Анотація до роботи:

Гущин В.В. Самоузгоджена теорія розрядів, що підтримуються поверхневими хвилями за умов низьких тисків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08. – фізика плазми. – Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2007.

Дисертаційна робота присвячена теоретичному дослідженню кінетичних процесів, які мають місце в розрядах, що підтримуються поверхневими хвилями. Нелокальний підхід у задачі, що розглядається, узагальнюється на умови низьких тисків. Вперше отримано повністю самоузгоджену систему рівнянь для описання джерела плазми на поверхневих хвилях у міліторному діапазоні тисків, яка має переходи до відомих рівнянь за умов великих тисків. Показано, що загасання ПХ у цьому випадку відбувається без зіткнень, має резонансний, стохастичний характер, та посилюється у неоднорідній плазмі. У наближенні заданих полів можливо отримати наближені рішення, за допомогою яких можна знайти важливі аналітичні оцінки необхідних параметрів плазми, яка отримується. Нелокальний підхід узагальнено на випадок двовимірнонеоднорідної плазми за умов модельних залежностей ФРЕЕ та полів від аксіальної координати. Це дозволяє отримати важливі аналітичні оцінки для раніше недоступних випадків.

У дисертаційній роботі автором було побудовано самоузгоджену кінетичну теорію джерела плазми, що підтримується ПХ за умов низьких тисків. У рамках цієї теорії отримано наступні основні результати:

1. Побудований нелокальний підхід для опису неоднорідної плазми у полі ПХ узагальнено на умови низьких тисків. Це суттєво спрощує задачу, бо за цих умов шестивимірне (3D3V) кінетичне рівняння Больцмана зводиться до одновимірного, яке залежить тільки від повної енергії. Електрони плазми за цих умов можливо поділити на дві групи: захоплені та прольотні.

2. Отримано повністю самоузгоджену систему рівнянь для опису розрядів, що підтримуються ПХ. Вона складається з перетвореного кінетичного рівняння, яке пов'язує ФРЕЕ з ВЧ полем та амбіполярним потенціалом. Поля ж визначаються за допомогою нелокальної системи рівнянь Максвелла та системи квазігідродинаміки для іонів. Визначено коефіцієнт енергетичної дифузії, яка формує ФРЕЕ. Також отримані нелокальні тензори провідності та діелектричної проникливості плазми. Показано, що отримана система рівнянь за умови переходить до відомих рівнянь, які мають місце в плазмі за умов високих тисків.

3. Квазілінійний підхід показав, що ефективно з ВЧ полем можуть взаємодіяти лише резонансні баунс електрони, для яких має місце резонансна умова типа механізму Ландау, але для аномального скін-ефекту. За допомогою стандартних відображень показано, що динаміка взаємодії електронів з областю неоднорідності поля у цьому випадку має стохастичний характер. Також показано, що неоднорідність призводить до посилення поглинання енергії ПХ, бо при цьому збільшується кількість часток, які задовольняють резонансним умовам.

4. Показано, що додаткове поглинання ПХ, яке виникає у неоднорідній плазмі поблизу точки плазмового резонансу (резонансне поглинання) не завжди поліпшує параметри розряду. Так, дійсно воно веде до появи додаткового квазілінійного енергетичного дифузійного потоку, який характеризується коефіцієнтом дифузії. Однак принциповим є напрямок цих прискорених електронів, бо ця особлива точка знаходиться на відстані меншій за довжину вільного пробігу від межі розряду. Зрозуміло, що орієнтація цього потоку на стінку є негативним явищем для розрядів. Чисельні розрахунки показали, що за умов обмеження поля лінійними механізмами має місце повне викидання плазми на стінки.

5. Показано, що бі-максвеллівська (двохтемпературна) ФРЕЕ є наближеним розв'язком отриманого кінетичного рівняння. Обчислені температури холодних та хвостових електронів , які визначаються параметрами розряду (коефіцієнтами дифузії, частотами елементарних процесів), для яких виконується умова . Для такої ФРЕЕ обчислено такі характеристики розряду, як коефіцієнти дифузії, частота іонізації, розподіл густини та інші. Аналогічні обчислення параметрів розряду виконано також для максвеллівської та дрювестейнівської ФРЕЕ. Проведено порівняльний аналіз отриманих результатів. Ці важливі аналітичні оцінки для характеристик розряду можна використовувати під час порівняльного аналізу між теорією та експериментом.

6. Припускаючи, що ФРЕЕ та поля ПХ від аксіальної координати залежать експоненціальним чином (що наближається до експериментальних результатів) побудовано нелокальне наближення, як за умов низьких тисків, так і за умов високих тисків. Показано, що у ряді випадків (наприклад, у сурфатроні) суттєвими можуть стати ще й аксіальні розподіли параметрів розрядів, тобто суттєва роль двовимірної неоднорідності плазми, яку потрібно враховувати під час послідовного вивчення цих розрядів.

7. За умов ступеневих залежностей полів від координат, ФРЕЕ та частот зіткнень від енергії, побудовано автомодельне рішення, яке відповідає виходу за межі нелокального наближення та справедливе для великих напружностей полів. Виділено параметр нелокальності (керуючий параметр) при збільшенні якого розв'язок наближається до нелокального.

Більшість отриманих результатів мають як загальнофізичний інтерес, так і можуть бути застосовані у чисельних технологічних й плазмохімічних задачах.

Публікації автора:

1. Azarenkov N.A., Denisenko I.B., Gapon A.V., Gushchin Vl.V. "Advantages of using azimuthally nonsymmetric surface waves for plasma production under low pressures" // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics (3, 4). - 1999, № 3, 4. - P.151-153.

2. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V., Gushchin V.V. “The influence of anomalous skin-effect on the discharge sustained by surface wave” // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics (10). - 2005, №1. - P.66-69.

3. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V., Gushchin V.V. “Modification of nonlocal approach for the discharge sustained by surface waves in the range of the low pressure” // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics (11). - 2005, №2. - P.76-78.

4. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V., Gushchin V.V. “Electron distribution of plasma in two-dimensional nonuniform fields of surface wave // Proceeding of V^th International Workshop “Microwave Discharges: Fundamentals and Applications (MD-5)“. – Zinnovitz (Germany). – July 8-12, 2003. - P.117-120.

5. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V., Gushchin V.V. "Nonlocal electron kinetic in a high-frequency two-dimensional inhomogeneous fields of surface wave" // Proceeding of XXVI “International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG)”. – Greifswald (Germany). – July 15-20, 2003. – V.3. – P.23-24.

6. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V., Gushchin V.V. "A kinetic description of the surface wave sustained discharge accounting for the nonlocal and collisionless electron dynamics" // Proceeding of International Conference “Mode conversion, Coherent structures and Turbulence”. – Moscow (Russia). – November 23-24, 2004. – P.138-143.

7. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V., Gushchin V.V. "Microwave discharge in the presence of plasma resonances and stochastic heating" // Proceeding of VI^th International Workshop “Strong Microwaves in Plasma”. – August 1-8, 2005. – Nizhniy Novgorod (Russia). – V.2. – P.779-784.

8. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V, Gushchin V.V. “The kinetic theory of the discharge sustained by surface wave”// Book of Abstracts of International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. – Alushta (Ukraine). – September 16-21, 2002. – P.99.

9. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V., Gushchin V.V. “Nonlocal approach modification for discharge sustained by surface wave description” // Book of Abstracts of International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion.– September 13-18, 2004.– Alushta (Ukraine).– P.88.

10. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V., Gushchin V.V. “About Collisionless damping of SW at low pressure” // Book of Abstracts of International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion.– September 13-18, 2004.– Alushta (Ukraine).– P.87.

11. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V., Gushchin V.V. "Microwave discharge in the presence of plasma resonances and stochastic heating" // Book of Abstracts of 6 International Workshop “Strong Microwaves in Plasma”. – August 1-8, 2005. – Nizhniy Novgorod (Russia). – P.135.

12. Azarenkov N.A., Gushchin Vl.V., Gushchin V.V. "Comparization of collisionless mechanism of absorption of energy in discharges sustained by surface waves at low pressure“ // Proceeding of VI^th International Workshop. – “Microwave Discharges: Fundamentals and Applications (MD-6)“. – Zvenigorod (Russia). – September 11-15, 2006. – P.18.