ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА, РЕАЛИЗУЕМОГО В ПЛОТНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЕ В УСЛОВИЯХ СИЛЬНО НЕОДНОРОДНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Атмосферная низкотемпературная плазма (АНТП) является уникальным инструментом для воздействия на объекты живой и неживой природы [1]. Так, в работе [2] проводились исследования, целью которых была возможность применения плазмы для стерилизации в медицине. В [3] говорится о возможном применении для высокоточного удаления нежелательных тканей и очистке разложившегося материала в зубных полостях перед пломбированием. Применение низкотемпературной плазмы в биомедицине является крупным направлением в исследовательских работах. Также, НТП активно применяется в химии, электротехнике, гидродинамике и т.д. В микроэлектронике плазма применяется для осаждения или других типов модификации материалов с нанометровым разрешением [4]. Возрастает интерес не только со стороны научных исследователей, но и в бизнес-индустрии [5].
Одним из способов формирования АНТП является наносекундный разряд в газах. Особое внимание направлено на изучение процесса формирования наносекундного разряда в условиях неоднородного распределения напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке, обеспечивающем высокое перенапряжение. В таких условиях удаётся зажечь разряд в диффузной (объёмной) форме при атмосферном давлении атомарных и молекулярных газов без применения сторонних источников ионизирующего излучения (УФ излучение, пучок электронов) для предварительной ионизации газа. Области применения наносекундного разряда самые разнообразные: очистка выхлопных газов и сточных вод; дезинфекция, дезинсекция и повышение всхожести семенного материала в сельском хозяйстве; активация, модификация и очистка поверхности металлов, полупроводников и диэлектриков; конверсия метана, углекислого газа и многое другое. Такое разнообразие вариантов применения обусловлено образованием в плазме различных химически активных частиц (атомов и молекул газа). Для того, чтобы научиться управлять параметрами и свойствами плазмы в разных газах и условиях необходимо изучить процессы, происходящие в ней. В рамках настоящего исследования планируется изучить динамику формирования плазмы наносекундного разряда с применением стрик-камеры и ICCD-камеры. Так, например, в работах [6], [7] стрик-камера применялась для отслеживания динамики формирования плазмы. Также, планируется измерить её параметры оптическими и спектральными методами диагностики. Развитие стримерной и искровой фазы разряда будет исследоваться с помощью время-разрешённых оптических, а также спектральных методов [8-9].
Была подробно исследована динамика формирования плазмы наносекундного разряда, в которой ключевыми этапами являются переход электронной лавины в стример, формирование диффузного разряда, лидерная стадия и переход в искру. Съёмка и обработка полученных изображений осуществлялись при помощи сверхвысокоскоростной ICCD - камеры. Были проведены измерения напряжения и тока на разрядном промежутке, на основе чего были произведены оценки энерговклада в плазму, а, кроме того, получен спектр излучения плазмы с применением ультраскоростной стрик-камеры, оснащённой спектрометром. В ходе эксперимента были получены спектры излучения серий молекулярного азота, а также отдельных линий ионов и атомов кислорода и азота.
Были изучены методы диагностики плазмы контактными и бесконтактными методами. По спектру второй положительной молекулярной серии азота определены вращательные температуры и их распределение в промежутке со временем. Основными механизмами нагрева являлись акты электронно-ионной рекомбинации, а также тушением электронно-возбужденных молекул азота кислородом. Также, было определено распределение напряженности поля в геометрии «острие - острие», а также, с использованием спектроскопических методов в поле плазмы. Определено место встречи стримеров, в котором поле возрастает из-за суперпозиции полей, индуцируемых стримерами». В будущих экспериментах планируется изучение влияния давления и концентрации газовых смесей на энерговклад, затрачиваемый на нагревание плазмы.
Изучение параметров плазмы высоковольтного наносекундного разряда является важной задачей, решая которую, можно получить результаты во многих научных отраслях, промышленных и медицинских применениях. Интерес вызывает изучение кинетики образования в процессе генерации плазмы химически активных частиц, применяемых в дальнейшем для лечения раковых заболеваний, модификации свойств поверхностей и множества других задач.
