Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧ индуктивные источники плазмы низкого давления (1097821), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Однако, при выполнении неравенства(5) Ppl зависит не только от мощности ВЧ генератора, но и от величины эквивалентногосопротивления плазмы, которое в свою очередь зависит от параметров плазмы и условийееподдержания.Этоприводиткпоявлениюновыхэффектов,связанныхссамосогласованным перераспределением мощности во внешней цепи ВЧ генератора.Положение усложняется тем, что в индуктивном ВЧ разряде существует еще один каналввода ВЧ мощности в плазму, связанный с наличием паразитных емкостей между виткамиантенны, а также между антенной и плазмой.

Наличие паразитных емкостей междуантенной и плазмой сопровождается, во-первых, изменением тока, текущего черезантенну, а, во-вторых, изменением параметров плазмы, в свою очередь определяющихэквивалентное сопротивление плазмы и долю мощности, поступающую в плазму черезиндуктивный канал.

До начала работы автора диссертации закономерности энерговклада вплазму разряда, горящего в режиме (5), тем более при наличии емкостной составляющейразряда, были мало изучены. Однако, по мнению автора, неравенство (5) выделяет областьсуществования индуктивного ВЧ разряда, представляющую самостоятельный интерес.Это связано с тем, что, во-первых, самосогласованный характер перераспределениямощности между плазмой и антенной приводит к появлению целого ряда уникальныхфизических эффектов, характерных только для этой формы разряда, а, во-вторых,закономерности изменения параметров плазмы при условии (5) несут в себе богатейшуюинформацию о механизмах поглощения ВЧ мощности плазмой. Указанные соображенияопределили основной предмет многолетних исследований автора диссертации.Свойства индуктивного ВЧ разряда изучались как экспериментально, так и спомощью математического моделирования, которое базировалось на самосогласованноймодели разряда.

Самосогласованная модель разряда основана на уравнениях балансачисла заряженных и нейтральных частиц в разряде, уравнении баланса мощности,уравнении квазинейтральности,уравнении (4), описывающего баланс мощности вовнешней цепи ВЧ генератора, и выражениях для эквивалентного сопротивления плазмы,полученных в теоретических работах А.А.Рухадзе и др. Численные расчеты выполнены впредположении о пропорциональности плотности плазмы мощности, поглощеннойплазмой.Во второй главе диссертации выполнен обзор литературы по исследованиюпроникновения ВЧ полей в плазму, особенностей поглощения мощности плазмойиндуктивного ВЧ разряда без магнитного поля,а также излагаются результатысистематического изучения поглощения ВЧ мощности плазмой, выполненного какэкспериментально, так и с помощью численного моделирования.На рис.1 собраны экспериментальные значения эквивалентного сопротивленияплазмы индуктивного ВЧ разряда, полученные в экспериментах с источниками плазмыразличных размеровпри давлении аргона, близком к 2мТор.

Разряд возбуждалсяспиральными антеннами, расположенными на боковой или торцевой поверхностиисточников плазмы. В качестве независимой переменной по оси абсцисс отложенамощность Ppl, поглощенная плазмой. Естественно предположить, что плотность плазмы neпропорциональна Ppl, однако, следует отметить, что для различных источников плазмыкоэффициенты пропорциональности между Ppl и ne будут различаться. Как видно, общейтенденцией поведения эквивалентного сопротивления является рост значений R pl вобласти относительно небольших значений вложенной мощности, а затем насыщениезависимости.RPl (Ом)11Ar, 2мТор0.1020406080 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340PPl (Вт)Рис.1.

Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы RPl от величины ВЧ мощностиPPl , поглощенной плазмой при условии возбуждения разряда спиральными антеннами,расположенными на боковой и торцевой поверхности источника плазмы. Аргон, 2мТор.Источник плазмы радиуса R=7.5см с “торцевой” антенной: □ – L=10см, ○ – L=15см, ▲ –L=20см, с “боковой” антенной ▼ – L=10см, ■ – L=20см. Источник плазмы радиуса R=11смс «торцевой» антенной * – L=20см, с “боковой” антенной × – L=20см; 1 – данные работыВ.Годяка, полученные с источников плазмы R=10см с «торцевой» антенной, аргон 1мТор.На рис. 2 показаны зависимости эквивалентного сопротивления плазмы отконцентрации электронов для разрядов, возбуждаемых торцевой и боковой спиральнымиантеннами. Расчеты были выполнены по фомулам, полученным А.А.Рухадзе и др.

Изрис.2 видно, что эквивалентное сопротивление плазмы немонотонно изменяется с ростомплотности плазмы: в области малых плотностей плазмы ne значения Rpl растут пропорциональноRpl (Ом)ne, затем проходят через максимум и медленно убывают, как ne−1 3 в области больших ne.1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0торцевая антеннаРис.2. Зависимость эквивалентного сопротивленияплазмы от концентрации электронов для случаеввозбуждения разряда с помощью торцевой ибоковой спиральных антенн. R=7.5cм, L=5cм,аргон p=1мТор, Te=5эВ.боковая антенна101011121010-3ne (см )1310При низких давлениях область малых концентраций электронов соответствуетслучаю слабой пространственной дисперсии, поэтому зависимость Rpl(ne) хорошоаппроксимируетсядиэлектрическойрасчетами,выполненнымипроницаемости,полученнымсиспользованиемдлясредыбезвыражениядляпространственнойдисперсии.

Напротив, в области высоких концентраций электронов, когда преобладаетбесстолкновительное поглощение, т.е. в области аномального скин-эффекта, зависимостьRpl(ne) близка к полученной для сред с сильной пространственной дисперсией. В целом женемонотонная зависимость эквивалентного сопротивления от плотности плазмы объясняетсяконкуренцией двух факторов: с одной стороны, поглощение ВЧ мощности растет с ростомконцентрации электронов, с другой стороны, глубина скин-слоя, определяющая ширину областипоглощения ВЧ мощности, убывает с ростом ne.Теоретическая модель источника плазмы, возбуждаемого спиральной антенной,расположенной на его верхней торцевой поверхности, разработанная в работах А.А.Рухадзе и др.,предсказывает отсутствие зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от длиныисточника плазмы при условии, что глубина скин-слоя меньше, чем длина источника плазмы.Физически этот результат очевиден, т.к.

поглощение ВЧ мощности происходит в пределах скинслоя. Напротив, в случае расположения антенны на боковой поверхности источников увеличениедлины источника, сопровождающееся одновременным увеличением длины антенны приводит кувеличению области, где происходит поглощение ВЧ мощности, т.е. к «удлинению» скин слоя,поэтому в случае боковой антенны эквивалентное сопротивление растет с длиной источника вобласти возрастания эквивалентного сопротивления.Эксперименты и расчеты показали, что при низких давлениях абсолютныезначения эквивалентного сопротивления плазмы невелики.

Увеличение давления рабочегогаза приводит к существенному повышению эквивалентного сопротивления. Физическаяпричина увеличения способности плазмы поглощать ВЧ мощность с ростом давлениялежит в механизме поглощения ВЧ мощности. Расчеты показали, что при минимальномиз рассмотренных давлений p=0.1мТор подавляющим является черенковский механизмдиссипации. Электрон-атомные столкновения практически не оказывают влияния навеличины эквивалентного сопротивления, а электрон-ионные столкновения приводятлишь к незначительному повышению эквивалентного сопротивления при ne>3·1011cm-3.Увеличение давления, т.е. частоты электрон-атомных столкновений, приводит к ростуэквивалентного сопротивления за счет повышения роли столкновительного механизмапоглощения ВЧ мощности.В третьей главе диссертации выполнен обзор литературы по исследованиюпроникновения ВЧ полей в плазму, особенностей поглощения мощности плазмойиндуктивного ВЧ разряда при наличии магнитного поля, а также излагаются результатысистематического изучения поглощения ВЧ мощности плазмой, выполненного какэкспериментально, так и с помощью численного моделирования.В экспериментах определялись зависимости эквивалентного сопротивления плазмыотвеличины магнитного поля, полученные при фиксированной вложенной в плазмумощности.

Эксперименты были выполнены с источниками плазмы, оснащеннымиспиральными антеннами, расположенными на боковой и торцевой поверхностяхисточников, а также антеннами NagoyaIII. Для рабочей частоты 13.56МГц областьмагнитных полей B≈0.4-1мТл соответствует условиям электронного циклотронногорезонанса(ЭЦР),аобластьB>1мТл–условиямвозбуждениягеликоновиквазипродольных волн.При низких давлениях рабочего газа (p ≤ 5мТор), как видно из рис.3, эквивалентноесопротивление плазмы без магнитного поля существенно меньше по величине, чем в«геликонной» области.

Характеристики

Список файлов диссертации