Диссертация (1024900), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

Они могут быть использованы для:- изучения влияния неоднородности поверхности катода на характеристики катодного слоя разряда, определяющие интенсивность ее распыления;- выбора оптимального рельефа поверхности катода, снижающего интенсивность его распыления при различных разрядных режимах;- оптимизации процесса нагрева катода в тлеющем разряде с целью ускорения его перехода в дуговую форму в приборах дугового разряда.Методология и методы исследования.

Экспериментальное исследованиефизических процессов, протекающих в катодном слое тлеющего разряда и наповерхности катода, во многих случаях затруднительно, поскольку толщина катодного слоя при достаточно высоких давлениях газа может составлять долимиллиметра. Поэтому в данной диссертационной работе в качестве основногометода исследования использован метод математического моделирования, который позволяет детально изучить распределение изучаемых характеристикразряда в пространстве и во времени, а также их взаимосвязь.Основные положения и результаты, выносимые на защиту:1.

Модель катодного слоя тлеющего разряда при наличии на катоде тонкой диэлектрической пленки и результаты расчетов на основе этой модели, показывающие, что полевая эмиссия электронов из металлической подложки катода может приводить к существенному уменьшению энергий бомбардирую-8щих катод частиц и эффективного коэффициента распыления материала катодав разряде.2. Модель, описывающая динамику разогрева катода с поверхностной диэлектрической пленкой в тлеющем разряде; вывод о том, что диэлектрическаяпленка может обеспечивать более быстрый переход тлеющего разряда в дуговой.3. Рассчитанные распределения плотностей потоков ионов и быстрыхатомов, а также эффективного коэффициента распыления и плотности потокараспыленных атомов вдоль искривленной поверхности металлического катодав тлеющем разряде; вывод о том, что эффективный коэффициент распыленияметаллического катода с поверхностным рельефом имеет минимальную величину на вершинах рельефа из-за преимущественной фокусировки на них низкоэнергетичных ионов, плотность же потока атомов, распыленных с поверхностикатода, достигает на вершинах рельефа максимального значения вследствиебольшей плотности потока бомбардирующих их частиц.4.

Рассчитанные распределения плотностей потоков ионов и быстрыхатомов, а также эффективного коэффициента распыления и плотности потокараспыленных атомов вдоль диэлектрической пленки переменной толщины наповерхности катода; вывод о том, что эффективный коэффициент распылениякатода с поверхностной диэлектрической пленкой переменной толщины принимает на участках с наименьшей толщиной пленки минимальные значения, апоток распыленных атомов с участков пленки с ее наименьшей толщиной имеет наибольшую величину вследствие большей плотности бомбардирующего ихионного потока, что должно приводить к увеличению неравномерности толщины пленки в процессе ее распыления и к образованию в ней пор с течениемвремени.Достоверность полученных результатов обеспечена корректной постановкой задач с использованием классических уравнений физики, применением9для их решения теоретически обоснованных методов, а также согласием результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными.Личный вклад автора.

Автор лично участвовал в постановке задач и разработке алгоритмов их численного решения, выполнил программную реализацию построенных математических моделей, провел расчеты и обработку полученных результатов, а также принимал участие в их анализе.Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы былипредставлены на 8 международных и всероссийских конференциях: XLII, XLIIIи XLIV Международных конференциях по физике взаимодействия заряженныхчастиц 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 научно-технических 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 ВАК пофизике (Известия РАН. Серия физическая, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования). Список работ приведен в конце автореферата.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключение и библиографического списка из 131 наименований. Еёобщий объем составляет 118 страниц, включая 32 рисунка и 2 таблицы.10ГЛАВА 1.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАТОДНОМ СЛОЕТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)Особенность тлеющего разряда состоит в наличии в нем тонкого катодного слоя с большой напряженностью электрического поля и падением напряжения порядка 102 В [1,8], в то время как в других частях разряда (в отрицательном свечении и положительном столбе) напряженность поля имеет намногоменьшую величину. Поэтому характеристики потоков ионов и атомов, бомбардирующих катод в разряде, определяются, главным образом, процессами, протекающими в его катодном слое.Физические процессы в катодном слое тлеющего разряда отличаютсябольшим разнообразием.

На катод из разряда поступают ионы, быстрые атомы,тепловая энергия, излучение. При этом происходит эмиссия электронов и распыление атомов вещества катода. Электроны производят возбуждение и ионизацию атомов газа. Образовавшиеся ионы создают при перезарядке каскадыбыстрых атомов. Распыленные атомы термализуются и движутся в диффузионном режиме. Часть энергии всех типов частиц переходит в тепловую энергиюгаза. Из катодного слоя разряда в его положительный столб уходят электроны,распыленные атомы, тепловая энергия и излучение, а из положительного столба поступают положительные ионы и излучение.В данной главе проанализированы имеющиеся в литературе экспериментальные данные о процессах в катодном слое тлеющего разряда, а также их существующие теоретические модели.1.1. Межчастичные взаимодействия и их макроскопическое описаниеВ катодном слое тлеющего разряда в атомарных газах присутствуют следующие главные типы частиц: электроны, ионы, быстрые атомы, образовавшиеся при перезарядке ионов, медленные или тепловые атомы (невозбужденные ивозбужденные).11Средние энергии первых трех типов частиц превосходят 1 эВ, а энергиятепловых атомов меньше 0,1 эВ.

Концентрация же быстрых частиц обычно составляет 10-6 - 10-8 от концентрации медленных атомов [1]. Поэтому медленныеатомы обычно считаются неподвижными и не учитываются столкновениябыстрых частиц между собой.При движении частицы в газе количество ее столкновений характеризуетсядлиной свободного пробега l - средним расстоянием, проходимым ею междудвумя соударениями определенного сорта. Эта величина, кроме свойств частиц,зависит от концентрации n атомов газа. Поэтому вводится величина Q , называемая вероятностью столкновений и равная числу столкновений, которые частица испытывает на 1 м своего пути в газе при давлении р = 1 торр (133,3 Па)и температуре 0°С, т.е.

l  1/ Qp . Используется также понятие эффективногосечения s  2,63  1021Q м2 , причем l  1 / ns . Сечения всех типов межчастичных взаимодействий зависят от энергии налетающей частицы e .Столкновения электронов с атомами разделяют на упругие и неупругие.Упругие столкновения происходят без изменения внутренней энергии атома.Изменение импульса электрона в таких столкновениях характеризуется транспортным сечением. При неупругих столкновениях атомы переходят в возбужденное состояние или ионизуются. Данные о сечениях возбуждения отдельныхуровней инертных газов приведены в [1].Наибольший интерес при исследовании катодного слоя разряда представляют процессы ионизации. Для их описания, наряду с микроскопическим (черезсечение), используется также макроскопический подход через ионизационныйкоэффициент a( E ) , равный числу ионизаций, которое один электрон в среднемпроизводит на единице пути, двигаясь вдоль направления электрического поляE: n  2a( E )   s i (e ) f e ( E , e ) e d e , ve ( E )  m(1.1)12где ve ( E )  2 / m  f e ( E , e) e d e - средняя или дрейфовая скорость электронов вгазе, f e ( E , e) - функция распределения электронов по энергиям, m - масса электрона, si ( e) - сечение ионизации атома электроном.Чтобы теоретически рассчитать значения a( E ) и ve ( E ) , необходимо знатьфункцию f e ( E , e) , которую можно найти из уравнения Больцмана или методомМонте-Карло [1,8].

Экспериментально полученные зависимости a( E ) в однородном поле E приведены на Рис. 1.1.a/p, 1/м·Па10110Ar1010He0.1-1100.01-210Ne0.001-3100.000110-41 010101011001021000103Е/p, В/м·ПаРис. 1.1.Экспериментальные значения коэффициента ионизациив инертных газах [9]В ряде работ предложены их аналитические аппроксимации для чистых газов вида [1]:a( E ) Bp  A exp  ,p E (1.2)значения констант А и B в которых, а также интервал их применимости приведены в Таблице 1.13Таблица 1.Значения констант А и Bв аппроксимации a( E ) для инертных газовГазА, (м·Па)-1В, В/(м·Па)E/p, В/(м·Па)He2,32515-110Ne37575-300Ar913575-450Ионы, как и электроны, могут участвовать в упругих и неупругих столкновениях с атомами.

К упругим столкновениям, кроме собственно упругого рассеяния, относят резонансную перезарядку иона на атоме того же элемента. Врезультате такой перезарядки электрон переходит от атома к иону без изменения суммарной кинетической энергии частиц, т.е. образуется быстрый атом имедленный ион. При движении иона с энергией выше 1 эВ в собственном газерезонансная перезарядка является основным упругим процессом. Зависимостьsc от e при энергиях ионов, превосходящих несколько электрон-вольт, являет-ся достаточно слабой (Рис. 1.2). Поэтому во многих случаях считают, что сечение перезарядки не зависит от энергии иона [1,9].Дрейфовая скорость ионов в газе определяется выражением [1]:vi ( E )  i ( E ) E , i ( E ) 1E2Mi f i ( E , e)ed e ,(1.3)где i ( E ) - подвижность ионов, fi ( E , e) - функция распределения ионов поэнергиям, M i - масса иона.

Характеристики

Список файлов диссертации