Диссертация (1025198), страница 10

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

Текст из файла (страница 10)

Для измерений,65полученных с помощью конфокального и атомно-силового микроскопазначение погрешности соответственно:δaaδaa==δXXδXX++δddδddX 0,12 0,1266=++= 0, 08Rx6631936(2.10)X 0, 001 0, 0015=++= 0, 04 .Rx50, 03 1024(2.11)++Погрешность измерения числа капель на подложке δ n / n складывается изпогрешности измерений размера капли δ a / a , из погрешности измерениявремени осаждения покрытия δ t / t и погрешности подсчёта количества капельδ N / N . Подсчёт количества капель проводился автоматически с ручнойкорректировкой числа капель. За погрешность подсчёта количества капельпримем погрешность программы распознавания 5 %. Итоговая погрешностьизмерения числа капель для конфокального и атомно-силового микроскопасоставляет соответственно:δnn=δnn= δa   δt   δ N  +  += a   t   N 0,522( 0, 08) +   + ( 0, 05) = 0,10 15  δa   δt   δ N  +  += a   t   N 0,52( 0, 04 ) +   + ( 0, 05) = 0, 07 15 2222222(2.12)22(2.13)Максимальная погрешность определения объёма капли δ V / V составляетсумму погрешностей определения координат δ X / X и δ Z / Z при наблюденииминимального объекта.

Для конфокального и атомно-силового микроскопапогрешность объёма составляет соответственноδVV2=⋅δXX+δZ0,12 0, 010,14= +=66 0, 07ZδVδa δZ5 ⋅10−4=2 +=⋅2 0, 08 +=0,17VaZ0, 05(2.14)(2.15)Погрешность определения массовой доли капель в покрытии δγ / γсостоит из погрешности определения числа капель в покрытии δ n / n ,погрешности определения толщины напылённой плёнки δ hK / hK и погрешностиопределения массы (объёма) капли δ V / V .

Итоговое выражение погрешностиопределения массовой доли капель:66δγ=γ2 δ n   δ hп   δ V  + + ≈ 0,17 . n   hп   V 22(2.16)Погрешность определения толщины плёнки состоит из погрешностиопределения высоты ступеньки, которая в свою очередь может быть определенаиз значения повторяемости измерений (0,5 нм на ступеньке высотой 1 мкм).Таким образом, для минимальной из полученных высот ступенек высотой30 нм погрешность измерения толщины покрытий составляет 0,5 / 30 = 0, 017 ,что соответствует 1,7 %.Неравномерность распределения капель по подложке была учтена путёмпроведения большого количества измерений ввиду того, что неравномерностьраспределения капель носит вероятностный характер.Максимальная погрешность измерения скорости эрозии δ m / m состоит изквадратической суммы независимых величин погрешности измерения массыкатода δ m / m , погрешности измерения времени работы δ t / t и погрешностиустановки тока разряда δ I / I :δ mm= δm   δt   δ I  +  + = m   t   I 2222 10−3   0,5   4  + + = 0, 040 600   300   100 22(2.17)67ГЛАВА 3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯАРОЧНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ3.1.Исследованиевлияния арочного магнитногополя навольт-амперные характеристики вакуумно-дугового разрядаВ плазме вакуумно-дугового разряда степень ионизации составляетпрактически 100 %. Потом даже слабые магнитные поля (порядка 0,2 мТл)могут оказывать заметное влияние на вольт-амперные характеристики дуговогоразряда[127].Проведениеисследованиявлиянияиндукцииарочногомагнитного поля на напряжение разряда необходимо при проектированиииспарителей и источников питания к ним. При этом повышение напряженияразряда увеличивает температуру электронов и может способствовать нагреву ииспарению капель в плазме разряда.Исследования вольт-амперных характеристик разряда проводилось притоке от 80 А до 140 А для двух случаев: с арочным магнитным полем и срасходящимся магнитным полем.

Индукция арочного магнитного поляизменялась от 0 до 20 мТл для обоих вариантов.На Рисунке 3.1 приведены вольт-амперные характеристики вакуумнодугового разряда при различных значениях индукции магнитного поля для двухконфигураций магнитного поля: расходящегося и арочного магнитного поля.Материал катода – титан ВТ1-0. Величина индукции расходящегося магнитногоизмерялась в центре рабочей поверхности нового, неэродированного катода.Без магнитного поля и при малых величинах индукции магнитного поля вольтамперная характеристика разряда является возрастающей. При увеличениииндукции вольт-амперная характеристика разряда становится падающей.Переход вольт-амперной характеристики от растущей к падающей дляарочного магнитного поля и для расходящегося соответственно происходитпри значениях индукции магнитного поля 6,5 и 4,4 мТл.

Подобный эффект ненаблюдался в работе [15], возможно, ввиду того, что индукция арочного68магнитного поля имела меньшие значения и было большее давление ввакуумной камере.абРисунок 3.1.Вольт-амперные характеристики вакуумного дугового разрядаа – расходящееся магнитное поле; б – арочное магнитное полеНа Рисунке 3.2.а показаны напряжения разряда при фиксированном токеразряда для расходящегося и арочного магнитного поля на титановом катодепри различных индукциях магнитного поля.

Напряжение разряда приувеличении индукции линейно возрастает магнитного поля от 0 до 20 мТл. Варочном магнитном поле увеличение напряжения разряда больше, чем прирасходящейся конфигурации. Так в арочном магнитном поле увеличениемагнитного поля от 0 до 20 мТл приводит к увеличению напряжения с 18,5 до37 В, в то время как в расходящимся магнитном поля аналогичное увеличениеиндукции поля вызывает увеличение напряжения разряда с 18,5 до 24,3 В, в товремя, как.

Дальнейшее увеличение индукции и, соответственно, напряженияразряда (до 37 В) приводило к нестабильной работе испарителя и частомугашению дугового разряда. Подобный эффект связан с характеристикамиисточника питания.69Вольт-амперныехарактеристикидуговогоразрядаизависимостинапряжения разряда от индукции арочного магнитного поля для различныхматериалов катода приведены на Рисунке 3.3.абРисунок 3.2.Влияние индукции магнитного поля на поверхности катода на напряжениеразрядаа – осесимметричное расходящееся магнитное поле; б – арочное магнитноеполеНапряжение вакуумно-дугового разряда состоит из трёх компонент:катодное падение потенциала, анодное падение и падение потенциала вположительном столбе [128].

Анодом разряда является вакуумная камера.Учитывая, высокую плотность плазмы в катодном пятне умеренные, магнитныеполя не должны существенно влиять на величину катодного падения. Ванодной области влиянием магнитного поля можно пренебречь, так какмагнитные поля там практически отсутствуют. Таким образом, примем, чтомагнитное поле влияет на падение напряжения только в положительном столбедуги.Особенностью вакуумно-дугового разряда с холодным катодом являетсязаполняющая разрядный промежуток металлическая плазма со степеньюионизации близкой к 100 % [42]. В этом случае определяющими в плазмеявляются электрон-ионные кулоновские столкновения, а проводимость плазмы70абвРисунок 3.3.Вольт амперные зарактеристики дугового разряда (слева) и влияние арочногомагнитного поля на напряжение разряда (справа) для различных материаловкатодаа – алюминий; б – медь; в – кремний71σ0, в соответствии с формулой Спитцера, определяется большей частьютемпературой электронов и их концентрацией [129].

Таким образом, вольтамперная характеристика разряда должна быть растущей и линейной, чтоэкспериментально наблюдается при нулевой индукции магнитного поля.При наличии арочного магнитного поля электроны движутся в большейстепени поперёк магнитных силовых линий, что приводит к снижениюпроводимости плазмы. Этот параметр для электронной проводимостихарактеризуется электронным параметром Холла βe:=σ⊥σσ00=1 + β e2 1 + ωe2τ e2 ,(3.1)где ωe – электронная циклотронная частота, τe – среднее время междусоударениями электронов.Разделим столб дуги на два участка: прикатодный участок длиной Lк, гдесущественно влияние магнитного поля, и прианодный участок длиной Lа, гдевлиянием магнитного поля можно пренебречь (Рисунок 3.4).

Таким образом,для напряжения U и тока разряда I справедливо выражение:U = Eк Lк + Eа Lа =jкσ⊥Lк +jaσ0Lа =IS кσ ⊥Lк +IS аσ 0Lа = (LкS кσ ⊥+Lа)IS аσ 0 ,где Sк, Sа – площадь поперечного сечения положительного столба,(3.2)jк, jа –плотность тока, Ек, Еа – напряжённость электрического поля на этих участках.абРисунок 3.4.Эквивалентные электрические схемы дугового разряда с магнитным полема – арочное магнитное поле; б – расходящееся магнитное полеИз совместного решения (3.2) и (3.1) получаем:72U=((1 + ωe2τ e2 )LLк+ а )IS кσ 0 S аσ 0(3.3)Циклотронную частоту и среднее время между электрон-ионнымисоударениями можно рассчитать, как:ωe =1eB, τe =,ne σ eiυeme(3.4)где e и me – электронный заряд и масса, υe – электронная скорость, B – величинаиндукции магнитного поля, σei – сечение электрон-ионных кулоновскихстолкновений, ne – концентрация плазмы.Выражение (3.3) после подстановки в него принимает вид (3.4):lB   eB11 + U=σ 0 S B   me ne σ eiυe 2lI +I σ 0S.(3.5)Степень ионизации плазмы в положительном столбе блика к 100 %, аразряд горит в парах материала катода.

Скорость испарения материала катодаопределяется скоростью эрозииmи разрядным током I:dm .= mIdt(3.6)При небольших индукциях магнитного поля, его влиянием на движениеионов можно пренебречь. Параметр Холла для электронов мал, а концентрацияэлектроноввприкатоднойобластихарактеризуетсякоэффициентомамбиполярной диффузии Da, значение которого примерно соответствуеткоэффициенту диффузии ионов плазмы. Число ионов эмитируемых из катоднойобласти в межэлектродный зазор dN/dt должно быть равно числу ионовпокидающих прикатодную область ввиду распада плазмы со скоростьюдиффузии:dN= Sn=SDa∇neevdt,(3.7)где ne – концентрация электронов, S – площадь столба дуги.Учитывая (3.6), можно записать:dN mI= = SDa ∇ne ,dt M(3.8)73где М - массе атома материала катода.Для двумерного стационарного случая генератора плазмы решениемуравнения диффузии можно считать линейную функцию [129], и градиентконцентрации плазмы можно представить, как ∇n =ne / L , где ne – концентрацияэлектронов в прикатодной области, L – длина межэлектродного зазора.

Характеристики

Список файлов диссертации