Автореферат (Физические процессы в двухкамерном высокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнее магнитное поле), страница 2

WDS'12, Prague Czesh Republic, Prague, 2012.8. Международная конференция «Авиация и космонавтика – 2012»,Москва, 2012.9. XXXVIII Международной конференции по физике плазмы и УТС 2011,с.353–353, 2011.10. Международная конференция «Авиация и космонавтика – 2011»,Москва, 2011.ПубликацииОсновные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях в рецензируемыхнаучных журналах из перечня ВАК России и 16 тезисах в сборниках трудовконференций.Личный вклад автораВсе представленные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены лично автором, либо при его непосредственном участии. Авторомосуществлялись сборка экспериментальной установки, разработка иапробация методики по измерению высокочастотных компонент магнитногополя Bz и тока Jz, проведение эксперимента, обработка, анализэкспериментальных данных, численное моделирование. При участии авторапроводилась интерпретация результатов численного моделирования иэксперимента.Основные положения диссертации, выносимые на защиту Результаты систематического экспериментального исследования влияниявнешних условий разряда на величины и пространственное распределениепараметров плазмы (концентрации, эффективной температуры электронов,6потенциала пространства, эквивалентного сопротивления плазмы)двухкамерного высокочастотного индуктивного источника плазмы,помещенного во внешнее магнитное поле в диапазонах давления 1·10-2 – 75мТор инертных газов (аргона и гелия), мощности ВЧ генератора 0 – 500 Вт причастотах 2, 4 и 13.56 МГц, индукции внешнего магнитного поля 0 – 70 Гс. Результаты систематического экспериментального исследования влияниявнешних условий разряда на пространственное распределениевысокочастотных компонент магнитного поля Bz в двухкамерномвысокочастотном индуктивном источнике плазмы, помещенном во внешнеемагнитное поле при давлении аргона 0.7 мТор, мощности ВЧ генератора 400Вт при частотах 2, 4 и 13.56 МГц, индукции внешнего магнитного поля 0 – 70Гс. Результаты численного моделирования физических процессов вдвухкамерном высокочастотном индуктивном разряде, помещенном вовнешнее магнитное поле. Результаты анализа влияния емкостной составляющей, рабочей частоты,давления инертного газа, величины внешнего магнитного поля имощности ВЧ генератора на величины и пространственное распределениепараметров плазмы и высокочастотной компоненты магнитного поля Bz.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованнойлитературы.

Первая глава носит вводный характер и содержит обзор литературы,вторая глава содержит описание установки и основных использованныхэкспериментальных методов. Часть второй главы, третья, четвертая и пятая являютсяоригинальными. Диссертация содержит 166 страниц, включая 95 рисунков, 2 таблицыи библиографию из 149 наименований.Содержание работыВо введении сформулированы основные цели и задачи диссертации,представлены актуальность данных исследований, научная новизна ипрактическая ценность, перечислены защищаемые положения и краткоизложено содержание всех глав диссертации.В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации.В начале главы представлена история развития исследований,посвященных индуктивному ВЧ разряду.

Сделан вывод, что в последниедесятилетия интерес научной общественности постепенно смещается отисследований классического индуктивного ВЧ разряда к изучениюиндуктивного ВЧ разряда во внешнем магнитном поле. В первыхэкспериментальных работах по изучению разряда, выполненных Р. Босвеллом[13-14] еще в 70х годах ХХ века, была получена плазма с концентрациейэлектронов до 31013 см-3 при относительно невысоких значениях мощностиВЧ генератора (~1 кВт) и индукции внешнего магнитного поля (до 1кГс).7Разработанные теоретические модели [9,11-12] разряда показали, что приусловиях экспериментов Р. Босвелла, т.е. при условии выполнения неравенств:ωLi « ω «e « ωLe,(1)где Li - ионная ленгмюровская,  - рабочая,  e - электронная циклотронная,Le - плазменная частоты, в пространственно-ограниченном разряде возможнорезонансное возбуждение связанных между собой геликонов и косыхленгмюровских волн.

При этом вклад косой ленгмюровской волны впоглощение ВЧ мощности является определяющим при концентрацияхэлектронов менее 31012 см-3 и давлениях менее 10 мТор [9,11-12]. Резонансноевозбуждение объемных волн, при котором происходит проникновение ВЧполей в плазму, сопровождается нагревом электронов во всем объеме плазмы,что указывает на высокие перспективы использования разряда втехнологических приложениях.Многочисленные экспериментальные работы по исследованиюиндуктивного ВЧ разряда с внешним магнитным полем, называемым влитературе «геликонным», можно условно разделить на две большие группы.К первой группе работ принадлежат статьи по исследованию особенностей«геликонного» разряда в кварцевой трубе с длиной порядка 1м,организованного аналогично первым экспериментам Р.

Босвелла [13-14]. Ковторой группе работ можно отнести, в частности, статью [4], посвященнуюизучению физических процессов в двухкамерной конфигурации ВЧиндуктивного, источника, состоящего из двух объемов разного радиуса –газоразрядного, где формируется разряд, и технологического, гдерасполагаются образцы, подлежащие плазменной обработке. Характерныевеличины индукции магнитного поля в технологической камере существенноуступают значениям магнитного поля, используемым в работах первойгруппы. Кроме того, достигаемые значения концентрации электронов непревышают 11012 см-3. Это должно приводить к изменению проникновенияволн в плазму и изменению относительного вклада геликона и косойленгмюровской волны в поглощение ВЧ мощности [9,11-12]. Однако обзорлитературы показал, что основные выводы о физических процессах,полученных в работах первой группы, считаются автоматическиприменимыми для описания результатов исследований разряда вдвухкамерных источниках.

Таким образом, несмотря на огромное количестворабот, посвященных изучению разряда, физические процессы и механизмы,происходящие в двухкамерной конфигурации индуктивного ВЧ источника,помещенного во внешнее магнитное поле, а также вопросы его оптимизациидля последующих технологических применений изучены далеко не полно. Всвязи с этим в конце главы сформулированы задачи диссертационной работы.Во второй главе содержится описание установки (рис.1), основныхиспользованных экспериментальных методов, а также выбор условий эксперимента,при которых возможно проникновение в объем источника геликона и косойленгмюровской волны.8Рис.

1. Схема экспериментальной установки: 1 – вакуумная камера, 2 –турбомолекулярный насос, 3 – форвакуумный насос, 4 – широкодиапазонный датчикдавления, 5 – зонды Ленгмюра, 6 – пояс Роговского, 7 – емкостной делительИсточник плазмы состоял из двух цилиндрических кварцевых камерразного диаметра: газоразрядной камеры (ГРК - диаметром 10 см и длиной 20см) и технологической (диаметром 46 см и длиной 30 см).

Между собойкамеры соединялись через разделительный фланец В, сверху источникаплазмы был ограничен металлическим фланцем А, через которыйосуществлялся напуск рабочего газа, а также ввод диагностическогооборудования, снизу – металлическим фланцем D, через которыйосуществлялась откачка камеры. Общая длина источника плазмы вдоль осисоставляла 55 см.

В большинстве экспериментов фланцы А, B и D былизаземлены. Ввод ВЧ мощности осуществлялся через соленоидальныйиндуктор, расположенный на боковой поверхности ГРК на расстоянии 10-16см от фланца А. Индуктор был выполнен из полой медной проволокидиаметром 3 мм с водяным охлаждением. Измерения текущего по антеннетока I производились с помощью пояса Роговского.При условии согласования нагрузки с генератором часть ВЧ мощностиPGen , поступающей от генератора во внешнюю цепь индуктивного ВЧ разряда,расходуется на нагрев индуктора, а часть — поглощается плазмой.

МощностьPpl , вложенная в плазму, находилась путем измерения величин мощности ВЧгенератора и тока, текущего через антенну при наличии разряда и без него.Для создания внешнего аксиального магнитного поля на установкемонтировалось два электромагнита на уровне фланцев D и B. Данные магнитыпозволяли создавать в технологической камере магнитное поле, однородноена оси технологической камеры в пределах 7%-погрешности. При этом вгазоразрядной камере внешнее магнитное поле было слабо расходящимся.Для измерения эффективной температуры, концентрации электронов ипространственного потенциала использовались зонды Ленгмюра. Зондыпредставляли собой остеклованные вольфрамовые проволоки диаметром 0,69мм с длиной рабочей поверхности 6 мм. Конструкция источника плазмыпозволяла подводить зонды к исследуемой области разряда через верхний инижний фланцы.

Для измерения зондовых характеристик разряда в верхнейчасти источника (в ГРК) использовалась система зондов Г-образной формы,которые вводились в камеру через технологические отверстия в верхнемфланце А источника плазмы. Для проведения аксиальных измерений зондовыххарактеристик в нижней, технологической, камере использовались подвижныезонды Z-образной конструкции, вводимые через отверстия в нижнем фланцеD. В качестве опорного электрода в вышеописанных случаях выступалисоответственно фланцы A и D. Сигнал с зондов Ленгмюра пропускался черезфильтр для подавления ВЧ составляющей зондового напряжения.Для измерения аксиальной компоненты высокочастотных магнитныхполей в разряде (Вz) использовался миниатюрный индуктор из 25 витковдиаметром 2 мм.

Витки были выполнены из 0.3 мм медной проволоки,суммарная длина индуктора составляла порядка 8 мм. Измерение аксиальнойкомпоненты высокочастотного тока (Jz) осуществлялось с помощьюминиатюрного пояса Роговского размерами (D14xd6xH4) с 10 виткамидиаметром 4 мм, выполненными из медной проволоки диаметром 0.3 мм.