Автореферат диссертации (1024899), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Автор лично участвовал в постановке задач иразработке алгоритмов их численного решения, выполнил программную реализацию построенных математических моделей, провел расчеты и обработкуполученных результатов, а также принимал участие в их анализе.Апробация работы. Основные результаты диссертационной работыбыли представлены на 8 международных и всероссийских конференциях:XLII, XLIII и XLIV Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2012 г., 2013 г., 2014 г.),XXI и XXII Международных конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Ярославль, 2013 г., Москва, 2015 г.), Всероссийских научнотехнических конференциях «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Калуга, 2012 г.,2013 г., 2014 г.)Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в томчисле 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах из Перечня ВАКпо физике (Известия РАН. Серия физическая, Поверхность. Рентгеновские,синхротронные и нейтронные исследования). Список работ приведен в концеавтореферата.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,пяти глав, заключения и библиографического списка из 131 наименования.Её общий объем составляет 118 страниц, включая 32 рисунка и 2 таблицы.4ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность темы работы, сформулированыее цель и задачи, указаны научная новизна и практическая значимость результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.В первой главе проанализированы основные физические процессы,протекающие на катоде и в катодном слое тлеющего разряда, а также их существующие математические модели.Во второй главе исследовано влияние наличия на поверхности катодатонкой диэлектрической пленки толщиной порядка 10 нм на характеристикикатодного слоя тлеющего разряда и распыление катода.В первом разделе сформулирована модель катодного слоя разряда,учитывающая, что при протекании в нем тока происходит бомбардировка катода ионами, плотность тока которых равна ji .

При этом с его поверхностипроисходит ионно-электронная эмиссия электронов с плотностью токаje i   i ji , где  i - коэффициент ионно-электронной эмиссии. В результате,на поверхности пленки накапливается положительный заряд, создающий впленке электрическое поле с напряженностью E f , и при достижении ею величины порядка 109 В/м начинается полевая эмиссия (называемая также автоэмиссией) электронов из металлической подложки в пленку, плотность тока которой ja определяется формулой Фаулера – Нордгейма. Эмиттированные электроны, достигая внешней границы пленки, нейтрализуют поверхностный заряд, а их доля  f выходит из пленки, создавая дополнительныйэлектронный ток с плотностью je a   f ja . Величина  f в условиях, характерных для тлеющего разряда низкого давления, имеет порядок 10-1 и прималых толщинах пленки она растет с увеличением H f .

Это объясняется увеличением энергий электронов на внешней границе пленки, что обусловливает возрастание вероятности их выхода из нее. В результате, плотность полного электронного тока с поверхности катода равна je  je i  je a   s ji , где s  i   a - эффективный коэффициент электронной эмиссии катода, в котором  a  je a ji .

Следовательно, плотность разрядного тока равнаj  ji  je  (1   s )ji , а напряженность электрического поля E f в пленке вустановившемся режиме разряда определяется из условия равенства полнойплотности тока на поверхности пленки и плотности тока полевой эмиссии изподложки j  ja . Модель включает также условие поддержания разряда, следующее из уравнения переноса ионов выражение для плотности ионного тока у катода, а также учитывает, что напряженность электрического поля E вкатодном слое линейно убывает с удалением от катода.

В результате сформулирована система нелинейных уравнений, позволяющая рассчитать катодное падение потенциала разряда U c и длину катодного слоя разряда dc призаданной плотности разрядного тока j .5Во втором разделе разработан алгоритм численного решения полученной системы с использованием итерационных процедур.В третьем разделе записаны выражения для функций распределения поэнергиям потоков ионов и быстрых атомов, бомбардирующих поверхностькатода в разряде, fi (dc , e) и f a (dc , e) . С их использованием найдены соотношения для эффективных (усредненных по энергиям бомбардирующих частиц) коэффициентов распыления катода ионами и быстрыми атомами Yi иYa , а также полный эффективный коэффициент распыления Yt , равный среднему числу атомов катода, распыляемых в расчете на один падающий на негоион, в который вносят вклад как сами ионы, так и образующиеся при их перезарядке быстрые атомы.В четвертом разделе приведены результаты расчетов для разряда в аргоне с катодом из вольфрама с монослоем оксида бария на поверхности (т.е.при отсутствии оксидной пленки) и при наличии пленки оксида бария.Найденные зависимости U c  j  для катода без оксидной пленки на поверхности согласуются с результатами, полученными в работе Phelps A.V.// Plasma Sources Sci.

Technol. 2001. V. 10, № 2. P. 329 с использованием модели, основанной на использовании метода статистического моделированияМонте-Карло, что подтверждает удовлетворительную точность данной аналитической модели при значениях отношения j p 2 порядка 1 мА/м2Па2, гдеp - давление рабочего газа.Рассчитанные зависимости U cUc , В40012330020010000,511,5j/p2,мА/м2·Па2Рис.

1.Зависимость катодного падениянапряжения U c от плотности разрядного тока j при H f = 0 нм (1),H f = 10 нм (2), H f = 20 нм (3) иот j p 2 при различных значенияхтолщины H f оксидной пленки накатоде изображены на Рис. 1. Из него видно, что увеличение H f приводит к заметному снижению катодного падения напряжения U c изза роста эффективного коэффициента ионно-электронной эмиссии катода  s , обусловленного увеличением вклада в него электронов, эмитированных из подложки под действием существующего в пленке поля(вследствие возрастания коэффициента  f ). Величина такого сниже-ния возрастает с уменьшением  i ,т.е.

при ухудшении эмиссионныхi  0,05 ,  f  0,01E f H fсвойств материала катода. Это приводит к уменьшению энергий ионов и быстрых атомов, бомбардирующих катод, причем, при уменьшении коэффициента ионно-электронной эмиссии и6увеличении плотности разрядноготока энергии бомбардирующих ка, отн. ед.0,00353,5тод частиц существенно возрастают0,0033,0из-за обусловленного этим увелиt0,00252,5чения U c .0,0022,0Вычисленный эффективный0,00151,5коэффициент распыления катода Yt ,0,0011,00,00050,5а также его ионная и атомная со00ставляющие Yi и Ya , как функции0,51,51плотности разрядного тока j , приj/p2, мА/м2·Па2ведены на Рис.

2, из которого следует, что при увеличении j и обуРис. 2.Зависимость эффективного коэффи- словленном этим увеличении U c иэнергий бомбардирующих катод чациента распыления катода Yt и егостиц происходит быстрый рост эфионной и атомной составляющих Yiфективного коэффициента распыи Ya от плотности разрядного тока jления и его компонент из-за возраспри  i = 0,05.тания энергий ионов и атомов.

Приэтом присутствие на катоде оксидСплошные линии – H f = 10 нм,ной пленки заметно уменьшает егоштриховые – H f = 0величину (примерно на 20% в случае H f =10 нм), что должно приводить к снижению интенсивности распыления катода и, соответственно, к увеличению его долговечности.В третьей главе исследовано влияние тонкой диэлектрической пленкина поверхности катода на динамику разогрева катода в тлеющем разряде иего переход в дуговой разряд.В первом разделе сформулирована нестационарная модель катодногослоя разряда, в которой, наряду с ионно-электронной и полевой эмиссией,учитывается также термоэмиссия электронов с катода, возникающая при егонагреве до температуры порядка 103 К, плотность тока которой je t определяется формулой Ричардсона-Дэшмана.

Плотность электронного тока с поверхности катода при этом равна je  je i  je a  je t   s ji , где  s  i   a  t- эффективный коэффициент электронной эмиссии катода, в котором t  je t ji , а плотность разрядного тока равна j  ji  je  (1   s ) ji . Изменение температуры катода Tc с течением времени определяется нестационарным уравнением его теплового баланса, а уменьшение концентрации рабочего газа в катодном слое разряда в результате его нагрева учитывается путемвведения эффективного давления p согласно соотношению p  p0T0 / Tc , гдеp0 - давление газа при начальной температуре T0 .

Эти соотношения вместе суравнениями для характеристик катодного слоя разряда образуют нелинейную нестационарную систему уравнений, позволяющую рассчитать измене7ние температуры катода и характеристик катодного слоя в течение временигорения тлеющего разряда до его перехода в дуговой разряд.Во втором разделе разработан алгоритм численного решения полученной системы, состоящий в том, что на каждом достаточно малом шаге повремени с использованием алгоритма, описанного в главе 2, находится решение уравнений катодного слоя разряда, после чего из уравнения тепловогобаланса вычисляется температура катода на следующем шаге.

Характеристики

Список файлов диссертации