ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. В.Н. Каразіна

ЯКОВІН Станіслав Дмитрович

УДК 533.915, 537.525

ВЛАСТИВОСТІ ТА СТРУКТУРА ТЛІЮЧОГО РОЗРЯДУ

ПОСТІЙНОГО СТРУМУ НИЗЬКОГО ТИСКУ

(01.04.08 - фізика плазми)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ХАРКІВ -2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України та в Науковому фізико-технологічному центрі Міністерства освіти і науки та НАН України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент Фареник Володимир Іванович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідуючий кафедрою фізичних технологій

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Маслов Василь Іванович, Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, старший науковий співробітник Інституту плазмової електроніки та нових методів прискорення;

кандидат фізико-математичних наук Ціолко Вячеслав Володимирович, Інститут фізики НАН України, старший науковий співробітник відділу газової електроніки.

Провідна установа:

Науковий центр “Інститут ядерних досліджень” НАН України, відділ фізики плазми, м. Київ.

Захист відбудеться 24.05.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.12 в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова, 31, читальний зал бібліотеки № .

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Автореферат розісланий 22.04.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Письменецький С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останні кілька десятиріч тліючий розряд постійного струму низького тиску широко використовується для потреб технології. Одним із застосувань тліючого розряду є плазмові джерела іонів, у деяких конструкціях яких для створення плазми в газорозрядній камері використовується тліючий розряд постійного струму. Щоб збільшити час життя електронів у розряді і, як наслідок, підвищити ефективність іонізації робочого газу, тліючий розряд вміщується у постійне магнітне поле.

Інший напрям – створення реакторів на основі тліючого розряду постійного струму. Це – реактори для травлення напівпровідникових матеріалів, очищення поверхні матеріалів, отримання тонких полімерних і оксидних плівок. Дані реактори знайшли широке застосування в таких галузях сучасної промисловості, як мікроелектроніка та машинобудування, а також при виготовленні оптичних приладів та в медицині.

Ще одна область застосування – в приладах тліючого розряду, що є ключовими елементами в радіоелектронній та електротехнічній апаратурі. Прилади тліючого розряду бувають некеровані (в основному двохелектродні) – стабілітрони, неонові лампи, трубки, цифрові індикаторні лампи, деякі типи розрядників, і керовані (з додатковими електродами) – тиратрони, декатрони, які використовуються для різних релейних схем і вихідних пристроїв, для керованих випрямлячів, електронних стабілізаторів, розрядників і т.п.

Також добре відоме застосування тліючого розряду для накачування газорозрядних лазерів. З усіх існуючих лазерів безперервної дії найбільш потужними і розробленими в практичному відношенні є газорозрядні лазери на СО2. Промислові лазери потужністю до декількох кіловат застосовуються для різання різних матеріалів, зварювання металів, термічного зміцнення поверхонь деталей всіляких механізмів і машин та багатьох інших технологічних операцій.

Ще одним важливим застосуванням тліючого розряду постійного струму є плазмові дисплейні панелі (ПДП). Основні принципи ПДП були продемонстровані три десятиріччя тому. За минулий час характеристики ПДП були значно поліпшені. Це призвело до того, що тепер ПДП є серйозним конкурентом для телевізійних моніторів великого розміру з високим розділенням. Інтерес до ПДП значно зріс, коли було продемонстровано, що ПДП можуть забезпечувати чітке і яскраве кольорове зображення на екрані великого розміру.

Плазмові дисплеї існують у двох формах – на постійному струмі та на змінному струмі. При подачі на електроди напруги в елементі ПДП запалюється розряд і утворюється слабо іонізована плазма, яка випромінює у видимому або ультрафіолетовому діапазоні. У монохромних дисплеях видиме світло від розряду використовується безпосередньо. У кольорових ПДП розряд випромінює в ультрафіолетовому діапазоні хвиль, і ультрафіолетове випромінювання розряду потрапляє на спеціальне покриття з фосфору та викликає його світіння у видимому діапазоні. У кольорових панелях використовуються три базових кольори, одному пікселю ПДП екрана відповідають три розрядних елементи.

Останнім часом тліючий розряд постійного струму також застосовується для плазмової стерилізації медичних інструментів та обладнання. У сучасній медичній практиці використовується велика кількість медичних і хірургічних інструментів та матеріалів, що вимагають низькотемпературних методів стерилізації. Досі для стерилізації таких виробів використовувалася обробка іонізуючими випромінюваннями, рідкими хімічними речовинами, газами та озоном. Найчастіше застосовувалася стерилізація в атмосфері суміші оксиду етилену з фторхлорвуглецями, рідше в атмосфері чистого оксиду етилену. Однак оксид етилену є дуже токсичним газом і становить велику небезпеку як для обслуговуючого персоналу та пацієнтів, так і для навколишнього середовища. Зараз основною альтернативою цьому методу є плазмова стерилізація. Переваги плазмової стерилізації полягають у тому, що, по-перше, плазма як хімічно активне середовище утворюється в процесі іонізації, збудження і дисоціації будь-якого, в тому числі і нетоксичного, газового середовища. По-друге, хімічно активні частинки існують тільки підчас горіння розряду і майже одразу зникають після його вимкнення. Використання для стерилізації нетоксичних газів (повітря, кисень, азот) повністю вирішує проблеми безпеки обслуговуючого персоналу і екологічної безпеки.

Широке використання тліючого розряду в технології вимагає більш повного розуміння фізичних процесів, що відбуваються в розряді. Внаслідок цього останнім часом з'явилося дуже багато робіт, присвячених дослідженню тліючого розряду постійного струму. Однак, хоч тліючий розряд постійного струму досить добре вивчений, є ряд питань, що вимагають додаткових досліджень.

Встановлення природи пробою газу в однорідному постійному електричному полі є однією з найстаріших проблем фізики газового розряду. Як відомо, криві запалення тліючого розряду постійного струму описуються законом Пашена Udc fpL), тобто напруга пробою Udc є функцією добутку тиску газу p та відстані між електродами L. Закон Пашена означає, що криві запалення Udc(p), виміряні для різних відстаней L, повинні накластися одна на одну, якщо їх побудувати як функцію Udc(pL). Але в багатьох роботах експериментально було виявлено, що при одному і тому ж значенні pL напруга пробою Udc значно вища у разі більш довгих розрядних проміжків, тобто спостерігається відхилення від закону Пашена. Дослідженню пробою газу в постійному полі присвячена безліч експериментальних і теоретичних робіт і ряд монографій. Однак в цих роботах частіше за все основна увага приділялася дослідженню, наприклад, тільки правої або тільки лівої гілки кривої Пашена, або ж криві запалення були виміряні у вузькому діапазоні відстаней між електродами з фіксованим радіусом розрядної трубки. Тому побудувати яку-небудь цілісну картину запалення тліючого розряду постійного струму при низькому тиску газу було досить складно. До цього часу не було методу, що дозволяє передбачити криву запалення в постійному електричному полі в камері з довільним відношенням діаметра електродів до відстані між ними. Щоб встановити причини відхилення від закону Пашена та побудувати більш повний опис цього явища, було необхідно дослідити пробій газу в однорідному постійному електричному полі.

Більшість експериментальних робіт, присвячених дослідженню режимів горіння тліючого розряду, були виконані в довгих (L  см) та вузьких (Ж  см) розрядних трубках. В той же час для багатьох технологічних процесів з використанням тліючого розряду застосовуються камери, у яких відстань між електродами менше або порядку розмірів електродів. Добре відомо, що тліючий розряд постійного струму може горіти в двох різних режимах – нормальному і аномальному, але для коротких розрядних трубок (Rє дуже мало даних, що описують умови існування цих двох режимів і критерій переходу між ними. Тому дослідження параметрів розряду саме в камерах з такою конфігурацією є першочерговим завданням.

Цим і визначається актуальність даних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний в дисертаційній роботі напрямок досліджень є частиною спільних робіт, що проводяться в ХНУ ім. В.Н. Каразіна та НФТЦ, і пов'язаний з виконанням таких фундаментальних науково-дослідних робіт:

· “

· “Дослідження процесів формування потоків заряджених частинок в іонно-плазмових системах з комбінованими полями" (номер держреєстрації 0197U016507, 1997-1999 рр.); “Дослідження умов формування потоків заряджених частинок низьких та середніх енергій, методів керування їх параметрами та взаємодій синтезованих потоків з поверхнями твердих тіл" (номер держреєстрації 0100U003301, 2000-2002 рр.), – кафедра фізичних технологій ФТФ ХНУ ім. В.Н. Каразіна.

Мета і задачі дослідження. Виявлення фізичних закономірностей, необхідних для побудови адекватної фізичної картини запалення, режимів горіння та структури тліючого розряду постійного струму низького тиску в системах, типових для плазмових технологій.

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити такі задачі:

1. Експериментально і теоретично дослідити пробій газу низького тиску в однорідному постійному електричному полі в широкому діапазоні тиску газу, відстаней між електродами і радіусів розрядних трубок, щоб встановити причини і обставини відхилення від закону Пашена та знайти більш повний опис пробою газу.

2. Провести експериментальні дослідження режимів горіння тліючого розряду постійного струму в різних газах в широкому діапазоні тиску, для чого виміряти вольт-амперні характеристики розряду і характеристики катодного шару як в нормальному, так і в аномальному режимах горіння тліючого розряду.

3. Експериментально дослідити просторову (осьову) структуру тліючого розряду постійного струму низького тиску в системах, типових для плазмових технологій, для чого виміряти осьові розподіли параметрів плазми в усьому розрядному проміжку в різних газах.

Наукова новизна одержаних результатів. Рівень новизни отриманих результатів визначається такими положеннями, що виносяться на захист:

1. Експериментально встановлено модифікований закон пробою газу в однорідному постійному електричному полі Udc fpL,/R), в якому напруга пробою Udc виявляється як функцією добутку тиску газу та відстані між електродами рL, так і функцією відношення відстані між електродами до радіуса розрядної камери L/R.

2. Вперше виявлено, що в мінімумі кривих запалення тліючого розряду постійного струму при довільних значеннях відстані між електродами L, радіуса розрядної камери R та коефіцієнта іон-електронної емісії поверхні катода g величина відношення напруженості електричного поля пробою до тиску газу (Edc/p)min залишається постійною.

3. Вперше запропоновано напівемпіричний метод, що дозволяє передбачити криву запалення тліючого розряду постійного струму в циліндричній розрядній камері при будь-яких значеннях відстані між електродами L та радіуса розрядної камери R у різних газах.

4. Експериментально виявлено, що в коротких розрядних трубках (відстань між електродами L менше або порядку радіуса розрядної трубки R) тліючий розряд постійного струму низького тиску може горіти в нормальному режимі тільки за наявності інтенсивної іонізації молекул газу електронами поблизу поверхні анода (анодного світіння). Якщо анодне світіння не спостерігається, то це свідчить про аномальний режим горіння тліючого розряду. Було виявлено, що в коротких розрядних трубках нормальний режим горіння може існувати тільки в діапазоні значень тиску, що лежить праворуч точки перегину кривої запалення тліючого розряду постійного струму.

Практичне значення одержаних результатів. Модифікований закон Пашена має велике значення для подальшого експериментального вивчення тліючого розряду постійного струму та для побудови теоретичних моделей пробою газу низького тиску в однорідному постійному електричному полі. Встановлений факт зв'язку між нормальним режимом горіння тліючого розряду постійного струму та наявністю іонізації в анодному шарі є важливим для пояснення явища нормальної густини струму в тліючому розряді постійного струму і може допомогти в побудові теоретичної моделі цього явища. Встановлений факт, що мінімальна напруга запалення тліючого розряду постійного струму лінійно залежить від відстані між електродами, дозволяє уточнити модель, що застосовується для розрахунку як геометрії елементу плазмової дисплейної панелі, так і значень опорної та керуючої напруг. Встановлена необхідність використання двох параметрів подібності (поряд з параметром pL, також параметра L/R) виводить на новий, більш високий рівень конструювання технологічних установок, що використовують тліючий розряд постійного струму.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок дисертанта полягає в конструюванні та виготовленні вузлів вакуумної камери, проведенні всього комплексу вимірювань і одержанні експериментальних результатів, виконанні аналітичних досліджень обраної проблеми, підготовці наукових статей і доповідей на наукових конференціях за темою дисертації. Зокрема він:

·

· З аналізу великої кількості експериментальних кривих запалення запропонував напівемпіричний метод, що дозволяє передбачити криві запалення в циліндричній розрядній камері при будь-яких значеннях радіусів електродів і відстані між ними.

· Підготував і провів цикл експериментів по дослідженню нормального і аномального режимів горіння тліючого розряду постійного струму. Експериментально встановив наявність зв'язку між нормальним режимом тліючого розряду та анодним світінням. Експериментально визначив діапазон існування нормального тліючого розряду по тиску.

· Підготував і провів цикл експериментів по дослідженню осьової структури тліючого розряду постійного струму. Експериментально встановив, що в нормальному тліючому розряді анодне падіння напруги та температура електронів на межі анодного шару достатні, щоб забезпечити іонізацію поблизу анода.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались на таких конференціях:

26th IEEE International Conference on Plasma Science (Monterey, USA, 1999), 3-й Международный симпозиум “Вакуумные технологии и оборудование” (Харьков, Украина, 1999), 4-й Международный симпозиум “Вакуумные технологии и оборудование” (Харьков, Украина, 2001), IV Workshop on Frontiers in Low Temperature Plasma Diagnostics (Rolduc, The Netherlands, 2001).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 3 наукових статтях і в працях вказаних вище конференцій. Усього за темою дисертації опубліковано 8 наукових праць, перелік яких надано в заключній частині автореферату.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел з 106 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 116 сторінок. Основний текст дисертації складає 104 сторінки, в тому числі 34 рисунка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Перший розділ дисертації. У першому розділі наводиться огляд літератури за темою дисертації. Аналіз робіт, у яких досліджується запалення тліючого розряду постійного струму, дозволяє зробити висновок, що в експериментально виміряних кривих запалення спостерігається відхилення від закону Пашена. Порівняння теоретичних моделей, що описують ефект нормальної густини струму, з експериментальними даними показує, що експериментальні значення нормального катодного падіння завжди менше теоретично розрахованих.

Другий розділ дисертації. У другому розділі описані експериментальна установка, діагностична апаратура та методи дослідження. Вимірювання проводилися в розрядній камері, схема якої аналогічна схемі установки, що застосовується для проведення процесів плазмово-хімічного травлення. Вказані діапазони тиску та постійної напруги, у яких проводилися вимірювання розрядних характеристик. Наводиться обгрунтування обраних експериментальних методик вимірювання параметрів розряду.

Третій розділ дисертації. У третьому розділі дисертації наведені результати експериментального дослідження запалення тліючого розряду постійного струму в аргоні, азоті, повітрі та кисні при різних відстанях між електродами, радіусах розрядних трубок і матеріалах катода. У роботі експериментально встановлено модифікований закон Пашена для пробою газу низького тиску в однорідному постійному електричному полі Udc fpL,/R), тобто напруга пробою Udc виявляється як функцією добутку тиску газу та відстані між електродами рL, так і функцією відношення відстані між електродами до радіуса розрядної камери L/R. Цей закон пробою був отриманий на основі таких результатів.

Експериментально знайдено, що із збільшенням відстані між електродами криві запалення зміщуються в бік більш високих напруг пробою Udc і більш великих значень добутку pL (рис.1а). Показано, що криві запалення зміщуються таким чином, що їх мінімуми розташовуються на одній прямій UminpL)min (див. рис.2а). У мінімумі кривих запалення при довільних значеннях L, R і g відношення (Edc/p)min залишається постійним. З рис.2а і рис.2б бачимо, що (Edc/p)min ”  ±  В/(см Тор) (ця величина (Edc/p)min добре узгоджується зі значенням B  В/(см Тор).

Для пояснення цього факту було отримано рівняння пробою газу в однорідному постійному електричному полі, яке враховує як іонізацію молекул газу електронним ударом і дрейф електронів та іонів вздовж поля, так і дифузійний вихід електронів по радіусу розрядної трубки. З цього рівняння випливає, що напруга запалення тліючого розряду постійного струму є не тільки функцією добутку тиску газу та відстані між електродами, але і функцією відношення відстані між електродами до радіуса електродів Udc fpL,/R). Для мінімуму кривої запалення було знайдено таке співвідношення: (Udc/pL)minEdc/p)min В.

З рис.2б бачимо, що залежність Umin від L/R, яка є наслідком експериментальних кривих запалення для різних значень L та R, задовільно укладається на одну монотонно зростаючу криву. Пунктирною кривою показана теоретично розрахована залежність UminL/R). Отже, при описі кривих запалення тліючого розряду постійного струму параметр L/R є таким же важливим, як і параметр pL. Як бачимо з рис.2б, при L/R напруга пробою Udc майже не залежить від відношення L/R, тобто виконується закон Пашена Udc fpL), а коли значення відношення L/R наближається до одиниці і перевищує її, є сильна залежність Udc від L/R, тобто закон Пашена не виконується. На рис.3 наведені дві криві запалення, виміряні в розрядних камерах з різними радіусами, при цьому відстань між електродами вибиралася такою, щоб відношення відстані між електродами до радіуса трубки було постійною величиною L/R 2.4. З рисунка видно, що криві запалення в цьому випадку практично накладаються одна на одну. Таким чином, можна зробити висновок, що звичайний закон Пашена Udc fpL) є вірним тільки для геометрично подібних розрядних трубок, у яких відношення L/R рівні, та коротких розрядних трубок, у яких L/R ® . У загальному випадку звичайний закон Пашена не виконується.

При відповідному виборі координатних осей можна добитися того, що всі виміряні в роботі криві запалення (для одного і того ж сорту газу і матеріалу катода) практично співпадуть. Якщо по осях відкласти

, ,

де для аргону a ” .16, то приведені на рис. 1а криві запалення накладаються одна на одну з точністю ± (див. рис.1б). Оскільки Udc*/(pL)* Udc/(pL) Edc/p, то залежність Edc/p fpL)*) для різних кривих запалення також повинна співпадати (що ми і бачимо на рис.1б). Для азоту отримано а ” .12, для повітря – а ” .09, для кисню – а ” .03. За допомогою отриманих співвідношень і приведених на рис.1а значень напруги пробою ми можемо завбачити криві запалення в будь-якій циліндричній розрядній камері при довільних величинах відстані L і радіуса R

, ,

де індекси 0 відносяться до раніше відомої кривої запалення в камері з якимись конкретними L0 і R0.

Четвертий розділ дисертації. Четвертий розділ присвячений дослідженню режимів горіння тліючого розряду постійного струму в коротких розрядних трубках. Були виміряні вольт-амперні характеристики і характеристики катодного шару. Уточнено діапазон pL, у якому може існувати нормальний режим горіння тліючого розряду. Експериментально встановлено, що ефект нормальної густини струму супроводжується не тільки тим, що характеристики катодного шару дорівнюють деяким "нормальним" значенням (Uc Un, pdc pdn, j/p2j/p2)n), але і наявністю іонізації в анодному шарі. Нормальний режим горіння з'являється при низькому тиску тільки при такому значенні pL, коли одночасно присутні катодний шар, негативне світіння, темний фарадеєвський простір і анодний шар з анодним світінням. Такі умови мають місце лише при pL праворуч від точки перегину кривої запалення тліючого розряду і при наявності інтенсивної іонізації поблизу поверхні анода. Для невеликих відстаней між електродами L ефект нормальної густини струму з'являється при (pL)n ”pL)inf еЧ(pL)min (де е – основа натуральних логарифмів). Зі збільшенням відстані L відношення (pL)n/(pL)inf росте. На рис.4а показана виміряна залежність (pL)n, від величини L. Як бачимо з рисунка, при невеликих значеннях L нормальний режим горіння з'являється при майже постійному значенні (pL)n, яке трохи більше за (pL)inf.

Для аномального тліючого розряду були визначені такі характеристики катодного шару: катодне падіння напруги Uc, добуток товщини катодного шару та тиску газу pdc та відношення густини струму до квадрата тиску газу j/p2. Також були отримані значення характеристик катодного шару нормального тліючого розряду (Un, pdn, (j/p2)n). З рис.4б бачимо, що при збільшенні тиску газу найменше катодне падіння потенціалу (найменшим катодним падінням назване падіння потенціалу на катодному шарі перед погасанням розряду) зменшується і при p pn досягає мінімальної величини Uc.min Un (для повітря Un =  ±  В). При подальшому збільшенні тиску ця величина практично не змінюється і дорівнює нормальному катодному падінню потенціалу. Бачимо, що катодне падіння досягає мінімальної величини Un при появі ефекту нормальної густини струму. На цьому ж рисунку для порівняння наведена крива запалення тліючого розряду. Добре видно, що катодне падіння напруги стає рівним "нормальному" значенню при pLpL)inf , а не при pLpL)min.

П'ятий розділ дисертації. У п'ятому розділі досліджується просторова структура тліючого розряду постійного струму в коротких розрядних трубках у повітрі та азоті. Були виміряні осьові профілі густини іонів, потенціалу плазми та температури електронів при різному тиску робочих газів (як ліворуч, так і праворуч від мінімуму кривої запалення), а також анодні падіння напруги. Показано, що в нормальному режимі горіння величина анодного падіння напруги та температура електронів на межі анодного шару забезпечують умови для іонізації молекул газу електронним ударом в анодному шарі. При тиску повітря р = 0.6 Тор спостерігається нормальний режим горіння тліючого розряду, при цьому анодне падіння напруги Ua більше 12 В, температура електронів на межі анодного шару Te приблизно дорівнює 3 еВ (рис.5). Частина електронів на шляху до анода можуть набрати енергію достатню, щоб іонізувати молекулу газу (для молекули азоту потенціал іонізації Ui .6 еВ, для молекули кисню Ui .2 еВ). Зі збільшенням напруги на електродах розряд переходить в аномальну форму, при цьому падіння потенціалу на анодному шарі різко зменшується. У аномальному режимі горіння потенціал плазми в негативному світінні, темному фарадеєвському просторі та анодному шарі майже постійний, тобто електричне поле в цих частинах розряду практично відсутнє. Як наслідок, температура електронів в усьому розряді, крім катодного шару, менше ніж 1–2 еВ.

ВИСНОВКИ

Таким чином, в дисертації була досягнута мета роботи, яка полягала у виявленні фізичних закономірностей, необхідних для побудови адекватної фізичної картини запалення, режимів горіння і структури тліючого розряду постійного струму низького тиску в системах, типових для плазмових технологій. При проведенні досліджень було отримано ряд нових результатів, які представляють інтерес з точки зору фізики газового розряду, а також можуть бути використані для подальшого вдосконалення плазмового технологічного обладнання на базі тліючого розряду постійного струму, а саме:

·

· Виявлений факт, що в мінімумі кривих запалення тліючого розряду постійного струму при довільних значеннях відстані між електродами L, радіуса розрядної камери R та коефіцієнта іон-електронної емісії поверхні катода g величина відношення (Edc/p)min є сталою, дозволяє уточнити модель, яка використовується для розрахунку як геометрії елементу плазмової дисплейної панелі, так і значень опорної та керуючої напруг. Отримані формули для перерахунку кривих запалення тліючого розряду постійного струму можуть бути вельми корисними при моделюванні та розробці різних промислових пристроїв на базі тліючого розряду постійного струму.

· Встановлений факт зв'язку між нормальним режимом горіння тліючого розряду постійного струму і наявністю іонізації в анодному шарі є важливим для розуміння явища нормальної густини струму і може допомогти в побудові теоретичної моделі цього явища. Це знання може бути корисним при виборі оптимального режиму роботи різних плазмових реакторів, в яких використовується даний тип розряду.

Список опублікованих робіт здобувача за темою дисертації

1. В.А. Лисовский, С.Д. Яковин. Модифицированный закон Пашена для зажигания тлеющего разряда в инертных газах // Журнал технической физики. – 2000. – Т. 70, № . – С. 58–62.

2. В.А. Лисовский, С.Д. Яковин. Закон подобия при пробое газа низкого давления в однородном постоянном электрическом поле // Письма в ЖЭТФ. – 2000. – Т. 72, № . – С. 49–53.

3. В.А. Лисовский, С.Д. Яковин. Характеристики катодного слоя тлеющего разряда низкого давления в аргоне и азоте // Письма в ЖТФ. – 2000. – Т. , № . – С. 88–94.

4. Lisovskiy V.A., Yakovin S.D. Anode voltage drops of the DC discharge in air. Record-Abstracts of the 26th IEEE Intern. Conf. on Plasma Science. – Monterey (USA). – 20-24 June 1999. – P. .

5. В.А. Лисовский, С.Д. Яковин. Экспериментальное исследование вольт-амперных характеристик тлеющего разряда в воздухе. Труды 3 Международного симпозиума “Вакуумные технологии и оборудование”. – Харьков. – 22–24 сентября 1999. – С. 65–67.

6. В.А. Лисовский, С.Д. Яковин. Экспериментальное исследование зажигания тлеющего разряда в аргоне. Труды 3 Международного симпозиума “Вакуумные технологии и оборудование”. – Харьков. – 22–24 сентября 1999. – С. 68–71.

7. В.А. Лисовский, С.Д. Яковин. Осевая структура тлеющего разряда постоянного тока низкого давления в азоте. // Труды 4 Международного симпозиума “Вакуумные технологии и оборудование”. – Харьков. – 23–27 апреля 2001. – С. 105–109.

8. V.A. Lisovskiy, S.D. Yakovin, V.D. Yegorenkov. Scaling law for a low-pressure gas breakdown in a DC electric field in oxygen // Proc. of IV Workshop on Frontiers in Low Temperature Plasma Diagnostics. – Rolduc (The Netherlands). – 25–29 March 2001. – P. .

Яковін С.Д. Властивості та структура тліючого розряду постійного струму низького тиску. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 – фізика плазми. – Харківський національний університет ім. В.Н. Каразина, Харків, 2002.

Дисертація присвячена дослідженню запалювання, режимів горіння та структури тліючого розряду постійного струму низького тиску. Експериментально встановлено модифікований закон Пашена для пробою газу в однорідному постійному електричному полі: напруга пробою є функцією як добутку відстані між електродами та тиску газу, так і відношення відстані між електродами до діаметра електродів Udc fpL,/R). Показано, що звичайний закон Пашена Udc fpL) виконується тільки у разі подібних розрядних трубок і трубок, у яких відношення зазору між електродами до діаметра електродів наближається до нуля. Уточнено діапазон існування нормального режиму горіння тліючого розряду по тиску. Експериментально встановлено наявність зв'язку між нормальним тліючим розрядом і анодним світінням.

Ключові слова: тліючий розряд постійного струму, криві запалення, напруга пробою, нормальний режим горіння.

Яковин С.Д. Свойства и структура тлеющего разряда постоянного тока низкого давления. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08 – физика плазмы. – Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена исследованию зажигания, режимов горения и структуры тлеющего разряда постоянного тока низкого давления. Экспериментально установлен модифицированный закон Пашена для пробоя газа в однородном постоянном электрическом поле: напряжение пробоя является функцией как произведения межэлектродного расстояния и давления газа, так и отношения межэлектродного расстояния к диаметру электродов Udc fpL,/R).

В работе экспериментально исследовано зажигание тлеющего разряда постоянного тока в аргоне, азоте, воздухе и кислороде при различных межэлектродных зазорах, радиусах разрядных трубок и материалах катодов. Найдено, что с увеличением межэлектродного промежутка кривые зажигания смещаются в область более высоких напряжений пробоя и б?льших значений произведения давления газа и величины межэлектродного зазора, при этом в минимуме кривой зажигания отношение напряженности электрического поля к давлению газа (Edc/p)min остается постоянным. Для объяснения этого факта было получено уравнение пробоя газа в однородном постоянном электрическом поле, которое учитывает как ионизацию молекул газа электронным ударом и дрейф электронов и ионов вдоль поля, так и диффузионный уход электронов по радиусу разрядной трубки. Из полученного уравнения следует, что напряжение зажигания тлеющего разряда постоянного тока является не только функцией произведения давления газа и межэлектродного расстояния, но и функцией отношения межэлектродного расстояния к радиусу электродов Udc fpL,/R), а в минимуме кривой зажигания отношение (Edc/p)min остается постоянным.

Показано, что обычный закон Пашена Udc fpL) справедлив только для подобных разрядных трубок и трубок, у которых отношение межэлектродного зазора к диаметру электродов стремится к нулю. В общем случае обычный закон Пашена не выполняется. Из экспериментальных кривых зажигания получены аппроксимационные формулы, позволяющие предсказать кривую зажигания в цилиндрической разрядной камере с произвольными геометрическими размерами из известной кривой зажигания с какими-то конкретными геометрическими размерами.

В работе экспериментально исследованы режимы горения тлеющего разряда постоянного тока низкого давления в коротких разрядных трубках. Уточнен диапазон значений pL, в котором может существовать нормальный режим горения тлеющего разряда, измерены характеристики катодного слоя в различных газах. Показано, что появление эффекта нормальной плотности тока сопровождается не только равенством характеристик катодного слоя некоторым "нормальным" значениям, но и наличием ионизации в анодном слое. Нормальный режим горения появляется при низких давлениях газа только при таком значении pL, когда одновременно присутствуют катодный слой, отрицательное свечение, темное фарадеево пространство и анодный слой с анодным свечением. Такие условия имеют место лишь при pL справа от точки перегиба кривой зажигания тлеющего разряда при наличии интенсивной ионизации вблизи поверхности анода.

Чтобы изучить связь между нормальным режимом горения тлеющего разряда и анодным свечением, были измерены осевые профили плотности ионов, потенциала плазмы и температуры электронов при различных давлениях рабочего газа (как слева, так и справа от минимума кривой зажигания), а также анодные падения напряжения. На основании проведенных измерений показано, что в нормальном режиме горения величина анодного падения напряжения и температура электронов на границе анодного слоя обеспечивают условия для ионизации молекул газа электронным ударом в анодном слое.

Ключевые слова: тлеющий разряд постоянного тока, кривые зажигания, напряжение пробоя, нормальный режим горения.

Yakovin S.D. Properties and structure of low-pressure direct current glow discharge. – Manuscript.

Dissertation for Ph.D. degree of physics and mathematics sciences by speciality 01.04.08 – plasma physics. – Kharkiv National University named after V.N.Kharkiv, 2002.

Dissertation is devoted to studying the breakdown, discharge regimes and structure of low-pressure DC glow discharge. A modified Paschen's law for gas breakdown in uniform direct current electric fields is experimentally established: the breakdown voltage is the function of the product of the interelectrode gap and the gas pressure, as well as the ratio of interelectrode gap to electrode diameter Udc fpL,/R). It is shown that conventional Paschen's law Udc fpL) is valid only for similar discharge tubes and tubes, in which a ratio of interelectrode gap to electrodes diameter tends to zero. The existence range of normal regime of glow discharge over pressure is specified. A link between normal glow discharge and anode sheath is experimentally established.

Key words: direct current glow discharge, breakdown curves, breakdown voltage, normal discharge regime of burning.