Моделирование разрядов высокого давления в инертных газах. 
Структурирование плазмы разрядов постоянного тока и барьерных разрядов

Неравновесная низкотемпературная плазма электрических разрядов в газах высокого (атмосферного или около атмосферного) давления более ста лет вызывает повышенный интерес как объект для изучения фундаментальных плазменных явлений, так и сточки зрения многочисленных практических применений [1 6]. Плазма этих разрядов сочетает в себе низкую температуру газа и высокую температуру электронов. Различные типы разрядов, позволяющие создавать такую плазму, в настоящее время являются объектом изучения многих исследовательских групп. Основной причиной этого являются невысокая стоимость оборудования для создания таких разрядов и относительная простота использованиядля создания плазмы атмосферного давления не требуется больших, дорогих и энергоемких вакуумных систем, и использование подобных устройств может проводиться в режиме реального времени. Это обуславливает широкий спектр применений таких систем — различные источники излучения, генерация озона, плазменные дисплеи, обработка поверхностен, возбуждение воздушно-топливных смесей, а также разрушение вредных веществ, загрязняющих атмосферу [7−15].

Данная диссертация посвящена исследованию разрядов атмосферного давления в инертных газах. Исследованы два типа разряда — тлеющий разряд постоянного тока и диэлектрический барьерный разряд переменного тока. Основная часть работы посвящена изучению образования пространственных структур в этих разрядах.

Рассмотрим сначала разряд постоянного тока. Достаточно общим свойством тлеющего разряда является контракция — стягивание плазмы в тонкий, яркосветящийся шнур при повышении давления и росте разрядного тока. Это явление в атомарных и молекулярных газах, их смесях, являющихся рабочими смесями газовых лазеров, имеет место в плоских каналах и цилиндрических разрядных трубках. С одной стороны, шнурование разряда является негативным явлением, которое приводит к срыву лазерной генерации, что ограничивает энерговклад в активную среду. Выяснение природы контракции и механизмов ее развития является необходимым этапом на пути эффективной борьбы с этим негативным в физике лазеров явлением. С другой стороны, отрыв плазмы от стенок разрядной трубки является положительным фактором при решении задач спектрального анализа газовых смелей. При использовании в качестве источников возбуждения контрагированного ВЧ-разряда удается на несколько порядков повысить чувствительность и предел обнаружения в спектральном анализе. На основе контрагированного разряда разработаны инерционно-плазменные датчики, позволяющие за счет смещения плазменного шнура вырабатывать электрический сигнал, пропорциональный ускорению.

В настоящее время в физике лазеров контракция рассматривается не только как негативное явление. Исследуется возможность использования явления контракции для получения инверсной населенности и мощного излучения [16]. Явление состоит в том, что при больших энерговкладах при быстром переходе системы в коитрагированное состояние в периферийной области концентрация электронов резко уменьшается, вследствие ряда рекомбинационных и релаксационных процессов в разряде образуется инверсная населенность на высоких возбужденных уровнях и происходит вспышка суиерлюминесцентного оптического излучения.

В физике газоразрядной плазмы хорошо известно явление скачкообразного контагирования разряда постоянного тока в инертных газах прп повышенных давлениях (десятки и согни тор), когда все параметры разряда при достижении критического тока скачком изменяются и разряд сжимается в узкий светящийся шнур [17]. При этом В АХ разряда имеет би-стабильный характер. При таком переходе скачкообразно меняются все параметры (электрическое поле, концентрация зарядов и др.), характеризующие плазму, и наблюдается явление гистерезиса. Это явление состоит в том, что переход из диффузионного режима в контрагированный (при повышении разрядного тока) и обратный переход (при уменьшении тока) происходят при различных значениях параметров разряда. Переход разряда из диффузионного режима в контрагированный сопровождается появлением страт. Но при дальнейшем увеличении разрядного тока разряд переходит в контрагированный режим без страт [18]. Таким образом между (по значениям тока) диффузионным и контрагированным режимами существует область контрагированно-стратифицированного разряда [18−20]. Этот режим отличен от чисто контрагированного и для описания гистерезисного перехода между диффузионным и контрагированным режимами необходимо учитывать наличие продольных неоднородностей разряда (страт). Между тем контрагированно-сгратифицированный разряд также отличается от чисто стратифицированного. Например, в стратифицированном режиме в области высокой концентрации электронов их концентрация распределена плавно по радиусу, а в контрагированностратифицированном — сжата в узкой ириосевой области. В работах [19, 20] был экспериментально получен частично-контрагированный режим (контрагированно-стратифицнрованный), где часть разрядной трубки горит в диффузионном режиме, а чать в контрагированно-стратифицированном.

Как правило, би-стабильность ВАХ отражает некоторую «память» плазменной системы, природа которой может быть различна. Так, гистерезис в ВАХ барьерных разрядов объясняется обычной емкостью диэлектриков. Однако, подобная «память» может возникнуть и в плазме, когда существенна нелокальность энергетического спектра электронов в сильно неоднородных полях. Одним из примеров би-стабильности ВАХ, обусловленной кинетикой электронов в неоднородных полях может быть эффект Ганна [21] в полупроводниковой плазме при возникновении доменов сильного поля и структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью.

В данной работе рассматриваются проблемы моделирования разрядных параметров в трех режимах: диффузионном, контрагированном, контрагированно-стратифицированном, и количественного описания гистерезисного перехода между диффузионным и контрагированно-стратифицированным режимами (при увеличении разрядного тока) и обратном (при уменьшении тока), а также переход при дальнейшем увеличении тока из контрагированно-стратифицированного режима в контрагированный. Впервые удалось получить в численной модели контрагированно-стратифицированный режим. Изучался переход из этого режима в диффузионный — наблюдалось исчезновение колебаний параметров плазмы при уменьшении тока. При увеличении тока в контрагированно-стратифицированном режиме наблюдалось в расчетах увеличение периода этих колебаний, а при критическом токе система переходит в контрагированный режим (без страт).

Диэлектрический барьерный разряд (БР), первоначально предложенный Сименсом еще в девятнадцатом веке [1]. до сих пор является предметом активных исследований, представляя многочисленные приложения — плазменные панели, обеззараживание в медицине, управление аэродинамическим потоком и обработка поверхности [22−26]. Для создания БР реакторов, как правило, наносится слой изолятора на поверхность одного или обоих металлических электродов, наиболее часто для этого используются следующие диэлектрические материалы — кварц, керамика и различные полимеры. Основным преимуществом БР является тот факт, что он позволяет генерировать низкотемпературную плазму при атмосферном давлении.

Барьерный разряд является простым и надежным способом создания низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении [5, 8]. Этот разряд имеет много приложений уже более века [27]. В его конфигурации используются диэлектрические барьеры (слои, покрывающие электроды) для поддержания тока ниже порога перехода разряда в дугу. Диэлектрики аккумулируют заряды на поверхности во время импульса тока, которые в свою очередь создают самоиндуцированное поле в газовом промежутке, которое подавляет разряд до того, как плотность тока превысит пороговое значение.

Во время пробоя газового промежутка в разряде течет ток. при этом заряды при движении в направлении электродов попадают на поверхность диэлектриков. Накопление зарядов на поверхности диэлектрика приводит к уменьшению электрического поля, и когда поле уже не может поддерживать нужную ионизацию, происходит распад плазмы. При изменении полярности приложенного напряжения, происходит пробой в обратном направлении и т. д.

Барьерный разряд является источником неравновесной низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении, однако БР при атмосферном давлении в большинстве случаев не является однородным в пространстве. Обычно разряд состоит из множества микроразрядов (нитей) хаотично расположенных в плоскости электродов. Эти микроразряды имеют одинаковые размеры и не зависят от граничных условий. Микроразряды стационарно существуют в течение тысяч периодов приложенного напряжения и могут перемещаться по поверхности электродов на значительно больших временах [28].

Тот факт, что барьерный разряд является филаментированным при атмосферном давлении, не влияет на его использование в ряде приложений, например генерация озона. Однако в последнее время были показаны перспективные применения барьерного разряда для плазменной обработки поверхностей, а также в медицинеобеззараживание и заживление ран [29,30]. В этих работах роль одного из электродов, между которым зажигается разряд, играет обрабатываемая поверхности, поэтому в этих случаях разряд должен гореть однородно по поверхности электродов. Это обуславливает большой интерес, который возник в последние годы к изучению процесса филаментирования разряда и созданию однородных разрядов при атмосферном давлении.

Последние исследования [31] показывают, что в квазистационарном периодическом) филаментироваином разряде наблюдается эффект нормальной плотности тока. Численное моделирование и объяснение этого эффекта представляет интерес с фундаментальной точки зрения.

В данной диссертации рассматриваются БР в килогерцовом и мегагерцовом диапазонах. На основе разработанной двухмерной модели изучался процесс филаментирования разряда в килогерцовом диапазоне. В численной модели был получен филаментированный режим горения разряда, а также наблюдалось изменение числа микроразрядов при изменении разрядного тока, что напоминает эффект нормальной плотности тока в разрядах постоянного тока. Впервые был получен этот эффект в численной модели.

Еще одним перспективным направлением использования барьерного разряда является плазмоиндуцированное горение. Зажигание горючих смесей является важной фундаментальной и прикладной задачей. Несмотря на то, что зажигание горючей смеси с помощью искры давно применяется в автомобильной промышленности, существуют области, где применение плазменных систем дает значительное преимущество. Например, зажигание воздушно-топливной смеси при небольших газовых плотностях и высоких скоростях газового потока, включая воспламенение сверхзвуковых потоков, поддержание и усиление горения с помощью плазмы при атмосферном давлении, стимулирование горения обедненных смесей и другие.

Диссертация состоит из трех глав. Глава 1 посвящена обзору существующей информации по разрядам атмосферного давления (разряды постоянного тока и диэлектрические барьерные разряды), их режимах горения, пространственному структурированию таких разрядов. В главе 2 приведены результаты исследования разрядов постоянного тока в инертных газах, трех режимов горения этих разрядов — диффузионного, котрагированно-стратифицировапного и контрагированного, а также переходов между этими режимами. Глава 3 посвящена барьерным разрядам. Приведены результаты исследований разрядов в килогерцовом и мегагерцовом частотных диапазонах. Численно исследован процесс и механизмы филаментирования барьерного разряда в килогерцовом диапазоне. Также исследован эффект нормальной плотности тока, наблюдаемый в расчетах в двух типах разряда.

Личный вклад автора заключается в следующем. Автором была разработана одномерная модель для описания разрядов постоянного тока в инертных газах, с помощью которой автором проведены исследования трех режимов горения этого разряда, а также гистерезисный переход между' диффузионным и контрагированно-стратифицированным режимами разряда. Автором была численно решена сложная задача учета нелокальности формирования ФРЭЭ с учетом процессов электрон-электронных соударений, а разработанная модель позволила впервые самосогласованно описать гистерезисный переход от контрагированно-стратифидированного режима к диффузионному и обратно.

Автором была создана двухмерная модель барьерного разряда атмосферного давления в аргоне. С помощью этой модели, автором изучался процесс филаминтирования разряда, а также впервые наблюдался эффект нормальной плотности тока в барьерном разряде. Автором было показано, что неустойчивость анодного слоя по отношению к поперечным (радиальным) возмущениям приводит к филаментированию разряда. Расчеты показали, что использование более тонких диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью повышает устойчивость анодного слоя.

Апробация работы была проведена в процессе публикаций и докладов результатов работы на ряде российских и международных конференций: публикации в журналах:

1. I. A. Shkurenkov, Yu. A. Mankelevich, Т. V. Rakhimova / The effects of the normal current density and the plasma spatial structuring in argon DBDs. / EPJ D. 61, 95−105 (2011).

2. I. A. Shkurenkov, Yu. A. Mankelevich, Т. V. Rakhimova /' The influence of the discharge parameters on the plasma spatial structuring in argon DBDs. / EPJ D. (2011).

3. I. A. Shkurenkov, Yu. A. Mankelevich, Т. V. Rakhimova / Diffuse, constrictedstratified and constricted modes of a DC discharge in argon. Simulation of transitions between these modes. / J. Pliys.: Conf. Ser. 207 12 028 (2010).

4. I. A. Shkurenkov, Yu. A. Mankelevich, Т. V. Rakhimova / Simulation of diffuse, constricted-stratified, and constricted modes of a DC discharge in argon. Hysteresis transition between diffuse and constricted-stratified modes. / Phys rev. E 79, 46 406 (2009).

5. И. А. Шкуренков, Ю. А. Манкелевич, T.B. Рахимова / Диффузионный и контрагированный режимы разряда постоянного тока в неоне: моделирование гистерезисного перехода / Физика плазмы 34, № 8, 1−15 (2008).

6. И. А. Шкуренков, Ю. А. Манкелевич, Т. В. Рахимова / Моделирование гистерезисного перехода между диффузионным и контрагированным режимами в аргоне. / Вестник Московского Университета № 2 (2009) доклады на конференциях:

1. Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы-2007» .

2. XIV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2007» .

3. 3rd International Workshop and Summer School on Plasma Physics, 2008.

4. The 37th international conference on plasma science, 2010.

5. 63rd Gaseous Electronics Conference, 2010.

6. XIII Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и IV Всероссийская Школа-семинар «Инновационные аспекты фундаментальных исследований», 2010.

Публикации по результатам работы были выполнены в ряде журналов и сборников трудов конференций. Материалы диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из них б статей в рецензируемых журналах [32−38], 1 в сборнике трудов конференции [39] и 4 тезиса докладов [40−43].

3.6 Выводы.

Барьерный разряд высокого давления в аргоне моделировался с использованием разработанной двумерной модели. Изучались два типа экспериментальных БР (в мегагерцовом и килогерцовом диапазонах частот). В обоих случаях, экспериментальные и теоретические значения разрядного тока и напряжения на газовом промежутке хорошо согласуются междусобой.

Разряд в мегагерцовом диапазоне был однородным по радиусу, в отличие от системы концентрических колец в разряде в килогерцовом диапазоне. Процесс структурирования, полученный в модели, соответствует экспериментальным наблюдениям. Кольца появляются один за другим, начиная от края токового канала и распространяются в центр разряда (II = 0). Разработанная двухмерная модель в состоянии предсказать, будет разряд филаментироваться или нет.

Эффект нормальной плотности тока был получен численно в модели барьерного разряда как в мегагерцовом так и в килогерцовом диапазоне. Расчеты показали, что и образование колец и процесс расширения/сужения токового канала (эффект нормальной плотности тока) начинаются на границе токового канала. Нестационарность границы с токового канала приводит к расширению или сужению токового канала. Увеличение разрядного тока происходит за счет увеличения количества колец и в результате за счет увеличения площади разряда. Концентрация электронов и плотность тока в каждом кольце с увеличением или уменьшением внешнего напряжения не меняются.

Заключение

.

Была разработана численная самосогласованная модель разряда постоянного тока в инертных газах для описания диффузионного, контрагированно-стратифицированного и контрагированного режимов горения разряда, а также гистерезисного перехода из диффузионного режима в контрагированно-стратифидированный и обратно. Был разработан подход для учета нелокальности формирования функции распределения.

Впервые на основе численной модели изучался контрагированно-стратифицированный режим разряда. Без каких-либо искусственных предположений были получены периодические во времени колебания параметров разрядной плазмы. Было показано, что причиной этих колебаний является радиальная неоднородность разряда.

Показано, что переход из контрагированно-стратифицированного режима в диффузионный является проявлением эффекта нелокальности формирования функция распределения электронов по энергии. Была численно решена сложная задача учета нелокальности формирования ФРЭЭ с учетом процессов электрон-электронных соударений, а разработанная модель позволила впервые самосогласованно описать гистерезисньтй переход от контрагированно-стратифицированного режима к диффузионному и обратно.

Был также исследован переход из контрагированно-стратифицированного режима в контрагированный. При увеличении тока период колебаний параметров плазмы увеличивается. Причем увеличивается только область с высокой концентрацией электронов. При некотором значении тока соседние такие области сливаются в одну, образуя контрагированное состояние. Переход в контрагированный режим происходит гладко (без скачков) и явлений гистерезисного характера не наблюдается, в отличие от перехода в диффузионный режим.

Была разработана двухмерная модель барьерного разряда высокого давления в аргоне. Были изучены два типа экспериментальных барьерных разрядов — разряды в мегагерцовом и килогерцовом диапазонах частот приложенного напряжения. В обоих случаях, экспериментальные и теоретические значения разрядного тока и напряжения на газовом промежутке хорошо согласуются между собой. Разряд в мегагерцовом диапазоне был однородным по радиусу, в отличие от разряда в килогерцовом диапазоне. В этом разряде наблюдалось пространственное структурирование разрядной плазмы — образовывалась система концентрических колец Процесс структурирования, полученный в модели, соответствует экспериментальным наблюдениям. Кольца появляются один за другим, начиная от края токового канала и распространяются в центр разряда (Г1 = 0). После чего каждое из колец распадается на отдельные микроразряды. Несмотря на то, что модель не может описать процесс филаментирования разряда полностью, разработанная двухмерная модель в состоянии предсказать, будет разряд филаментироваться или нет.

Эффект нормальной плотности тока был получен численно в модели барьерного разряда как в мегагерцовом так и в килогерцовом диапазоне. Было показано, что оба явления — филаментирование разряда и эффект нормальной плотности тока обусловлены зарядкой поверхностей диэлектриков. Неустойчивость анодного слоя, но отношению к поперечным (радиальным) возмущениям приводит к филаментированию разряда. Было показано, что это является причиной нестационарности границы с токового канала, а это, в свою очередь, приводит к расширению или сужению токового канала. Увеличение разрядного тока в филаментированном режиме происходит за счет увеличения количества колец и в результате за счет увеличения площади разряда. Концентрация электронов и плотность тока в каждом кольце с увеличением или уменьшением внешнего напряжения не меняются.

Было изучено влияние параметров разряда на пространственную структуру плазмы. Увеличение частоты приложенного напряжения или изменение его формы (приложенное напряжение в форме меандра) делают разряд более однородным по радиусу. Расчеты показали, что использование более тонких диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью повышает устойчивость анодного слоя по отношению к поперечным возмущениям. Таким образом, было показано, что можно получать однородные барьерные разряды при атмосферном давлении с использованием тонких диэлектриков.

Благодарности.

Автор выражает благодарность Александру Турсуновичу Рахимову за чуткое научное руководство и конструктивные замечания по работе. Автор признателен Юрию Александровичу Манкелевичу и Татьяне Викторовне Рахимовой за помощь прн выполнении работы и получение возможности представить ее результаты на российских и международных конференциях. Автор также благодарен сотрудникам отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ Ольге Вячеславовне Прошиной, Александру Семеновичу Клоповскому, Дмитрию Григорьевичу Волошину.