Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧ индуктивные источники плазмы низкого давления (1097821), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Величины Rpl, полученные для области ЭЦР, занимаютпромежуточное положение, причем здесь эквивалентное сопротивление монотонноувеличивается с магнитным полем. Для «геликонной» области характерна немонотоннаязависимость эквивалентного сопротивления от магнитного поля, причем немонотонностьRpl(B) в случае торцевой спиральной антенны и антенны NagoyaIII выражена значительносильнее, чем в случае боковой спиральной антенны. Положение и количество локальныхмаксимумов зависимости Rpl(B) зависят от вложенной ВЧ мощности, длины и радиусаисточника плазмы, рода газа и его давления.Увеличение вкладываемой мощности, т.е. концентрации электронов ne, приводит кросту эквивалентного сопротивления и смещению основного максимума функции Rpl(B) вобласть больших магнитных полей, а в ряде случаев и к появлению дополнительныхлокальных максимумов.
Сходный эффект наблюдается и при увеличении длиныисточника плазмы.Рост давления в диапазоне 2-5мТор не приводит к существенным изменениямхарактеразависимостиRpl(B),однакопридавлениях,превышающих10мТор,немонотонность зависимости эквивалентного сопротивления от магнитного поля исчезает,абсолютные значения эквивалентного сопротивления падают и становятся меньшезначений, полученных без магнитного поля.RPl (Ом)12108642086Боковая спиральArТорцевая спиральArАнтенна NagoyaIIIAr4201.20.80.40.001234B (мТл)56Рис.3. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от величины внешнегомагнитного поля при различных мощностях, вложенных в плазму аргона при давлении5мТор. R=7.5см, L=20см.
Квадраты –100Вт, кружки – 150Вт, треугольники кверху и книзу200 и 250Вт соответственно. Пунктиром помечены положения срыва разряда.Эффектсущественногоувеличенияплотностиплазмынизкогодавления,помещенной во внешнее магнитное поле, впервые был обнаружен Р. Босвеллом и егоколлегами в 1970 г. при изучении прохождения волн в плазме в диапазоне частот 7 –100МГц.
Анализируя физические причины повышения плотности плазмы, Ф. Ченпредположил, что поглощение ВЧ мощности происходит вследствие нелинейногочеренковского поглощения мощности бегущей геликоновой волны.Другой подход к проблеме был предложен в работах, выполненных при участииавтора диссертации. Известно, что в случае пространственно неограниченной плазмы приусловииΩi << ωLi ≤ ω, VTe /R, VTe /L << Ωe << ωLe(6)возможно возбуждение независимых поперечной геликонной и продольной косойленгмюровскойволн,онипредставляютсобойсобственныемодыколебанийзамагниченной плазмы. В выражении (6) ωLi , ωLe – ленгмюровские частоты ионов иэлектроновсзаданнымиплотностямиniиneсоответственно,ω–частотавысокочастотного поля накачки, VTe – тепловая скорость электронов, Ωe,i – ларморовскиечастоты вращения электронов и ионов в однородном аксиальном магнитном поле B.
Вслучаепространственноограниченнойплазмыситуацияменяется:ВЧполя,индуцируемые в плазме, представляют собой суперпозицию двух связанных между собойрешений. Расчеты показали, что существует ограниченная область параметров плазмы изначений магнитного поля, при которых ВЧ поля, соответствующие двум связаннымрешениям, проникают в объем плазмы.
Область существования объемных полей сужаетсяпри уменьшении длины источника плазмы и с ростом давления рабочего газа.В области проникновения ВЧ полей двух решений в объем плазмы при выполненииусловий (6) одно решение можно сопоставить с геликоноподобной волной, а второе – сквазипродольной косой ленгмюровской волной. Таким образом, в пространственноограниченнойплазмевозможновозбуждениетолькосвязанныхмеждусобойгеликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Этот вывод имеетпринципиальное значение для понимания механизма поглощения ВЧ мощности плазмойпри условиях (6).Математическоемоделированиедаетвозможностьпроанализироватьпоотдельности вклад геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн впоглощение ВЧ мощности плазмой. Расчеты показали (см.
рис.4а), что в случаевозбуждения разряда азимутальным током, текущим по боковой поверхности источника,при концентрации электронов 1011см-3 и меньше основной вклад в поглощение вноситкосаяленгмюровскаяволна.Будучиквазипродольнойволной,еепоглощениеопределяется главным образом бесстолкновительным черенковским механизмом. Сростом концентрации электронов (см.
рис.4б) вклад геликонов в поглощение в областимагнитных полей, не превышающих 200Гс, сравним с вкладом косой ленгмюровскойволны. В области более высоких магнитных полей поглощение косой ленгмюровскойволны доминирует всюду кроме узких областей, где амплитуда косой ленгмюровскойволны имеет локальные минимумы. При условии, что разряд возбуждается антенной,создающей на поверхности источника плазмы не только ток, но и заряд, роль косойленгмюровской волны становится еще более существенной.1010aб111Rpl(Ом)Rpl(Ом)10.1H0.122TG0.010100200300Магнитное поле (Гс)4000.010100200300400Магнитное поле (Гаусс)Рис.4.
Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от магнитного поля, 1 – расчетс учетом только квазипродольной косой ленгмюровской волны, 2 – геликоноподобнойволны. p=1мТор R=5см L=15см. а – ne=1011см-3, б – ne=3.1012см-3.Численные расчеты, учитывающие возбуждение как геликоноподобной, так иквазипродольной косой ленгмюровской волн, позволили объяснить наблюдавшиесяэкспериментально закономерности изменения эквивалентного сопротивления. Преждевсего расчеты проявили резонансный характер поглощения ВЧ мощности при изменениивеличины внешнего магнитного поля.
Так (см. рис.5), эквивалентное сопротивлениеплазмы Rpl при давлении менее 10мТор представляют собой серию локальныхмаксимумов, соответствующих условиям резонансного возбуждения геликоноподобной иквазипродольной косой ленгмюровской волн.10Рис.5. Зависимость эквивалентногосопротивления плазмы от величинымагнитного поля, рассчитанная дляслучая R=2.5см L=15см.
Цифры 1, 2, 3соответствуют расчетам, выполненнымдля концентраций электронов 1010, 1011,1012 см-3.3Rpl(Ом)120.110.010100200300400500Магнитное поле (Гс)Характер изменения эквивалентного сопротивления с ростом магнитного поля приплотности плазмы 3·1012см-3 существенно отличается от полученного при ne=1·1011см-3.Это связано с влиянием электрон-ионных столкновений. В целом увеличение частотыстолкновений, вызванное увеличением давления газа или ростом электрон-ионныхстолкновений с ростом плотности плазмы приводит к сглаживанию зависимости амплитудполей от магнитного поля. Кроме того, с ростом частоты столкновений амплитудаквазипродольной косой ленгмюровской волны понижается, и ее ВЧ поля перестаютпроникать в объем плазмы.
В связи с этим эквивалентное сопротивление плазмыпонижается. Проникновение геликоноподобной волны в плазму с ростом давления неизменяется.Эксперименты и расчеты показали, что основной максимум зависимостиэквивалентного сопротивления от магнитного поля смещается в область большихмагнитных полей при увеличении плотности плазмы (вложенной в плазму мощности). Этоозначает, что зависимость Rpl от концентрации электронов при фиксированном значенииB0 является убывающей в области высоких концентраций электронов.
Этот результатBфизически очевиден, т.к. при выходе из резонанса с ростом концентрации плазмыамплитуды полей падают, и их проникновение в плазму резко ухудшается. Чем вышеиндукция магнитного поля, тем выше значение критической плотности плазмы,превышение которой сопровождается падением эквивалентного сопротивления плазмы.В четвертой главе диссертации экспериментально и с помощью численногомоделирования изучено влияние потерь мощности во внешней цепи разряда на параметрыиндуктивного ВЧ разряда.
При проведении экспериментов использовались антенны сэффективным сопротивлением 1–4Ома. В Главах 2 и 3 было показано, что эквивалентноесопротивление плазмы при рассмотренных условиях экспериментов по порядку величиныблизко к Rant. Таким образом, в экспериментах было обеспечено выполнение неравенстваRpl≤Rant.Цель первой серии экспериментов состояла в выявлении особенностей поведенияиндуктивного ВЧ разряда как целого при изменении величины внешнего магнитного поля.Для этого измерялись зависимости тока на зонд ip, и/или интенсивности I интегральногосвечения плазмы от величины магнитного поля B при фиксированной мощности ВЧгенератора и от мощности ВЧ генератора Pgen при фиксированных значениях магнитногополя B.Результаты измерения зависимости зондового тока ip, интенсивности свеченияплазмы I ВЧ разряда низкого давления от величины внешнего магнитного поля,полученные с использованием различных антенн в источниках плазмы разных размеров вшироком диапазоне мощностей и частот ВЧ генератора, показали, что, несмотря насвоеобразие каждой из полученных кривых, можно выделить общую закономерность.
Это– немонотонная зависимость измеренных параметров от величины магнитного поля.Наличие локальных максимумов зависимостей ip(B), I(B) является общей чертойиндуктивных ВЧ разрядов низкого давления, однако, положение и количество локальныхмаксимумов ip(B), I(B) существенно зависит от условий экспериментов. Так, числолокальных максимумов, как правило, возрастает с радиусом источника плазмы,мощностью ВЧ генератора и давлением рабочего газа. Последнее выполняется приусловии, что давление газа не превосходит 10мТор.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
