Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧ индуктивные источники плазмы низкого давления (1097821), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Эксперименты показали, что с ростом Rantпроисходит смещение положения перехода разряда из Е- в Н- моду в область большихмощностей ВЧ генератора. Кроме того, в случае «высокоомной» антенны в переходнойобласти появляется гистерезис.Математическое моделирование позволило проанализировать физические причиныэффектов, наблюдавшихся экспериментально. Расчеты показали, что в области малыхмагнитных полей, соответствующих области роста эквивалентного сопротивления плазмыс увеличением магнитного поля, ток через антеннупадает, а вложенная в плазмумощность и концентрация электронов растут.
Затем при превышении магнитным полемвеличины Вmax, при которой эквивалентное сопротивление плазмы максимально, ток черезантенну начинает возрастать, а вложенная в плазму мощность и концентрация электроновуменьшаются. При значениях магнитного поля, превышающих критическое значение Вcrit,решения системы уравнений, описывающий разряд, перестают существовать. Физическиэто соответствует невозможности существования разряда. Причиной отсутствия решенияпри больших значениях магнитного поля является существенное падение эквивалентногосопротивления плазмы в области больших магнитных полей и понижение доли мощности,поглощаемой плазмой, до величин, недостаточных для поддержания разряда.
Причинойпадения Rpl при увеличении B является выход из области резонансного возбуждениягеликоноподобных и квазипродольных косых ленгмюровских волн.Зависимость концентрации плазмы от величины внешнего магнитного поля,рассчитанная при относительно небольшой мощности ВЧ генератора, представляла собойсерию локальных максимумов, сопровождающихся резкими падениями плотностиплазмы, а иногда срывами разряда. Сравнение расчетов с результатами экспериментовпозволяет сделать вывод, что наблюдавшиеся в эксперименте резкие скачки плотностиплазмысвязанысналичиемрезонансоввозбуждениягеликоноподобныхиквазипродольных косых ленгмюровских волн, проявляющихся в резком измененииспособности плазмы поглощать ВЧ мощность.Математическоемоделированиепозволилообъяснитьирадиальноеперераспределение плотности плазмы при изменении магнитного поля. Расчеты показали,что при магнитных полях, близких к магнитному полю Bmax, соответствующемуBмаксимуму концентрации электронов, электрические поля волн проникают в объемплазмы, в то время как при магнитных полях, существенно меньших и больших Bmax, ВЧBполя экранируются.
Сказанное относится к источникам относительно большой длины. Вкоротких источниках, как показали расчеты, в рассмотренном диапазоне параметровплазмы возбуждение объемных волн невозможно. В связи с этим при всех рассмотренныхмагнитных полях амплитуды электрических ВЧ полей максимальны вблизи стенокисточника плазмы.Расчеты показали, что в ряде случаев при одних и тех же значениях индукциивнешнего магнитного поля B и мощностях ВЧ генератора PGen существует нескольковетвей решений, т.е. несколько значений концентрации электронов, при которыхсуществует решение системы уравнений, описывающей разряд. Ранее рассматриваласьветвь решений с высокими значениями концентрации электронов, однако, начиная снекоторого значения B*, появляется второе равновесное решение со значениямиконцентрации плазмы, примерно на порядок меньшими, чем соответствующие значенияпервого решения.
Очевидно, что наличие нескольких устойчивых значений концентрацииэлектронов при одних и тех же значениях B и PGen указывает на возможное наличиегистерезиса при увеличении и уменьшении внешнего магнитного поля.Рассмотрим зависимость концентрации плазмы от мощности ВЧ генератора прификсированных значениях магнитного поля (см.
рис.8). Расчеты показали, что решениясистемы уравнений, описывающей разряд, существуют при мощностях ВЧ генератора,превышающих некоторую критическую величину, зависящую как от сопротивленияантенны, так и от параметров плазмы. Причины этого явления были подробнорассмотрены в М.Тернером и М.Либерманом. Расчеты выявили и новый результат, аименновозможностьсуществованияиндуктивногоконцентрацией электронов (далее «низкая» мода).разрядавмодеснизкойВ этой моде эквивалентноесопротивление плазмы меньше, чем сопротивление антенны.
При переходе из «низкой»моды разряда в моду с высокой концентрацией (далее «высокая» мода) при ряде режимовразряда существует неоднозначность решений. Наличие многозначности решений можетбыть причиной гистерезиса, наблюдавшегося экспериментально. Анализ условийпоявления многозначности решений показал, что при условии Rpl>>Rant, вся мощностьгенераторавкладываетсявплазмуиконцентрацияэлектроновизменяетсяпропорционально мощности ВЧ генератора, т.е. связь между ne и PGen являетсяоднозначной.
В противоположном случае Rpl<Rant возможно появление решений, причемих может быть несколько в случае, если зависимость Rpl от концентрации электроновРис.8. Зависимость концентрацииэлектронов в ВЧ индуктивныхисточниках плазмы радиуса 5см отмощности ВЧ генератора приразличных давлениях нейтральногогаза.
1 – 0.3мТор, 2 – 0.2мТор,3 – 0.1мТор.Решениесамосогласованнойзадачи для сопротивления антенны1Ом.-3концентрация электронов (cм )является немонотонной.101110101103293004005006007008009001000 1100 1200Мощность ВЧ генератора (Вт)При горении разряда в «высокой» моде наблюдается замедление роста плотностиплазмы в связи с насыщением зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от neпри высоких концентрациях плазмы. Это является следствием экранировки ВЧ полейплазмой.В пятой главе рассмотрено влияние емкостной составляющей на свойстваиндуктивного ВЧ разряда. В настоящей работе для изучения влияния емкостной связимежду антенной и плазмой на характеристики разряда на поверхности источников плазмыдополнительно к спирали размещались обкладки конденсатора. Рассматривалось дваслучая – расположение обкладок на внешней и внутренней поверхности источникаплазмы.
Наличие обкладок конденсатора на поверхности источника плазмы позволялоорганизовать контролируемый емкостной канал ввода мощности так, что индуктивнаясвязь между антенной и плазмой оставалась неизменной.Для возбуждения и поддержания чисто индуктивного разряда в источниках ионов иплазмы использовалась та же схема, что и ранее. Для изучения роли емкостнойсоставляющей в первой серии экспериментов обкладки конденсатора, расположенные наповерхности источника плазмы, через отдельную систему согласования подключались ковторому ВЧ генератору, мощность которого можно было изменять независимо отгенератора, питающего индуктор. В ряде экспериментов при расположении обкладокконденсатора внутри разряда они подключались к источнику постоянного тока.Во второй серии экспериментов для моделирования реального индуктивного ВЧразряда, обладающего емкостной компонентой (далее гибридного ВЧ разряда), индуктор иконденсатор, соединенные параллельно, подключались к одному ВЧ генератору.
Для тогочтобы индуктор не замыкал «емкостную» цепь по постоянному току, между концамиантенныивыводами,подключеннымикобкладкамконденсатора,включалиськонденсаторы с емкостью порядка 300пФ. В процессе экспериментов измерялись токи,текущие через антенну и конденсатор, а также напряжение на выходе из системысогласования. Мгновенные значения токов и напряжений, измеренные в «емкостной»цепи, интегрировались для расчета мощности, выделяемой в емкостном канале Pc.
Полнаямощность, выделяемая в плазме гибридного разряда, определялась как разница междувыходной мощностью ВЧ генератора и потерями мощности в системе согласования.( )indИзмерения показали, что при наличии емкостного канала зависимость I Pgenindинтенсивности свечения плазмы от мощности генератора, питающего индуктор Pgen,видоизменяется. Наличие независимого емкостного канала приводит к понижениюкритической мощности Pf , отдаваемой генератором в индуктивный канал, при которойразряд переходит в моду с высокой интенсивностью свечения. Чем больше величина ВЧмощности, отдаваемой ВЧ генератором в емкостной канал, тем больше понижается Pf.Одновременно с понижением Pf переход из моды с низкой интенсивностью свечения ввысокую, становится более плавным.
Случай параллельного подсоединения антенны иконденсатора приводит к тем же качественным результатам, однако, изменение Pfвыражено значительно слабее. Аналогичный результат был получен при введениидополнительной мощности в разряд через канал постоянного тока.Как отмечалось в Главе 4, в переходной моде индуктивного ВЧ разряда приналичии магнитного поля может появиться гистерезис в зависимости параметров плазмыот мощности ВЧ генератора и величины магнитного поля. Эксперименты показали, чтоприсутствие емкостной составляющей приводит не только к сближению величинмощности Pf и Pb, , при которых происходит переход из моды с высокой интенсивностьюсвечения в моду с «низкую» моду и обратно.
Более того, при увеличении величины ВЧмощности, поступающей в плазму через независимый емкостной канал, разница междузначениями Pf и Pb и гистерезис исчезают.Более детальные измерения показали (см. рис.9), что при горении разряда в«низкой» и переходной из «низкой» в «высокую» модах, доля мощности Pind, котораяпоступает в разряд через индуктивный канал, возрастает при условии, что в плазмудополнительно вкладывается мощность через независимый емкостной ВЧ канал или каналпостоянного тока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
