Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧ индуктивные источники плазмы низкого давления (1097821), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Сформулированы рекомендации по выбору оптимальной схемы рабочего процесса висточниках плазмы в зависимости от назначения и необходимых условий его работы.8. Разработаны перспективные модели источников ионов для космических и наземныхтехнологий.Достоверностьполученныхрезультатов.Экспериментальныерезультатыполучены на различных экспериментальных установках с привлечением там, где этовозможно, нескольких независимых диагностических методик. Полученные результатысопоставлены с результатами других групп исследователей. Выполнено численноемоделирование параметров разряда, которые сопоставлены с экспериментом.
Этопозволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.Практическая значимость работыПолученные результаты могут служить:•дляобъясненияфизическихособенностейпространственноограниченногоиндуктивного ВЧ разряда низкого давления и построения полной физическоймодели такого разряда;•дают возможность оценить влияние внешней цепи индктивного ВЧ разряда и егоемкостной составляющей на параметры плазмы;•являются научной базой при конструировании и выборе оптимальных режимовтехнологических источников плазмы низкого давления.Результаты исследований могут быть использованы в следующих организациях: МАИ,МИРЭА, МВТУ им.
Э.Баумана, ИВТ РАН, ИОФ РАН, ФТИ им. А.Ф. Иоффе,ЦНИИМаш’е и ряде других.Апробация работы. Основные результаты были представлены на научныхсеминарах кафедры физической электроники, Московского авиационного института, ИОФРАН, университета г.Орлеан (Франция), университета г. Гиссен (Германия), Корейскогоинститута науки и технологии, фирмы PROEL (Италия), доложены и обсуждены на рядемеждународных и национальных конференций, в том числе:на Bсесоюзной научно-технической конференции "Методы диагностики двухфазных иpeaгирующих потоков".
Алушта, 1988; на Международных конференциях по явлениям вионизованных газах (XIX – Belgrade, 1989, XXI – Hoboken USA, 1995, XXIII – ToulouseFrance, 1997, XXV – Nagoya, Japan, 2001, XXVIII – Prague, Czech Republic, 2007), наЕвропейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов –ESCAMPIG (XI – St.-Peterburg 1992, XV – Hungary 2000 ), на Международнойконференции по физике плазмы и плазменным технологиям (IV- Minsk, Belarus 2003, V Minsk, Belarus2006), на Международных конференциях по электрореактивнымдвигателям (XXIV – Moscow 1995, XXIX – Princeton 2005), на Ломоносовских чтениях пофизике на физическом факультете МГУ (2003), на Международных (Звенигородских)конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород,Россия, 2001, 2003, 2008), Х Конференции по физике газового разряда.
(Рязань 2000),Российской конференции по физической электронике (Махачкала, 2003).Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 статей в реферируемыхжурналах, 29 докладов в трудах международных конференций, 9 тезисов докладов наконференциях, получено 4 патента. Список основных публикаций приведен в концедиссертации.Личный вклад автора. Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве ивошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором по всем разделам работыопределена постановка задач, обоснованы и разработаны методики исследований.
Принепосредственномучастииавторабылисозданыэкспериментальныеустановки,проведены экспериментальные исследования и обработка полученных результатов.Автором выполнена постановка задач для численных расчетов, выполнен большой объемвычислений и проведено сопоставление их результатов с экспериментом. На основанииполученных данных автором сформулированы и обоснованы выводы диссертации.Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 301странице машинописного текста. Работа состоит из введения, 7 глав и заключения, вкотором сформулированы основные выводы. Список цитируемой литературы содержит144 наименования. Диссертация содержит 198 рисунков.II.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели изадачи исследования, показаны новизна, научная и практическая значимость работы,изложены основные выносимые на защиту положения, приведены сведения об апробацииработы и публикациях.В первой главе диссертации рассмотрены способы получения индуктивного ВЧразряда, основные типы источников плазмы, использующие разряд в качестве рабочегопроцесса, понятие эквивалентного сопротивления плазмы индуктивного разряда и балансмощности во внешней цепи генератора, сформулирована самосогласованная модельиндуктивного ВЧ разряда низкого давления и описаны основные экспериментальныеметодики, использованные в работе.Индуктивный ВЧ разряд - это разряд, возбуждаемый током, текущим по индуктору,расположенному на боковой или торцевой поверхности, как правило, цилиндрическогоисточника плазмы. В настоящее время известны источники плазмы, принцип действиякоторых основан на индуктивном ВЧ разряде без магнитного поля, а также наиндуктивном ВЧ разряде, помещенном во внешнее магнитное поле с индукцией,соответствующей условиям электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) или условиямвозбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн.
Какправило, радиус r ВЧ источников плазмы составляет величину 2 – 25см, длина L – от 3смдо 50см. Диапазон изменения плотности плазмы ne~1⋅1010 – 3⋅1012см-3 при температуреэлектронов Te ~ 3 – 8эВ (3⋅104 – 9⋅104Кo). Давление нейтрального газа p в источниках (заисключением источников света) изменяется от 0.1 до 10мТор. Магнитные поляизменяются от 0 до 1кГс. Рабочая частота лежит в диапазоне 1 – 100МГц.
Указанныйдиапазон параметров плазмы определил область исследований, выполненных в настоящейдиссертации. Наибольшее число данных в работе получено для рабочей частоты13.56МГц. При рассмотренных условиях длина свободного пробега электронов большехарактерного размера источника плазмы, частота столкновений электронов ν приотносительно небольших плотностях плазмы определяется частотой электрон – атомныхстолкновений νea, частота электрон-ионных столкновений νei становится существеннойлишь при плотности ne, превышающей 1012cm-3.
Величина kVTe, характеризующаячеренковское поглощение (k –волновой вектор, VTe – тепловая скорость электронов),близка по величине к частоте электрон-атомных столкновений. Таким образом, вклад впоглощение ВЧ мощности вносят как столкновительный, так и черенковский механизмы.Центральным вопросом физики индуктивного разряда низкого давления являетсявопрос о механизмах и эффективности поглощения ВЧ мощности плазмой. Рассмотримвыражение для величины ВЧ мощности, поглощаемой плазмой:RPpl =[)]2Lω22r ε′⊥′ Er + ε′⊥′ Eϕ + ε′||′ E z + g ′′ Eϕ Er* − Er Eϕ* dr ,∫4 0((1)где Eϕ, Er, Ez азимутальная, радиальная и продольная компоненты ВЧ электрическогополя в плазме, ε′⊥′ ε′||′ g ′′ – мнимые части компонентов тензора диэлектрическойпроницаемости плазмы. Интегрирование ведется по всему объему плазмы.
В индуктивномразряде ВЧ электрические поля пропорциональны току, текущему в антенне, поэтомууравнение (1) можно переписать в виде:Ppl =1R pl I 2 ,2(2)где коэффициент пропорциональности Rpl между вложенной мощностью и квадратом токачерез антенну имеет размерность сопротивления и зависит только от свойств плазмы.Используя аналогию между формулой (2) и выражением для мощности, поглощеннойплазмой, полученным на основании трансформаторной модели индуктивного разряда,целесообразно назвать Rpl эквивалентным сопротивлением плазмы.
Из формул (1) и (2)видно, что физический смысл эквивалентного сопротивления плазмы состоит в том, чтооно является мерой способности плазмы поглощать ВЧ мощность. Его величина зависиткак от закономерностей проникновения полей в плазму, так и от механизма поглощениямощности, т.е. определяется основными фундаментальными свойствами плазмыиндуктивного разряда.В индуктивном ВЧ разряде мощности генератора делится между двумя нагрузками:плазмой и антенной, обладающей активным сопротивлением Rant. При этом выражениедля баланса мощности во внешней цепи генератора принимает вид:PGen = PAnt + PPlPGen =(3)1 2I (R Ant + RPl )2(4)где I – ток, текущий через антенну.
Ранее в подавляющем числе работ apriori полагалось,что в условиях экспериментов эквивалентное сопротивление плазмы существенно большесопротивления антенны и свойства плазмы определяются мощностью ВЧ генератора,полностью поглощаемой плазмой. В середине 90х годов В.Годяк с сотрудникамипоказали, что при низких давлениях в разрядах потери мощности в антенне становятсясущественными. Очевидно, что при условииRpl≤Rant(5)поведение индуктивного ВЧ разряда кардинально изменяется. Параметры плазмыопределяются мощностью, вложенной в плазму Ppl.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
