Kinetik der Ladungsträger und neutralen Spezies in anisothermen, molekularen Entladungsplasmen

In dieser Arbeit wurde die Kinetik geladener und neutraler Spezies in anisothermen, molekularen Niederdruckentladungsplasmen untersucht. Als Arbeitsgas wurde Sauerstoff gewählt, da es noch eine Reihe grundlegender Fragen zu beantworten gibt und da Sauerstoff für viele technische Anwendungen von Interesse ist. Für eine adäquate Beschreibung des Elektronensubsystems wurde die stationäre, räumlich inhomogene kinetische Gleichung der Elektronen gelöst und die Elektronengeschwindigkeitsverteilungsfunktion (EVDF) bestimmt. Auf der Grundlage einer Legendre-Polynomentwicklung wurde eine strikte Multiterm-Beschreibung entwickelt, mit deren Hilfe die EVDF unter Vorgabe realistischer Potentialverläufe zwischen den Elektroden und der Plasmazusammensetzung im Druckbereich von 1 bis ~100 Pa bestimmt wurde. Es konnte der wesentliche Einfluß der dissipativen Stoßterme zur räumlichen Relaxation der EVDF erstmals für Sauerstoff gezeigt werden. In Bereichen kleiner Drücke ist ein Verhalten zu finden, welches typisch für Strahlelektronen ist, d.h. die an der Kathode eingestreute Elektronengruppe wandert praktisch ohne Dämpfung bis zur Anode. Dies spiegelt sich auch in den makroskopischen Größen wider, die im gesamten Entladungsgebiet eine starke räumliche Struktur aufweisen. Bei einer Druckerhöhung ist eine schnelle räumliche Relaxation der EVDF zu beobachten, die bereits beim Verlassen des Kathodenfallgebiets annähernd abgeschlossen ist. Damit in Verbindung stehen räumlich konstante Transportgrößen für die Elektronen oder deren mittlere kinetische Energie. Weiterhin wurde ein System hydrodynamischer Bilanzgleichungen für die betrachteten Spezies in Sauerstoff-Glimmentladungen abgeleitet, welches gekoppelt mit der Poisson-Gleichung gelöst wurde. Somit konnten die Dichten und Ströme der Spezies sowie das elektrische Potential selbstkonsistent bestimmt werden. Für die Analysen wurde ein reaktionskinetisches Modell für Sauerstoff entwickelt, welches alle relevanten Spezies und die zugehörigen Reaktionskanäle enthält. Insbesondere können in den hier betrachteten Plasmen mit Drücken um 100 Pa O2(b 1Σg+), O3 sowie O+ und O2- vernachlässigt werden. Somit war es möglich, sowohl das Startverhalten als auch den stationären Zustand der betrachteten Sauerstoff-Entladungen zu charakterisieren. Dabei konnte festgestellt werden, daß die metastabilen Moleküle O2(a 1Δg) keinen Einfluß auf kurze anormale Glimmentladungen haben, da ihre Dichte im Vergleich zum Bereich der positiven Säule äußerst gering ist. Dagegen wirken sich die negativen Ionen O- merklich auf die Formierung des Raumladungsfelds aus und müssen Berücksichtigung finden. Anhand einer Radiofrequenzentladung konnte zudem der Einfluß der Lokalen-Feld-Näherung (LFA) als auch der Lokalen-Mittleren-Energie-Näherung (LMEA) für die elektronischen Größen auf das Entladungsverhalten gezeigt werden. Hierbei konnte in Übereinstimmung mit der kinetischen Analyse der Elektronen festgestellt werden, daß die LFA zu einer erheblichen Überschätzung der entsprechenden Größen führt und zur nichtlokalen Beschreibung ungeeignet ist. Daher ist die Anwendung der LMEA im Rahmen einer hydrodynamischen Beschreibung zu empfehlen. Weiterhin wurde ein Hybrid-Verfahren entwickelt, welches eine kinetische Beschreibung der Elektronenkomponente sowie eine hydrodynamische Beschreibung der Spezies beinhaltet. Diese Methode wurde angewendet, um den stationären Zustand einer anormalen Sauerstoff-Glimmentladung zu bestimmen. Dabei wurden die Ratenkoeffizienten der Elektronenstoßprozesse auf einem kinetischen Niveau bestimmt und in der hydrodynamischen Beschreibung verwendet, so daß die Qualität der theoretischen Beschreibung wesentlich verbessert wurde. Dieses Verfahren wurde für einen direkten Vergleich mit den bisher durchgeführten rein hydrodynamischen Rechnungen genutzt. Dabei konnte wiederum festgestellt werden, daß die Ratenkoeffizienten in der Lokalen-Feld-Näherung überschätzt werden, was zum einen zu hohe Raten und Teilchendichten zur Folge hat und zum anderen auch die Entladungsparameter für einen erfolgreichen Durchbruch nicht korrekt charakterisiert.In this work, the kinetics of charged and neutral species in nonisothermal, molecular low-pressure discharge plasmas has been investigated. Oxygen has been choosen as work gas because there are a lot of fundamental questions to answer and oxygen is of intrest for numerous technological applications. To describe the electron subsystem adequately, the stationary, spatially inhomogeneous kinetic equation of the electrons was solved to determine the electron velocity distribution function (EVDF). On demand of realistic potential courves between the electrodes and a plasma composition in a pressure range of 1 to ~100 Pa, the EVDF can be determined by means of the developed strict multiterm description which bases on a Legendre polynomial expansion. The essential influcence of the dissipative collision terms on the spatial relaxtion of the EVDF could be shown for oxygen for the first time. In the range of small pressures, a behavior was found which is typical for beam electrons. That means, the electron group scattered in at the cathode propagates almost undamped to the anode. This is also recognizable in the macroscopic quantities which show a distinct spatial structure in the whole discharge region. A fast spatial relaxtion of the EVDF can be observed if the pressure is increased. It is almost completed when the cathode fall region is left. This is correlated with spatially constant transport quantities of the electrons or their mean energy. Additionally, a system of hydrodynamic balance equations was derived for the considered species in oxygen glow discharges which was solved coupled with the Poisson equation. This allows the self-consistent determination of the particle densities and fluxes and the electric potential. For the analysis, a reaction kinetic model has been developed for oxygen which includes all relevant species and their corresponding reaction channels. In particular, O2(b 1Σg+), O3, O+, and O2- can be neglected for the considered discharges at pressures of about 100 Pa. With this approach, both the ignition behavior and the steady state of the investigated oxygen discharges could be characterized. It was stated, that the metastable molecules O2(a 1Δg) have no influence on short abnormal glow discharges because their density is extremely low in comparision with the typical values of the positive column. In contrast to that, there is a appreciable effect of the negative ions O- on the formation of the space-charge field, wherefore, this species has to be taken into account. By means of a radio-frequency discharge, the influence of the local-field approximation (LFA) and the local-mean-energy approximation (LMEA) for the electronic quantities on the discharge behavior could be shown. In accordance with the kinetic analysis of the electrons it was found, that the LFA overestimates the corresponding quantities drastically and is not suitable for nonlocal descriptions. Therefore, the application of the LMEA in the framework of hydrodynamic descriptions is recommended. Furthermore, a hybrid method was developed which includes both the kinetic description of the electron component and the hydrodynamic description of the species. This method was applied to determine the steady state of an abnormal oxygen glow discharge. The rate coefficients of the electron collision processes were calculated on the kinetic level and have been used in the hydrodynamic description. Thus, the quality of the theoretical description could be improved. This approach was used to perform a direct comparision with the pure hydrodynamic calculations. Here, it was found again, that the LFA in the pure hydrodynamic approach strongly overestimates the rate coefficients which leads to too high rates and particle densities