій Конференціях молодих вчених з прикладної фізики (Київ, Україна, 2002, 2004, 2005 та 2007), Міжнародній конференції з фізики низькотемпературної плазми (Київ, Україна, 2003), Міжнародній конференції з прикладної фізики запорошеної плазми (Одеса, Україна, 2004), Робочій групі з кооперації НАСА та НКАУ у дослідженні космічного простору (Київ, Україна, 2004), Міжнародній конференції з електроніки та прикладної фізики (Київ, Україна, 2005), 11-ій Міжнародній конференції з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу (Алушта, Україна, 2006), 6-ій Українській конференції з космічних досліджень (Євпаторія, Крим, Україна, 2006), 2-ій Міжнародній конференції з прикладної фізики запорошеної плазми (Одеса, Україна, 2007), 3-ій Міжнародній робочій групі з горіння з використанням плазми (Вашингтон, США, 2007), 12-ій Міжнародній конференції з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу (Алушта, Україна, 2008), Міжнародній конференції з сучасної діагностики низькотемпературної плазми (Бланско, Республіка Чехія, 2009).

Публікації. Результати дисертації викладені у 32 журнальних статтях [1-32], а також у 34 публікаціях в працях конференцій.

Особистий внесок здобувача. У роботі [1] списку основних публікацій за темою дисертації дисертанту належить ідея знаходження частоти іонізації в плазмовому мікророзряді як функції відношення напруженності електричного поля до тиску шляхом виключно за рахунок прямих ударів електронами з врахуванням наявності збуджених станів нейтральних атомів. В роботах [2-3] - ідея побудови аналітичної моделі немонотонної поведінки електронної концентрації за участю внутришніх ступенів вільності молекул ( коливань), проведенні числових розрахунків та участь в написанні тексту. В роботі [4] - аналітична модель іонізації в сильнонерівноважній плазмі і участь в написанні тексту. В роботі [5-6] - аналіз експериментів, ідея ефекту і участь в написанні тексту. В роботах [7-8] - виведення і аналіз основних рівнянь і участь в написанні тексту статті. В роботі [9] - моделі виникнення сейсмогенної електромагнітної емісії в оптичному діапазоні, виконання відповідних числових розрахунків та участь в написанні тексту статті. В роботі [10] - виведення основних рівнянь та участь в написанні тексту статті; робота [11] написана самостійно. В роботі [12] - ідея ефекту та участь у виведенні рівнянь та написанні тексту. Роботи [13, 14] написані самостійно. В роботах [15, 16] - напіваналітичні моделі виникнення рідбергівських атомів в іоносфері та мікрохвильового випромінювання в космічній плазмі та участь в написанні тексту. В роботах [17, 19] - постановка задачі, участь у виведенні рівнянь та написанні тексту. В роботах [20, 23, 25] - участь у виведенні рівнянь та аналізі отриманих результатів, а в роботі [22] - ідея ефекту та участь в числових розрахунках і написанні тексту. Роботи [21, 24] написані самостійно. В роботах [26, 27] - постановка задачі, виведення рівнянь та участь у написанні тексту. Робота [29] - написана самостійно. В роботі [28] - аналіз експерименту та участь в написанні тексту, а в роботі [31] - дослідження аналогії між неідеальною запорошеною та планківською плазмою, участь в написанні тексту. В роботі [32] - участь у створенні формули винаходу, аналіз прототипів та доведення нових позитивних якостей пристрою.

Публікації. Основні результати дисертації викладені у 32 журнальних статтях (7 статей - одноосібні), а також у 34 публікаціях в працях конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 7 розділів, заключення та загальних висновків. Її обсяг складає - 296 сторінок машинописного тексту, в тому числі 27 рисунків та 5 таблиць. Список літератури містить 221 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі дисертації обгрунтовано актуальність роботи, сформульовані основна мета та задачі роботи, що розв'язувалися для її досягнення, аналізується вибір об'єктів та методі дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення результатів. Відображено особистий внесок автора, надано інформацію про апробацію результатів досліджень, наукові публікації за темою та показано структуру дисертації.

Перший розділ дисертації присвячено огляду існуючих фізичних підходів до розгляду іонізаційних та релаксаційних процесів у нерівноважній низькотемпературній плазмі. Врахована можливість появи багатьох компонент у складі таких систем та вплив процесів взаємодії плазми з оточуючою поверхнею. Розділ складається з трьох підрозділів. У підрозділі 1.1 наводиться огляд літератури по теорії елементарних процесів. Вважається, що її головною задачею є обрахування швидкостей реакцій. При розрахунках сталої швидкості необхідно вирішити дві задачі: динамічну, в якій знаходяться ймовірності переходів між мікроскопічноми станами частинок, що взаємодіють та статистичної, в якій робиться усереднення сталої швидкості по станах взаємодіючих частинок. Таке розділення виправдано тим, що час зіткнення двох молекул ( ~ 10^-13 с) набагато меншим від середнього часу між послідовними зіткненнями. Відповідно, систему двох частинок, які мають зіткнення, можна вважати ізольованою.

Розв'язок динамічної задачі, навіть у напівкласичному наближенні, виявляється дуже складним [10]. Тому в теорії елементарних процесів для спрощення розгляду використовується так зване адіабатичне наближення. В цьому наближенні для кожної фіксованої конфігурації атомів, заданого положення їх ядер, визначаються допустимі значення енергії електронів - адіабатичні електронні терми. В цьому випадку рух атомів не викликає переходів між електронними рівнями. Саме такий підхід був використаний в наших роботах [12,14,17], де була досліджена гетерогенна рекомбінація об'ємних іонів та електронів у поверхневих станах.

У підрозділі 1.2 розглядаються існуючі фізичні підходи у дослідженні іонізаційних процесів в низькотемпературній плазмі. Іонізація атомів та молекул електронами - головний механізм народження зарядів і тому він обумовлює, як правило, саму можливість існування плазми. Процес іонізації атому, який може взагалі знаходитись у збудженому стані k при зіткненні з електроном в символічному вигляді записується певним чином.

Розглянута ступінчаста, пенінгівська іонізація та наведені якісні оцінки перерізів цих процесів. Також приділена увага фотоіонізації та впливу внутрішніх ступнів вільності молекул (коливання). Наведені умови, за яких певний іонізаційний процес в плазмі висого тиску (біля атмосферного) є домінуючим. Зроблено порівняння аналітичних результатів з даними комп'ютерного моделювання.

У підрозділі 1.3 розглядаються відомі підходи до вирішення проблеми формування середовищ з негативним показником заломлення та особливості їх електродинаміки. Наведена оцінка перспектив розвитку цієї галузі, просування у бік більш високих частот, розширення застосування відомих ефектів і пов'язаний з цим поглиблений аналіз експериментальних даних та результатів спостережень за позаземними об'єктами.

Наведений огляд літератури показав, що сьогодні використання низькотемпературної плазми є безальтернативним для вирішення ряду проблем прикладної фізики: створення потужних газових лазерів, генераторів ультрафіолетового випромінювання, високотонажної плазмохімії, розробки перспективних фізико-хімічних технологій моніторінгу довкілля, діагностики запорошеної плазми, перспективних методів космічних досліджень та інше. рівня нерівноважності плазми. З огляду випливає, що ефективність використання плазмової нерівноважної системи в першу чергу визначається можливістю керування рівнем її нерівноважності, тобто здатністю виділяти ролі тільки певних груп елементарних плазмових процесів з широкого їх спектру, які є першорядними в відповідному застосуванні цієї системи. У такому відборі певну участь беруть і процеси взаємодії плазми з конденсованою фазою на її межі (гетерофазні процеси) та вплив хімічного складу плазмоутворюючого газу. Зокрема, врахування внутрішніх ступенів вільності молекул - коливання та обертання веде до появи нових структур, що формуються завдяки участі останніх в іонізаційних та релаксаційних процесах. Це - хвиля повільної іонізації у коливально-збудженому газі та філаментаційні структури, що базуються на іонізаційно-перегрівній нестійкості в такому середовищі.

Поява в об'ємі плазми макрочастинок конденсованої фази переносить туди і гетерофазні процеси. Часто це додаткові іонізаційні та релаксаційні процеси, які раніше були присутні тільки у приповерхневих областях плазми. Така ситуація викликає не тільки появу нових власних частот плазми та відповідних мод, але і модифікацію відомих раніше частотних залежностей. Крім того, варіювання складом компонент цих макрочастинок може викликати суттєву зміну електродинамічних властивостей системи, зокрема появу негативного заломлення в ній та цілої низки явищ, що формують новий розділ електродинаміки - композитні середовища з одночасно від'ємними діелектричної та магнітною проникністю.

У другому розділі розглянуті фізичні моделі джерел плазми при тиску біля атмосферного. Відомо [1], що саме такі джерела використовуються в різних технологічних застосуваннях - плазмова обробка матеріалів, плазмова деструкція відходів, створення потужних газорозрядних лазерів, таке інше. З числа різноманітних розроблених до цього часу плазмових джерел треба відзначити іскрові джерела. Серед останніх чільне місце посідає так званий ковзаючий розряд, коли пробій відбувається між електродами, які знаходяться на поверхні діелектрика, охопленого провідником оберненого струму. Для практичного використання цих розрядів суттєве значення набули дослідження процесів утворення і розпаду плазми та дисипації енергії, яка закачується в об'єм.

У підрозділі 2.1. розглянуті ефекти, що виникають при наповнені камери джерела плазми (ДП) інертними газами та встановлено, що домінуючим процесом, який протистоїть дисоціативній рекомбінації є асоціативна іонізація за участю електронних метастабілей. За рахунок цього процесу вдається суттєво подовжити час життя релаксуючої плазми без повторного підвищення густини плазми на пізніше.

Внесення домішку кисню в інертний газ ефективно гасить метастабілі і спостерігається певне зменшення часу життя у порівняні з ситуацією без цієї домішки. Однак далі включається механізм за участю коливно-збуджених молекул і спостерігається немонотонність релаксації електронної густини плазми. Розряду в чистому кисні також притаманна ця особливість.

У підрозділі 2.2. проведені дослідження газодинамічних явищ в ДП при врахуванні іонізаційної релаксації. Ці дослідження дали можливість пояснити утворення неоднорідностей на периферії та зробити оцінки, які близькі до значень, отриманих в експериментах.

У підрозділі 2.3. представлений послідовний аналіз спільного перебігу рекомбінації та коливальної релаксації в азоті не тільки дозволяє пояснити немонотонну поведінку концентрації плазми під час її розпаду, але і отримати оцінки для відповідних параметрів релаксації (час затримки повторного зростання та концентрації електронів, що досягається в цьому випадку).

Отримані експериментальні результати та проаналізовані моделі, які дають їх пояснення, дозволили створити винахід „Пристрій передіонізації газового лазера”. На цей пристрій отриманий патент України [32].

У третьому розділі представлені результати дослідження плазми мікророзряду в плазмових панелях (PDP). Останні є перспективними для створення нового покоління плоских моніторів. Оскільки електроди у цьому мікророзряді вкриті діелектричними прошарками, то формою розряду є діелектричний бар'єрний розряд (ДБР). Він відомий як досить ефективний спосіб створення нерівноважної плазми при високих (порядку однієї атмосфери) тисках робочого газу. ДБР при атмосферному тиску може давати інтенсивне ультрафіолетове випромінювання (УФВ), що може бути використане для руйнування молекулярних зв'язків та ініціювання фотофізичних та фотохімічних процесів. Розуміння фундаментальної фізики формування плазми у PDP, її взаємодії з поверхнею є суттєвою можливістю для поліпшення технології та інших прикладних аспектів використання плазмових панелей.

В підрозділі 3.1 наведені загальні характеристики функції розподілу в розрядній плазмі PDP. В розрядах слабкого струму при тисках, менших від атмосферного нерівноважність у плазмі, що утворюється в таких системах, стає досить значною [1]. Для аналізу таких дуже нерівноважних систем адекватним є кінетичний підхід, побудований на парціальних функціях розподілу (ФР) для кожної з компонент плазми, які задовольняють системі кінетичних рівнянь Больцмана [28]. У розрядах слабкого струму заряджених та збуджених частинок порівняно мало; переважаючу більшість складають нейтральні атоми/молекули в основному електронному стані. Тому зіткнення частинок решти сортів між собою мало суттєві, а кінетичні рівняння Больцмана для всіх таких частинок лінійні. При аналізі треба брати до уваги, що оскільки переріз іонізації приблизно має таке ж значення, як і перерізи інших непружних процесів (наприклад, збудження) , то це значить, що більшість електронів мають енергію, меншу від енергії іонізації нейтральних частинок - Е_іон .Тільки електрони, які належать до так званого “хвоста” ФР, з кінетичною енергією Е > Е_іон у змозі створити ударну іонізацію, яка є відповідальною за підтримку існування плазми. Це, в свою чергу, свідчить про те, що електричнe полe в об'ємі плазми є порівняно слабким, а енергії електронів, які народжуються там, не можуть помітно перевищувати енергію іонізації, максимальне значення якої - біля 20 еВ. Для таких електронів пружні зіткнення є домінуючими, а ФРЕ близькою до ізотропної. Це дозволяє обмежитись в розкладі по поліномах Лежандра першими двома доданками.

В підрозділі 3.2 розглянуто формування функції розподілу електронів за швидкостями. Створена фізична модель базується на тому, що розряд у комірці можна поділити на дві фази: протікання струму та післясвітіння. Характерний час першої фази дорівнює приблизно 100 нс при тиску 500 Тор. На цій стадії практично немає рекомбінації, тому значна частина енергії йде на збудження рівнів (для ксенону - це метастабільний та резонансний рівні). Тобто енергія вкладається у розряд за рахунок іонізації та збудження.

У фазі післясвітіння струм практично дорівнює нулю. Плазма зникає в основному за рахунок рекомбінації та амбіполярної дифузії. Очевидно, що чим більший тиск газу, тим швидше спадає концентрація заряджених частинок.

Збуджені та метастабільні стани атомів грають важливу роль у низькотемпературній плазмі, оскільки концентрація збуджених атомів може на порядок перевищувати концентрацію заряджених частинок, і, як наслідок, енергія, що запасена в цих станах, набагато перевищуватиме кінетичну енергію електронного газу. При цьому слід мати на увазі велику хімічну активність збуджених станів, їхню ефективну участь у процесах іонізації, дисоціації та збудження, а також у ступінчастій іонізації газів.

Функція розподілу електронів при високих тисках в процесі розвитку електронної лавини цілком визначається локальними об'ємними процесами. З цієї причини для розрахунку функції розподілу електронів за швидкостями розряду у комірці плазмової панелі можна знехтувати впливом градієнтів та дифузійних процесів, а розглядати стаціонарне рівняння для функції розподілу електронів за швидкостями.

Залежність електронної концентрації та температури визначається ієрархією елементарних процесів, а саме, їхніми характерними часами. Тобто, у певний проміжок часу у створенні розряду та післясвітінні головними є тільки ті процеси, характерний час яких лежить у межах цього проміжку. Це дозволяє розділити процес розряду на декілька фаз та окремо для кожної з них вирішувати стаціонарне рівняння для ФРЕ за швидкостями. Також самі електрони були розділені на групи за енергетичними характеристиками на основні та швидкі, і рівняння вирішувалося для кожної з цих груп електронів. При розгляді функції розподілу електронів за швидкостями для основної групи електронів була знайдена умова пробою газового проміжку. Оцінка електричного поля пробою показала, що напруга на електродах може бути зменшена у порівнянні з тими, що використовуються у серійних плазмових панелях.

В підрозділі 3.3 досліджена побудова функції розподілу електронів у післясвітінні розряду в комірці PDP. За допомогою цієї функції досліджується група швидких електронів, що утворилися за допомогою ударів ІІ роду між електронами та збудженими атомами. Цей розподіл формується у фазі післясвітіння, коли струму у комірці вже немає та йде виділення енергії, що була запасена у внутрішних ступенях вільності атомів. Кінетичне рівняння для швидких електронів можна записати у такому вигляді:

Швидкі електрони, що утворюються за рахунок ударів другого роду між електронами та збудженими атомами (концентрація - ) мають функцію розподілу, що далека від рівноважної. Це також вказує на те, що відбувається нагрівання групи основних електронів. Саме тому інтегрування рівняння для функції розподілу приводить до наступної оцінки:

тобто, при зменшенні концентрації електронів йде нагрівання основної групи, що може відбуватися за рахунок передачі енергії від групи швидких електронів. З урахуванням отриманих констант інтегрування функція розподілу електронів за швидкостями набуває наступного вигляду (спадання йде значно швидше від максвелівського).

Нарешті, у підрозділі 3.4 розглянута гетерогенна рекомбінація об'ємних іонів та електронів у поверхневих станах. Цей процес може приводити до появи високозбуджених атомів у визначених станах. Такі атоми, в свою чергу, слугують джерелом метастабілей ксенону у післясвітінні розряду в комірці PDP та формують найбільш інтенсивну частину інфрачервоного випромінювання. Неоднорідний розподіл інтенсивності по лініях спострігається в експерименті.

У четвертому розділі досліджена взаємодія нерівноважної плазми з гетерофазними системами. Розвиток плазмохімії та плазмових технологій стимулює дослідження проблеми нерівноважності плазми, тому що для багатьох процесів використання добре вивчених рівноважних та квазірівноважних систем є неефективним та пов'язаним з багатьма труднощами. Наприклад, для проведення багатьох хімічних реакцій необхідно мати велику заселеність коливних рівнів в молекулах, бо ефективність відповідних рівноважних систем різко падає. Кінетичний підхід надає можливість дати аналітичну оцінку змінам, що відбуваються з функцією розподілу по коливаннях в умовах, коли енергетичні затрати спрямовані не на нагрівання всієї маси газу, а на збудження внутрішніх ступенів вільності, які відповідають за хімічну взаємодію.

Треба відзначити ту роль, яку відіграє цей резервуар енергії при взаємодії тепло - масо - потоків з середини об'єму на поверхності, що його обмежують. Природно, така проблема є суттєвою не тільки при розробці енергозберігаючих плазмохімічних технологій, але і в інших областях, де йдеться про передачу енергії внутрішніх ступенів вільності молекул плазми до поверхні твердого тіла: взаємодія пристінкової плазми з елементами конструкції термоядерних реакторів (ТЯР), взаємодія потоків іоносферної плазми з обшивкою космічних апаратів (особливо на ділянках орбіта -Земля), гетерофазні системи, такі як запорошена плазма.

В підрозділі 4.1 розглянута коливальна релаксація молекул водню в розрядній плазмі. Для ряду експериментальних задач фізики плазми необхідне знання функції розподілу молекул по коливальним станам. Ця задача вирішувалась чисельно та аналітично в лазерній фізиці, нерівноважній плазмохімії, фізиці верхньої атмосфери тощо. Особливо цікаві результати були отримані для так званого режиму "сильної накачки", коли температура масивних частинок менша енергії першого кванту коливного збудження, а коливні рівні інтенсивно заселяються ударами електронів з відповідними енергіями. Специфіка задач коливної кінетики полягає в тому, що функцію розподілу по коливаннях треба визначати в широкому діапазоні енергій з одночасним врахуванням більшості релаксаційних процесів і збудження електронним ударом. З іншого боку, тонкі деталі функції розподілу у визначеній задачі не дуже суттєві внаслідок інтегральної залежності швидкості релаксації від функції розподілу.

Дослідження показали, що в режимі накачування коливань молекули водню електронним ударом за рахунок визначального впливу VT-процесу на формування функції розподілу в середній і верхній області спектру, формування "плато" не відбувається. Стаціонарний потік у просторі коливних квантів буде формувати функцію розподілу певного типу. Вона, безумовно, відрізняється від больцманівської при v > v*.

Тут

відповідає мінімуму наведеної вище функції. Тобто кількість молекул на цих та вищих рівнях буде більше рівноважної, але функція розподілу буде скрізь спадною, бо нелінійні процеси (VV-релаксація) подавляються дисипативними, які підсилені істотним впливом ангармонізму молекул водню. В токамаках поблизу поверхні існує певна кількість молекул водню. На відміну від низькотемпературної ситуації в цьому випадку їх коливні ступені вільності можуть бути збуджені швидким важкими частинками - іонами або атомами. Збудження, в основному, відбувається на границі сильно іонізованої плазми та пристінкового газу. Тому коливна релаксація цих молекул відіграватиме важливу роль у тепловому балансі системі.

В підрозділі 4.2 досліджена релаксація молекул на поверхні поділу плазма - тверде тіло. Перша теорія акомодації молекул в наближенні раптового збурення побудована в припущенні швидкого проходження молекулою області ефективної взаємодії з поверхнею (за час, суттєво менший від характерного часу молекулярних коливань). Виконання цієї вимоги потребує швидкостей молекул, що відповідають поступальним температурам у кілька тисяч градусів.

Теорія акомодації безструктурних частинок на поверхні конденсованої фази, що моделюється набором гармонічних осциляторів, також відома. Зрозуміло, що для двоатомних молекул повна енергія пов'язана з енергіями кінетичних, коливних та обертальних ступенів вільності. Коефіцієнт акомодації, як частка енергії, що може бути передана до поверхні, відіграє важливу роль в оцінках ефектів перенесення енергії. Його розрахунок для передачі коливної енергії у випадку слабко збуджених двоатомних молекул наведений в оглядовій частині [10].

В цій роботі отримані ймовірності переходів у коливному спектрі молекул, що зазнали зіткнення з поверхнею. Фактично там розроблена мікроскопічна теорія взаємодії коливно-збудженої молекули з поверхнею конденсованої фази у припущенні її неадіабатичності. Останнє припущення відповідає випадку, протилежному до згадуваної вище.

Звичайно, що в цьому випадку ймовірність перетворення коливної енергії в поступальну пропорційна фактору Месі

де - частота коливань молекули, v - її швидкість, - характерний розмір області її ефективної взаємодії з поверхнею.

Однак, процес гетерогенної взаємодії супроводжується переходом частини коливної енергії молекули до енергії коливань поверхні. Врахування осциляторів поверхні якісно веде до змін у факторі Месі - замість частоти буде стояти різниця

(- )

де - гранична частота Дебая для фононного спектру твердого тіла. Це вже приводить до деякого збільшення ймовірності коливної релаксації. В загальному випадку можна стверджувати, що знайдені особливості гетерогенної релаксації високозбуджених коливних рівнів двохатомних молекул з урахуванням їх ангармонізму. Зроблено оцінку підвищення коефіцієнту акомодації для таких молекул.

В підрозділі 4.3 розглянута хвиля іонізації в коливально-збудженому газі. При розгляді хвилі іонізації, яка є переносом ступеню іонізації в об'ємі незбуреного газу, необхідно припустити існування області локального пробою, який носить випадковий характер. Розмір цієї області набагато менше розміру простору, що зайнятий хвилею. Аналогом процесу, що розглядається, є хвиля повільного горіння (ХПГ), швидкість поширення якої визначається найбільш повільним формуючим процесом. У випадку ХПГ це -- теплопровідність, а реакція горіння "слідкує" за встановленням температури середовища.

Для хвилі іонізації такий процес -- перенесення частинок, який носить дифузійний характер на довжині хвилі . Теоретичні засади опису хвилі іонізації у лінійному режимі розглянуті раніше. Там зазначено, що у хвилі іонізації змінюється лише густина частинок, а не імпульс одиниці об'єму плазми. Тому при розгляді іонізаційних хвиль можливе використання рівняння неперервності, яке включає дифузійні складові і складові, які враховують непружні процеси. Врахування нелінійності релаксаційних процесів може привести до формування стаціонарного стрибка ступеня іонізації, що поширюється в середовищі. Тут можлива аналогія із звичайною ударною хвилею (УХ).

В підсумку можна стверджувати, що розглянуто формування хвилі іонізації в газі молекул, які мають помітне збудження коливних ступенів вільності. Доведена можливість одночасного розгляду коливної та іонізаційної релаксації. Визначені основні параметри такої хвилі - швидкість поширення, товщина фронту, решта.

В підрозділі 4.4 досліджена можливість формування структур за рахунок іонізаційно-перегрівної нестійкості в молекулярному газі. Знайдені характерні параметри та критерій розвитку такого процесу в умовах експериментів.

В підрозділі 4.5 проаналізовані наслідки проникнення збурень електричного поля Землі, що виникають завдяки літосферним процесам, в нижні прошарки іоносферної плазми. Показано, що з'являється можливість використання глобального супутникового моніторінгу випромінювання іоносфери з метою екологічного контролю та прогнозування природничих та антропогенних катастроф.

У п'ятому розділі розглянута акустична діагностика запорошеної плазми. Заряджені пилові частинки, як компонента запорошеної плазми, створюють свою колективну моду (акустичного типу) параметри поширення якої суттєво залежать від параметрів плазми. Тому, як і в діагностиці гетерофазних середовищ, можна запропонувати його акустичне зондування з метою оперативних вимірів параметрів запорошеної плазми. Разом з тим є визнаним факт, що найбільш точними є контактні методи (з відбором проб) - наприклад, вивчення частинок під мікроскопом. Але цей метод не є оперативним і не дозволяє оцінити концентрацію та температуру макрочастинок. Розвинуті в дослідженнях атмосфери дистанційні методи: радарні та оптичні також мають свої недоліки. Так, радарні методи дозволяють робити оцінки тільки середніх характеристик (так і робиться, наприклад при оцінці крапель дощу за допомогою метеорадарів). Оптичні методи потребують досить складної обробки даних та коштовного обладнання як для спостереження , так і аналізу.

Врахування полідисперсності робиться шляхом введення функції розподілу по розмірах (ФРР). Досить корисно подивитись, як саме акустичне зондування дозволяє не тільки оцінювати характерні розміри частинок, але і отримати детальну інформацію про функцію розподілу частинок по розмірах в запорошеній плазмі.

В підрозділі 5.1 проведений аналіз формування ФРР у гетерофазній паро-газовій суміші. Зроблено оцінювання внеску гетерофазних процесів до параметрів загасання та дисперсії звукових хвиль у таких середовищах. За допомогою цих результатів розглянута методика акустичної діагностики для знаходження ФРР для частинок конденсованої фази.

В підрозділі 5.2 розглянута методика застосування акустичної діагностики для запорошеної плазми. Подібний метод був запропонований для дослідження явища нуклеації в технології нанесення плівок за допомогою PECVD - процесів (осадження з хімічно реагуючої пари, підсилене плазмовими процесами). Зрозуміло, що явище нуклеації і подальше висадження забруднюючих частинок на плівку суттєво впливає на якість кінцевого продукту. Повної картини цього процесу немає і досі. Головні перепони полягають в труднощах діагностики розмірів мікрочастинок (МЧ) у фазі нуклеації. Відомі недоліки мас-спектрометрії та лазерних методів вивчення розсіювання Мі не дозволяють провести більш-менш точну діагностику розмірів макрочастинок. Показано, що методика акустичної діагностики запорошеної плазми подібна до такої у випадку звичайних гетерофазних систем (типу повітря з краплями води).

Відмінності полягають у появі нових релаксаційних процесів (наприклад, заряджання гранули), геометричних ефектів (гранули циліндричного вигляду) та додаткових сил (гравітація та дипольна взаємодія).

Це приводить до появи нових характерних часів та відповідних змін у хвильових характеристиках.

В підрозділі 5.3 проаналізовані особливості акустичної діагностики запорошеної плазми з циліндричними макрочастинками. Низькочастотні дисперсійні властивості такої плазми, що залежать від трансляційних степенів вільності вивчались у значний кількості робіт. Спираючись на ці результати, можна знайти внесок „паличок” з дипольним моментом d і зарядом q до діелектричної проникності запорошеної плазми.

Власний дипольний момент може виникати у МЧ завдяки неоднорідному розподілу електричного заряду вздовж “палички”. Така задача вирішується в два етапи. На першому - знаходиться поляризовність запорошеної плазми з урахуванням дипольної складової.

Поляризовність такої системи можна отримати, використавши деякі квантовомеханічні результати. Саме ізольований жорсткий ротатор з його власним дипольним моментом моделюється квантовою системою. Незбурені хвильові функції такої системи добре відомі.

Оператор збурення виводиться з виразу для енергії, що набуває такий диполь в електричному полі хвилі. Вираз для середнього значення дипольного моменту в певному квантовому стані, що індукований електромагнітним зовнішнім полем, відомий.

Він отриманий в першому порядку теорії збурень саме в довгохвильовому наближенні.

Використовуючи відомі правила відбору та енергетичний спектр ротатора, нами були отримані відповідні матричні елементи. Користуючись ними, можна підсумувати по одному з квантових чисел (азимутальному) і отримати вираз для тензора поляризовності індивідуального ротатора.

Оцінка для дипольної запорошеної плазми з МЧ у вигляді “паличок” показує, що швидкість відповідних пилових акустичних хвиль приблизно у (5)Ѕ разів вища від аналогічної величини для сферично-симетричних диполів.

>> T (тут

величина, пропорційна кутовій швидкості ротатора, J- його момент інерції). В протилежному випадку ці хвилі будуть подавлені за рахунок взаємодії електричного поля хвилі з диполями, які обертаються. При існуванні розподілу макрочастинок по довжині [f(L), де L - довжина “палички”] залежними від нього залишаються лише заряд макрочастинок та її маса. Тобто ситуація подібна до розглянутій в попередньому розділі.

В підрозділі 5.4 досліджені низькочастотні хвилі в зіткнювальній запорошеній плазмі. Такі хвилі виникали внаслідок нестійкостей, специфічних саме для запорошеної плазми, або збуджувались зовнішним чином. Типові особливості, які повинні бути взяті до уваги, є такими. Стаціонарні пилові хмари левітують в певних областях плазми, де внутрішні сили є збалансованими. Якщо степінь іонізації мала, порядка 10^-6-10^-7, то зіткнення заряджених частинок з нейтралами є домінуючими. Електрони та іони можуть дрейфувати на фоні стаціонарного пилу при наявності зовнішнього електричного поля. Заряд гранул визначається оточуючою плазмою і є фіксованим, або навпаки, може змінюватись при зміні параметрів плазми (наприклад, в присутності хвилі). Доведено, що результати теоретичного аналізу можуть бути використаним при акустичній діагностиці запорошеної плазми, що має сильні зіткнення.

В підрозділі 5.5 розглянута запорошена плазма з самогравітацією. Показано, що важливою властивістю запорошеної плазми з самогравітацією є сильна залежність фазових характеристик для акустичного типу хвиль в ній від показника степені в ФРР макрочастинок.

В шостому розділі досліджені особливості пилових іонно-акустичних хвиль в запорошеній плазмі. Сильно заряджений пил може значно впливати на колективні процеси в запорошеній плазмі, змінюючи загальний баланс заряду та впроваджуючи нові типи його релаксації. Зменшення концентрацій електронів та іонів, що є результатом їх захоплення пилом може бути враховано, якщо вважати плазму термодинамічно відкритою та ввести відповідні процеси захоплення в рівняння збереження для електронів та іонів. Зазвичай, розгляд лише процесу захоплення плазмових частинок не є достатнім, так як без балансуючого джерела для частинок плазми не може існувати самоузгодженого стаціонарного стану. Тому необхідно розглядати створення традиційних плазмових частинок через іонізацію. Також необхідно включати втрату плазмових частинок та механізм транспорту, такі як амбіполярна дифузія та об'ємна рекомбінація, що зазвичай мають той же самий порядок часу як іонізація. Так як іонізація, дифузія та рекомбінація залежать від щільності електронів, електростатичні процеси у системі можуть зазнавати значного впливу присутності пилу, який збирає ці електрони на себе. Це може впливати на всю систему встановлення певного об'ємного заряду плазми через зміну іонізаційно-рекомбінаційного та дифузійного балансів.

В підрозділі 6.1.1 розглянута іонізаційна нестійкість пилових іонно-акустичних хвиль. Для запорошеної плазми отримано рівняння дисперсії для лінійних іонно-звукових хвиль при наявності процесів іонізації/рекомбінації та проаналізовано деякі граничні випадки. Показано, що іонізаційна нестійкість може призводити до такого процесу, як збудження/підсилення пилових іонно-акустичних хвиль. Але при наявності сталого заряду гранул та традиційних джерел дисипації в плазмі фазова швидкість таких хвиль лише трохи збільшується відомим чином [15], а інкремент нестійкості поводить себе традиційно [20]: має пороговий характер в наслідок конкуренції іонізаційних та дисипативних (тертя, в'язкість) процесів. Розроблена модель придатна для дослідження також для більш низькочастотних збуджень. Досягнуті теоретичні результати можуть бути застосовані для діагностики запорошеної плазми (оцінка заряду порошинки, швидкість дрейфу іонів, тощо).

В підрозділі 6.1.2 досліджені іонно-акустичні хвилі в запорошеній плазмі з урахуванням аномальної дисипації. Розглянуто [20] лінійне поширення лінійних іонно-акустичних хвиль у запорошеній плазмі із скінченою електронною та іонною температурами. Розмір пилових частинок вважається набагато меншим за відстань між частинками, дебаєвського радіусу для електронів та іонів наряду з довжиною хвилі, тому вони можуть вважатись важкими точковими масами. Заряд пилових частинок змінюється, так як мікроскопічні електронні та іонні струми течуть в них через різницю потенціалів між їх поверхнею та оточуючою плазмою. Пил розглядається як нерухомий фон, так як часовий масштаб зміни заряду є набагато меншим за характерний час руху плазми з гранулами.

Побудовано рівняння, що описує поширення загасаючих іонно-акустичних хвиль у низькотемпературній пиловій плазмі. Знайдені умови, коли поширення таких хвиль можливе та умови, коли розв'язки такого рівняння є чисто загасаючими.

В підрозділі 6.1.3 розглянуті слабко дисипативні іонно-звукові солітони в запорошеній плазмі. У попередніх роботах інших авторів показано, що одновимірна довгострокова асимптотична поведінка іонно-акустичних хвиль з маленькою, але скінченною амплітудою у звичайній плазмі описується рівнянням Кортвега-де-Вріза (КдВ). Для беззіткнювальної плазми з холодних іонів та теплих електронів, базова система рівнянь може бути наступною - рівняння неперервності та рівняння руху для холодного іонного потоку відповідно. До них додаються рівняння руху для потоку електронів, де знехтувано електронною інерцією та рівняння Пуасона. При певних умовах - сталості електронної температури і відповідному виборі граничних умов, згадана система у першому наближенні за мализною амплітуди може бути зведена до рівняння КдВ. Рівняння КдВ має специфічні властивості, які дозволяють встановити для нього ряд загальних теорем. Вони базовані на формальному зв'язку, який існує між рівнянням КдВ та задачeю про власні значення рівнянь типу Шредінгера. Але врахування будь-якої (зрозуміло, що і аномальної) дисипації, як відомо, змінює тип нелінійного рівняння КдВ на Кортвега -де Вріза - Бюргерса (КдВБ). Саме воно було використано при аналітичному дослідженні структур типу пилових ударних хвиль. Там і були сформульовані умови за яких можливе формулювання рівнянь такого типу. Його розвязок виглядає так:

З графіка добре видно, що амплітуда солітону зменшується експоненційно. Це відбувається завдяки додатковому впливу дисипативних процесів, пов'язаних із струмом іонів на пилові частинки і якісно відповідає результатам низки лабораторних спостережень.

В підрозділі 6.1.4 розглянуті умови, за яких модифіковане рівняння КдВБ перетворюється у модифіковане рівняння КдВ з негативним джерелом, що пов'язане з дисипативними процесами, що походять від заряджання пилинок. Аналіз рівняння КдВБ для запорошеної плазми демонструє, що при спільній дії класичної та аномальної дисипації амплiтуда структур спадає експоненційно, а при наявності тільки аномальної - степеневим чином.

В підрозділі 6.2 досліджено формування лінійних структур в запорошеній плазмі з магнітним полем. Недавно у багатошаровій запорошеній плазмі спостерігались структури у зовнішньому магнітному полі. У цих експериментах сферичні парамагнітні мікрочастинки левітували у цьому полі. Більш того, деякі частинки притягувались одна до одної і формували поздовжні структури - ланцюжки зерен, орієнтовані вертикально, паралельно силовим лініям магнітного поля. Короткодіюча дипольна взаємодія між магнітними зернами може мати і електричний (завдяки заряду), і магнітний характер. Вибір між ними залежить від умов розряду та величин електричного і магнітного полів.

В згадуваній області сили гравітації, які діють на порошинки, компенсовані електростатичними силами і тому порошинки левітують. Якщо врахувати загальне кулонівське відштовхування, то можна очікувати формування впорядкованих структур типу плазмових кристалів. В зроблених раніше експериментальних роботах були спостережені сферичні парамагнітні порошинки мікронного розміру левітували в прошарку (Рис. 5.2.1). Висота левітації зростала із збільшенням напруженості зовнішнього магнітного поля. Більш того, деякі частинки притягались одна до одної та формували видовжені структури - ланцюжки порошинок, які орієнтовані вертикально, вздовж магнітних силових ліній. До опису взаємодії між порошинками, що є намагнічені, треба залучити короткодіючі дипольні сили. Саме тому є необхідним самоузгоджений розгляд різноманітних взаємодій порошинки з порошинкою, включаючи сили, залежні від індукованих магнітних та електричних моментів порошинок. Коли саме ці сили превалюють, визначається не тільки параметрами порошинки, але і умовами в розрядній плазмі, величинами електричного та магнітного поля в прошарку. Показано, за яких умов гранули, що мають магнітний момент, можуть формувати лінійні структури завдяки магнітному притягуванню (воно є далекодіючим, а електростатичне відштовхування - короткодіючим).