Курс лекций читает доцент Козлов Кирилл Вадимович

1. Введение.
1. 1. Современное понимание термина 'диагностика плазмы'. Основные задачи диагностики плазмы и мониторинга плазмохимических процессов. Классификация и систематика методов диагностики плазменных процессов.
1. 2. Особенности низкотемпературной плазмы как объекта диагностики. Роль электронов в энергетическом балансе плазмы. Основные столкновительные и радиационные процессы в плазме. Формирование состава плазмы и энергетических распределений ее компонент. Обзор методов измерения этих характеристик. Релаксация. Понятия полного термодинамического равновесия (ПТР) и локального термодинамического равновесия (ЛТР).
1. 3. Основные типы газовых разрядов: таунсендовский, тлеющий, коронный, барьерный (в частности, поверхностный), искровой, дуговой, импульсный, высокочастотный (ВЧ), сверхвысокочастотный (СВЧ). Условия их возникновения (существования) и физико-химические свойства (пространственная неоднородность, нестационарность, неравновесность), определяющие особенности задач диагностики плазмы этих разрядов.
1. 4. Макроскопические методы исследования плазмы: электротехнические измерения токов и напряжений (определение вольт-амперных характеристик - ВАХ), болометрия и пирометрия, лазерная термометрия, сканирующая калориметрия. Физические основы, преимущества и недостатки этих методов.

2. Определение химического состава плазмы.
2. 1. Корпускулярные методы: масс-спектрометрия и твердотельные конверторы. Основные типы масс-спектрометров. Принцип работы времяпролетного масс-спектрометра. Понятия чувствительности и разрешающей способности. Сочетание масс-спектрометрии с газовой и жидкостной хроматографией. Принцип работы ' хромаса '.
2. 2. Оптических методы: эмиссионная спектроскопия, спектроскопия поглощения, лазерная (резонансная) флуоресценция, оптическая актинометрия, опто-акустические и опто-гальванические методы. Физические основы, преимущества и недостатки этих методов. Отличие задач диагностики плазмы от классических задач спектрального анализа.
2. 3. Возможности электрических методов диагностики плазмы в задачах определения следовых количеств веществ.

3. Определение параметров энергетических распределений (температур).
3. 1. Методы определения заселенности дискретных энергетических уровней: эмисионная и абсорбционная спектроскопия, линейная спектроскопия, лазерно-индуцированная флуоресценция - ЛИФ, опто-акустические и опто-гальванические методы, комбинационное рассеяние - КР, когерентная анти-стоксова спектроскопия - КАРС. Физические основы, преимущества и недостатки этих методов.
3. 2. Прямые и косвенные методы определения температур нейтральных частиц - колебательной, вращательной и поступательной (кинетической). Преимущества, недостатки и условия применимости этих методов.
3. 3. Пример использования спектров излучения второй положительной системы молекулярного азота для оценки вращательной температуры.

4. Определение параметров электронной компоненты плазмы, электрических и магнитных полей.
4. 1. Зондовые методы диагностики плазмы. Электрический зонд в случае бесстолкновительного слоя (теория Ленгмюра). Определение функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). Зондовая диагностика химически активной неравновесной плазмы. Преимущества, недостатки и условия применимости зондовых методов.
4. 2. Спектроскопические методы измерения электрических и магнитных полей в плазме (на основе эффекта Штарка и эффекта Зеемана).
4. 3. Кинетическая спектроскопия плазмы высокого давления в суб-наносекундном временном диапазоне (кросс-корреляционная спектроскопия). Пример определения локальной напряженности электрического поля в барьерном разряде из результатов измерений пространственно-временных распределений интенсивности излучения молекулярного азота (для второй положительной и первой отрицательной систем).

5. Методы численного моделирования в задачах диагностики плазмы.
5. 1. Иерархия моделей плазмы по степени детализации описания (временная, пространственная и энергетическая шкалы). Информационные аспекты в задачах обработки и анализа экспериментальных данных.
5. 2. Задачи моделирования ФРЭЭ (решение кинетического уравнения Больцмана для электронной компоненты). Проверка адекватности моделей.
5. 3. Задачи моделирования динамики развития разряда и его структуры (решение прямой кинетической задачи совместно с уравнениями электродинамики). Принцип локального равновесия. Проверка адекватности моделей.
5. 4. Задачи моделирования процессов переноса в плазме (теплопроводность, диффузия, газодинамика). Проверка адекватности моделей.

Рекомендуемая литература

1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том 2 (Раздел 5: 'Диагностика и метрология плазменных процессов') Под ред. В. Е. Фортова. М.: Наука, 2000.
2. Диагностика плазмы. Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда, пер. с англ. под ред. С. Ю. Лукьянова. М.: Мир, 1967.
3. Plasma Diagnostics. Volume 1: Discharge Parameters and Chemistry. Ed. by O. Auciello and D. L. Flamm. Boston-San Diego: Academic Press, 1989.
4. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.
5. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах: Пер. с англ. / под ред. Комелькова В. С. - М.: Мир, 1968.
6. Смирнов Б. М. Ионы и возбужденные атомы в плазме. - М.: Наука, 1974.

Программа составлена
доц. Козловым К. В.