Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Отрицательное дифференциальное сопротивление, неустойчивость и автоколебания в таунсендовском разряде

Диссертация: Отрицательное дифференциальное сопротивление, неустойчивость и автоколебания в таунсендовском разряде
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Формирование токовых пятен на полупроводниковом катоде имеет много общего с явлениями самоорганизации, которые проявляются в механических, физических и других системах. Структуры в газовом разряде привлекательны для исследования, т.к. физические процессы, отвечающие за рождение, движение и гибель заряженных частиц, относительно просты и хорошо известны. При этом главным инструментом исследования… Читать ещё >

Отрицательное дифференциальное сопротивление, неустойчивость и автоколебания в таунсендовском разряде (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Основные обозначения
  • Глава 1. Обзор литературы. б
    • 1. 1. Пробой, зажигание таунсендовского разряда и его вольтамперная характеристика
    • 1. 2. Автоколебания тока
    • 1. 3. О пространственной неустойчивости таунсендовского разряда
    • 1. 4. О численном моделировании тлеющего разряда
  • Глава 2. Применение метода Монте-Карло для расчетов коэффициентов ионизации, вторичной эмиссии и вольтамперной характеристики таунсендовского разряда в водороде и аргоне
    • 2. 1. Допущения, вопросы методики счета, входные данные
    • 2. 2. Результаты расчетов
      • 2. 2. 1. Водород
      • 2. 2. 2. Аргон

Одной из интересных и практически важных задач в механике и физике низкотемпературной плазмы является изучение условий, при которых осуществляется стационарное и пространственно однородное горение таунсендовского разряда. Такое горение при повышенных токах оказывается невозможным из-за развития неустойчивости. Проблеме неустойчивости таунсендовского разряда посвящено значительное число работ, но полной ясности в причинах развития неустойчивости и ее возможных результатах нет.

Практический интерес к неустойчивости таунсендовского разряда связан с тем, что такой разряд используется в высокоскоростном преобразователе инфракрасных изображений в видимые [1]. Прибор-преобразователь обладает рекордным быстродействием, ~10 6 сек, в диапазоне длин волн Л.—1—11 мкм. В основу этого устройства положена тонкая плоская система, состоящая из полупроводниковой пластины и разрядного промежутка. Полупроводник служит одновременно катодом для разряда и распределенным сопротивлением. Развитие неустойчивости, срывающее однородное и стационарное горение разряда, ограничивает допустимую силу разрядного тока, тем самым, снижая чувствительность прибора, поэтому необходимо провести пристальное изучение причин возникающей неустойчивости, что, возможно, откроет пути для ее частичного преодоления.

Результатом неустойчивости таунсендовского разряда в системе с полупроводниковым катодом является возникновение автоколебаний тока, однородного вдоль плоскостей электродов [2, 3]. Одной из целей диссертации является изучение факторов, контролирующих автоколебания, которые в настоящей работе трактуются с привлечением механической аналогии. Такая аналогия вполне естественна, т.к. автоколебания — традиционный объект изучения механики. Впрочем, рассматриваемые автоколебания тока в таунсендовском разряде и в самом деле имеют механическую природу, будучи колебаниями плотности и скорости ионного газа.

Предпосылкой появления автоколебаний является падающий характер вольтамперной характеристики VS (J) (ВАХ) таунсендовского разряда. Мерой отрицательного наклона ВАХ служит так называемое отрицательное дифференциальное сопротивление. При этом само электрическое сопротивление, которое пропорционально силе трения со стороны газа нейтральных частиц, испытываемой газами заряженных частиц при их движении в поле, всегда положительно. Опыт показывает, что зачастую ВАХ таунсендовского разряда с самого начала падает по линейному закону. Начальный наклон этой линии характеризуется величиной отрицательного дифференциального сопротивления в пределе «нулевых токов» (из расчета на единицу площади) Rv=dVs /dj. В проблеме автоколебаний в разряде значение i? io является ключевым параметром, т.к. играет роль вынуждающей силы, раскачивающей автоколебания. Одной из задач диссертационной работы является выяснение механизмов и расчет i? m (для водорода и аргона) при умеренных значениях произведения давления газа р на длину разрядного промежутка d, pcfc 1 Торр см. Для этой цели пришлось провести изучение причин зависимости эффективного коэффициента вторичной эмиссии с катода от поля.

Развитие неустойчивости таунсендовского разряда с полупроводниковым катодом может приводить также к нарушению пространственной однородности таунсендовского разряда. В этом случае ток течет в виде множества нитей, часто упорядоченных в пространстве [4, 5, 6]. Почему ток в первоначально однородном вдоль плоскостей электродов таунсендовском разряде вдруг предпочитает течь через несколько пятен? Чем определяется плотность тока в каждом пятне? Какую роль в этом процессе играет 5 полупроводниковая пластина? Ее наличие существеннона металлических электродах подобное явление не наблюдалось. В настоящее время на эти вопросы ответов нет.

Формирование токовых пятен на полупроводниковом катоде имеет много общего с явлениями самоорганизации, которые проявляются в механических, физических и других системах [7]. Структуры в газовом разряде привлекательны для исследования, т.к. физические процессы, отвечающие за рождение, движение и гибель заряженных частиц, относительно просты и хорошо известны. При этом главным инструментом исследования является численное моделирование процесса в трехмерных декартовых координатах. С целью последующего изучения природы токовых нитей, в работе разработана трехмерная программа для их расчета па основе гидродинамического описания электронного и ионного газов.

4.10 Выводы.

Проведено двумерное и трехмерное численное моделирование тлеющего разряда в промежутке с идеально проводящими электродами при давлениях р=5 и 100 Торр. На примере двумерных расчетов в плоской геометрии при давлении /7=5 Торр показано, что роль ионной диффузии с обычно принимаемой температурой Г-ОП=0.026 эВ совершенно не существенна. На примере трехмерного разряда при /7=5 Торр продемонстрировано влияние степени подробности разностной сетки, а также способа аппроксимации источника в уравнении непрерывности на искомое решение. Влияние обоих факторов существенно отражается на значениях концентраций ионов в положительном столбе, анодном слое и на распределениях плотности тока на аноде. Изменение параметров катодной области при этом оказалось в несколько (4−5) раз меньше.

Как показывает анализ результатов расчетов, проблема исключения счетной диффузии, поставленная еще в первых работах по моделированию тлеющего разряда, остается по-прежнему актуальной. Необходимо увеличить эффективность разработанного численного алгоритма в отношении уменьшения влияния «счетной» диффузии. Эта проблема тесно связана с проблемой снижения затрат машинного времени.

Заключение

.

Сформулируем основные результаты работы:

1. В рамках простой модели, в основе которой лежит система двух уравнений для разрядного тока и напряжения, исследованы автоколебания в таунсендовском разряде. Получены автоколебательные решения в условиях, не рассмотренных в предыдущих.

103 работах, но представляющих в том числе и практический интерес. Установлено существование глубокой аналогии с автоколебаниями в механических системах. Механизмом раскачки колебаний служит отрицательное дифференциальное сопротивление, которое является эквивалентом вынуждающей силы в механической системе. Стабилизирует колебания уменьшение отрицательного дифференциального сопротивления с ростом тока, что соответствует увеличению коэффициента трения при увеличении размаха и/или скорости колебаний в механической системе. Продемонстрировано, что слабый постоянный ток с катода оказывает существенное влияние на автоколебания: сглаживает пики и уменьшает период. Он также является дополнительным фактором, стабилизирующим колебания, однако причина такой стабилизации требует выяснения.

2. Поскольку причиной, вызывающей неустойчивость таунсендовского разряда, является отрицательное дифференциальное сопротивление в пределе «нулевых токов» Rm, в работе выяснены механизмы его возникновения для промежутков pd~ 1 Торр см. С этой целью методом Монте-Карло найдены вольт-амперные характеристики разряда в водороде и аргоне и рассчитаны значения RiD. Результаты находятся в хорошем согласии с экспериментом. Установлено действие двух механизмов возникновения Rv в рассматриваемых условиях. Один из них (известный ранее) связан с ростом «фактора ухода» электронов при увеличении разрядного тока. Второй, установленный в диссертации впервые, связан с «нелокальностью» истинного ионизационного коэффициента а=сфс).

3. На основе гидродинамического описания электронного и ионного газов разработана трехмерная программа и проведено моделирование стационарного столба тлеющего разряда в азоте при давлениях 5 и 100 Торр. Эта программа служит основой для исследования недавно открытого и еще не изученного явления в механике низкотемпературной плазмы: движения и самоорганизации токовых нитей в разряде с полупроводниковым катодом.

Автор глубоко благодарен Ю. П. Райзеру за замечательное руководство, многочисленные беседы и поддержку при выполнении настоящей работы. Благодарю С. Т. Суржикова за ценные обсуждения, А. С. Петрусева и Т. В. Лосеву — за обсуждение численного алгоритма трехмерного счета. Автор признателен Ю. А. Астрову, JI. M Порцелю и Л. Д. Цендину за обсуждения и указания на литературублагодарен А. Н. Гордееву и В. М. Мысовой за постоянную поддержку и помощь при оформлении некоторых частей работы, а также С. Н. Сошенкову, указавшему на простой способ сэкономить время расчетов — работать под Release конфигурацией компилятора языка Фортран.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Ю.П. Райзер, Е. Л. Гуревич, М. С. Мокров, ЖТФ, Т 76, вып. 2, С 40 (2006).
  2. М.С. Мокров, Ю. П. Райзер, ЖТФ, Т 78, вып. 4, С 47 (2008).
  3. M.S. Mokrov and Yu.P. Raizer, Plasma Sources Science&Technology, 17, 35 031 (2008).
  4. М.С. Мокров, Препринт № 877 ИПМех РАН (2008), 46 с.
  5. Yu.A. Astrov, L.M. Portsel, S.P. Teperick, H. Willebrand and H.-G. Purwins J. Appl. Phys. 74 2159(1993).
  6. C. Strumpel, Yu.A. Astrov and H.-G Purwins Phys. Rev. E 62, 4889 (2000).
  7. Е.Л. Гуревич, Ю. П. Райзер, Х.-Г. Пурвинс Журнал Технической Физики, том 76, вып. 2, стр. 36 (2006).
  8. E.Ammelt, Yu.A. Astrov and H.-G. Purwins Physical Review E 55, 6731 (1997).
  9. E. Ammelt, Yu.A. Astrov and H.-G. Purwins Physical Review E 58, 7109 (1998).
  10. Ю.А. Астров Диссертация. доктора физико-математических наук, Физико-Технический Институт им. Иоффе РАН, С-Петербург, 2005.
  11. М.С. Cross and Р.С. Hohenberg, Rev. Mod. Phys. 65, 851 (1993).
  12. Ю.П. Райзер Физика газового разряда, М.: Наука, 1992. 536 с.
  13. A.V. Phelps and Z.Lj. Petrovic Plasma Sources Science & Technology 8, R21 (1999).
  14. V.A. Shveigert High Temperature 27, 195 (1989).
  15. V.P. Nagorny and P.J. Drallos Plasma Sources Science & Technology 6, 212 (1997).
  16. A.A. Кудрявцев, Л. Д. Цендин Письма в ЖТФ, том 28, вып 15, стр. 1 (2002).
  17. M.S. Benilov and G.V. Naidis J. Phys. D: Appl. Phys. 38, 3599 (2005).
  18. M.S. Benilov, G.V. Naidis, Z.Lj. Petrovic, M. Radmilovic-Radjenovic and A. Stojkovic J. Phys. D: Appl. Phys. 39,2959 (2006).
  19. Ph. Belenguer and L.C. Pitchford Journal of Applied Physics 86, 4780 (1999).
  20. P.Hartmann, Z. Donko, G. Bano, L. Szalai and K. Rozsa Plasma Sources Science & Technology 9, 183 (2000).
  21. M.Radmilovic and Z.Lj. Petrovic Eur. Phys. J.: Appl. Phys. 11, 35 (2000).
  22. B.H. Мелехин, Н. Ю. Наумов, Журнал Технической Физики, том 54, вып. 8, стр. 1521 (1984).
  23. А.Энгель, М. Штеенбек Физика и техника электрического разряда в газах, М.- Л.- ОНТИ, 1936.
  24. Z.Lj. Petrovic and A.V. Phelps Physical Review E 47, 2806 (1993).
  25. B.M. Jelenkovic, K. Rozsa, and A.V. Phelps Physical Review E 47, 2816 (1993). 22.1.Stefanovic and Z.Lj. Petrovic, Japn.J. Appl. Phys. 36, 4728 (1997).
  26. D.Maric, G. Malovic and Z.Lj. Petrovic Journal of Physics: Conference Series 86, 12 009 (2007).
  27. A.V. Phelps, Z.Lj. Petrovic and B.M. Jelencovic Physical Review E 47, 2825 (1993).
  28. R.R. Arslanbekov and V.I. Kolobov J Phys D: Appl. Phys. 36, 1 (2003).
  29. Дж Мик, Крэгс Дж Электрический пробой в газах, Пер. с англ.- Под ред. B.C. Комелькова.—М: ИЛ, 1960.
  30. В.Н. Мелехин, Н. Ю. Наумов, Н. П. Ткаченко Журнал Технической Физики, том 57, вып. 3, стр. 454 (1987).
  31. D.D. Sijacic, Ebert Ute and I. Rafatov Physical Review E 70, 56 220 (2004).
  32. D.D. Sijacic, Ebert Ute and I. Rafatov Physical Review E 71 66 402 (2005).
  33. B.A. Швейгерт Письма в ЖТФ, том 19, вып. 20, стр. 56 (1993).
  34. И.Д. Каганович, М. А. Федотов, Л. Д. Цендин, ЖТФ, том 64, вып. 3, с. 34 (1994).
  35. V.I. Kolobov and A. Fiala Physical Review E 50, 3018 (1994).
  36. A.A. Кудрявцев, Л. Д. Цендин Письма в ЖТФ том 28, вып. 24, стр. 36 (2002). 34.1.Rafatov, D.D. Sijacic and Ebert Ute Physical Review E 76, 36 206 (2007).
  37. Muller, C. Punset, E. Ammelt, H.-G. Purwins, and J.P. Boeuf IEEE Transactions on Plasma Science 27, № 1, P. 20 (1999).
  38. Brauer, C. Punset, H.-G. Purwins and J.P. Boeuf J. Appl: Phys. 85, 7569 (1999).
  39. L.Stollenwerk, Sh. Amiranashvili, J.-P. Boeuf, and H.-G Purwins Phys. Rev. Lett. 96, 255 001 (2006).
  40. M.S. Benilov Physical Review E 77 36 408 (2008).
  41. Ю.П. Райзер, C.T. Суржиков, Письма в ЖТФ том 13, вып. 8, стр. 452 (1987).
  42. Ю.П. Райзер, С. Т. Сурлшков, ГЯГтом 26, стр. 428 (1988).
  43. Ю.П. Райзер, М. Н. Шнейдер, ТВТтои 29, стр. 1041 (1991).
  44. Ю.П. Райзер, С. Т. Суржиков, ТВТтом 31, стр. 22 (1993).
  45. Ю.П. Райзер, С. Т. Суржиков, ТВТ том 28, стр. 439 (1990).
  46. Ю.П. Райзер, С. Т. Суржиков, Препринт ИПМ АН СССР № 344, Москва 1988,32 с.
  47. А.С. Петрусев, С. Т. Сурлшков, Физика плазмы, том 34, стр. 269 (2008).
  48. С.Т. Суржиков, ТВТ, том 43, стр. 828 (2005).
  49. С.Т. Суржиков, Физическая механика газовых разрядов, М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана 2006, 639 с.
  50. J.P. Boeuf and Е. Marode J Phys. D: Appl. Phys. 15 2169 (1982).
  51. D.D. Sijacic and Ebert Ute Phys. Rev. E 66, 66 410 (2002).
  52. A.V. Phelps ftp://jila.colorado.edu/collisiondata.
  53. M. Hayashi Nagoya Institute of Technology Report No IPPJ-AM-19 (1981) — ftp://iila.colorado.edu/collision data.
  54. G.Malovic, A. Strinic, S. Zivanov, D. Maric and Z.Lj. Petrovic Plasma Sources Science & Technology 12, SI (2003).
  55. J.Furst, M. Mahgerefteh and D.E. Golden Physical Review A 30, 2256 (1984).
  56. M.A. Khakoo and S. Trajmar Physical Review A 34, 138 (1986).
  57. H.A. Blevin, J. Fletcher and S.R. Hunter Aust. J. Phys. 31, 299 (1978).
  58. A.Fiala, L.C. Pitchford and J.P. Boeuf Physical Review E 49, 5607 (1994).
  59. C.B. Opal, W.K. Peterson, and E.C. Beaty J. Chem. Phys. 55, 4100 (1971).
  60. S.Yoshida, A.V. Phelps, and L.C. Pitchford Physical Review A 27, 2858 (1983).
  61. J.Wrkich, D. Mathews, I. Kanik, S. Trajmar, and M.A. Khakoo J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 35, 4695 (2002).
  62. M.Surendra, D.B. Graves and G.M. Jellum Physical Review A 41, 1112 (1990).
  63. И.М. Бронштейн, B.C. Фрайман Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука, 1969, 407 с.
  64. M.A. Folkard and S.C. Haydon^te. J. Phys. 24, 519 (1971).
  65. M.A. Folkard and S.C. Haydon^to. J. Phys. 24, 527 (1971).
  66. Z.Stokic, M.M.F.R. Fraga, J. Bozin, V. Stojanovic, Z.Lj. Petrovic, and B.M. Jelenkovic Physical Review A 45, 7463 (1992).
  67. J. Dutton J. Phys. Chem. Ref. Data 4, 577 (1975).
  68. S.J. Buckman and A.V. Phelps J. Chem. Phys. 82, 4999 (1985).
  69. A.V. Phelps J. Phys. Chem. Ref. Data 19, 653 (1990).
  70. Z.Lj. Petrovic, B.M. Jelenkovic, and A.V. Phelps Phys. Rev. Lett. 68, 325 (1992).
  71. H.D. Hagstrum Physical Review 104, 317 (1956).
  72. M.M. Nikolic, A.R. Dordevic, I. Stefanovic, S. Vrhovac and Z.Lj. Petrovic IEEE Transactions on Plasma Science 31, № 4, P. 717 (2003).
  73. A.V. Phelps and L.C. Pitchford Physical Review A 31, 2932 (1985).
  74. Stefanovic, J. Berndt, D. Maric, V. Samara, M. Radmilovic-Radjenovic, Z.Lj. Petrovic, E. Kovacevic and J. Winter Physical Review E 74 26 406 (2006).
  75. A.H. Лодыгин, Л. М. Порцель, Ю. А. Астров Письма в ЖТФ том 34, выл 14, стр. 61 (2008).
  76. A.L. Ward J. Appl Phys. 33, 2789 (1962).
  77. Grey Morgan С Physical Review 104, 566 (1956).
  78. Д.С. Никандров, Л. Д. Цендин Журнал Технич. Физики том 75, вып. 10, стр. 29 (2005).
  79. А.А. Андронов, А. А. Витт, С. Э. Хайкин, Теория колебаний, М.:Физматлит, 1959. 915 с.
  80. Н.Н. Баутин, Е. А. Леонтович, Методы и приемы качественного исследования динамических систем на плоскости, М.: Наука. 1990. 488 с.
  81. Г. В. Гадияк, В. А. Швейгерт, О. У. Ууэмаа Изв. СО АН СССР, Сер. Техн. Наук том 21, вып. 6, стр. 41 (1988).
  82. P.L.G. Ventzek, T.J.Sommerer, R.J.Hoekstra and M.J.Kushner Appl. Phys. Lett. 63, 605 (1993).
  83. B.A. Швейгерт Журнал Технической Физики том 63, вып. 5, стр. 29 (1993).
  84. C.Punset, S. Cany and J.P. Boeuf Journal of Applied Physics 86, 124 (1999).
  85. Р.П. Федоренко Введение в вычислительную физику, М.: МФТИ, 1994, 516 с.
  86. D.L. Sharfetter and Н.К. Gummel, IEEE Trans. Electron. Devices ED-16, 64 (1969).
  87. В.П. Ильин Численные методы решения задач электрофизики, М.: Наука. 1985, 334 с.
  88. V.Vahedi and G. Dipeso, Journal of Computational Physics, 131, 149, (1997).
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!