Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН
(ИНХС РАН)

119991, Москва, Ленинский проспект, 29
Лаборатория плазмохимии и физикохимии импульсных процессов
Лебедев Юрий Анатольевич
Тел. 095-955-4322
Факс 095-230-2224
E-mail: lebedev@ips.ac.ru 

Продолжалось исследование неравновесного электродного СВЧ разряда при пониженных давлениях в водороде и азоте.

1.) Разработана, изготовлена и запущена установка третьего поколения ЭМР-3 для получения и исследования электродного СВЧ разряда. Установка оборудована окнами для наблюдения разряда, включая наблюдение с торца. Подача плазмообразующего газа осуществляется через электрод-антенну и контролируется расходомером, давление измеряется баротроном. Приборы фирмы MKS Instruments. Установка снабжена системой исследования спектров излучения плазмы на базе монохроматора МДР-23 и спектрометра AvaSpec-2048.

Проведены эксперименты по получению плазмы в азоте и воздухе. Получен богатый экспериментальный материал, позволивший установить особенности разряда в азоте. Получены спектры излучения разряда. Разработана кинетическая модель разряда с целью развития метода определения концентрации электронов N_e и напряженности электрического поля E в плазме электродного СВЧ разряда в азоте. Предлагаемый метод основывается на взаимосвязи между ФРЭЭ, ФРК в основном электронном состоянии  и ФРК в электронно – возбужденном состоянии , которая непосредственно измеряется в плазме электродного СВЧ - разряда методом эмиссионной спектроскопии. С целью апробации метода выполнены экспериментальные и теоретические исследования кинетики возбуждения и дезактивации состояния  в плазме ТРПТ (при давлении от 3 до 10 Тор, удельной мощности до 0.4 Вт/см³), безэлектродного ВЧ – разряда (при давлении 20 Тор, удельной мощности до 3 Вт/см³) и СВЧ – разряда (при давлении 1 Тор, удельной мощности до 0.5 Вт/см³).

Разработан пакет программ, позволяющий автоматизировать интерпретацию и обработку спектральных характеристик плазмы разрядов в азоте с целью определения ФРК в электронно – возбужденном состоянии  и нахождения пространственного распределения источников излучения плазмы газового разряда. Он включает: отождествление спектров, исключение из спектра «паразитного» фона, сглаживание спектров и нахождение площадей исследуемых электронно - колебательных полос, с последующей их нормализацией на сигнал градуированной эталонной лампы. Для обработки результатов измерений, выполненных в плазме ЭСВЧ – разряда, вычислительные коды, также предусматривают возможность нахождение пространственного распределения источников излучения с помощью обращения Абеля.

Установлено, что значения E и N_e определенные в плазме безэлектродного СВЧ – и электродного СВЧ – разряда лежат в диапазоне от 15 до 30 В/см и от 8×10¹⁰ см^-3 до 2.5×10¹¹ см^-3, соответственно. Полученные значения E оказываются меньше по сравнению с их значениями, определенные в плазме ТРПТ, которые изменяются в диапазоне 60 – 90 В/см. Напротив, значения концентрации электронов N_e, полученные в плазме ТРПТ, лежат в диапазоне 3.5×10¹⁰-1.2×10¹⁰ см^-3 и значительно ниже по сравнению со значением концентрации электронов, найденной для условий плазмы безэлектродного СВЧ – и электродного СВЧ - разряда. Значения колебательной температуры первого колебательного уровня, определенные в всех типах разряда оказываются соизмеримыми и лежат в диапазоне значений от 3100 К до 4000 К.

2) Для исследования процессов в неравновесной плазме электродного СВЧ разряда разработана самосогласованная модель разряда, построенная на совместном решении нестационарных уравнений Максвелла и уравнения баланса заряженных частиц. Необходимые для решения уравнений локальные значения параметров электронной компоненты плазмы находились при численном решении однородного уравнения Больцмана. Программа самосогласованного двумерного моделирования самостоятельного стационарного электродного СВЧ разряда, существующего на конце центрального проводника коаксиальной линии использована для исследования электродинамики разряда в камере, содержащей отрезки коаксиала разного диаметра. Проведены расчеты параметров разряда в диффузионном режиме в водороде при давлениях 0.5, 2 и 8 Тор и падающих мощностях 30, 100 Вт. Показано, что основным геометрическим фактором, влияющим на структуру плазменного образования и его согласования с волной накачки, является длина центрального электрода. Максимумы и минимумы согласования чередуются при удлинении центрального электрода на четверть длины волны. Структура распределения плотности плазмы по своей форме отличается в случаях низкого (< 2 Тор) и высокого (>2 Тор) давлений. Максимумы и минимумы согласования для случая низкого давления смещены на относительно таковых для высокого давления. Проанализирована проблема максимального энерговклада в разрядную область на конце антенны-электрода. Показано, что существует ограничение на максимальный энерговклад в такой разряд (соответственно, и на размер плазменного образования). Эти ограничения связаны, либо с убеганием разряда в сторону генератора, либо с зажиганием разряда в области ввода антенны в камеру.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант 02-02-16021), Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 20 «Взаимодействие плазмы с высокоскоростными потоками газа» и гранта NWO-РФФИ 047.016.019.