Особенности энерговклада в пространственно ограниченные ВЧ индуктивные источники плазмы низкого давления (1097821), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Если в случае дискообразных источниковплазмы, оснащенных торцевой спиральной антенной, при отсутствии магнитного полявеличины эквивалентного сопротивления не зависели от длины источника плазмы, то вслучае удлиненного цилиндрического источника возможно увеличение Rpl приувеличении длины газоразрядной камеры. Расчеты показали, что это может оказатьсяполезным при разработке устройств малого радиуса, значения Rpl для которых малы такжекак и в случае ВЧ источников без магнитного поля.Ранее отмечалось, что увеличение давления рабочего газа приводит к увеличениюэквивалентного сопротивления плазмы ВЧ индуктивного разряда без магнитного поля.
Вслучае магнитных полей, соответствующих области возбуждения геликоноподобной иквазипродольной косой ленгмюровской волн, как отмечалось выше, ситуация прямопротивоположная – пиковые значения Rpl убывают с ростом давления нейтрального газа.Этот факт свидетельствует в пользу использования «геликонных» режимов ВЧ разрядапри разработке источников плазмы низкого давления.Значения эквивалентного сопротивления, полученные при различных способах иусловиях возбуждения плазмы, позволяют сформулировать ряд выводов о возможныхпутях повышения эффективности ввода ВЧ в плазму низкого давления.
При давленияхвыше 10-2Тор наилучший способ организации разряда – это индуктивный разряд безмагнитного поля, где превалирует столкновительный механизм поглощения ВЧмощности. Понижение давления и роли столкновительных механизмов поглощения ВЧмощности приводят к необходимости усиления бесстолкновительного поглощения ВЧмощности, что в области низких концентраций электронов возможно при условии ЭЦР, ав области более высоких концентраций – при возбуждении геликоноподобной иквазипродольной косой ленгмюровской волны. В области низких давлений ВЧ мощностьлучше вкладывается в источники большого радиуса, повысить эффективность ввода ВЧмощности в источники малого радиуса возможно при увеличении длины источника илипри увеличении рабочей частоты.Источники плазмы, рассчитанные на более высокие концентрации электроновдолжны быть оснащены магнитной системой, создающей относительно более высокиемагнитные поля, чем рассчитанные на более низкие плотности плазмы.Очевидно, что срывы разряда, гистерезис в зависимости параметров плазмы отвнешних условий существования разряда являются крайне неприятными эффектами сточки зрения организации рабочих режимов индуктивных источников плазмы.
В случаях,когда эффективное сопротивление антенны велико, представляется целесообразнымиспользование емкостной составляющей разряда, позволяющей стабилизировать плазму.Возможные решения задачи о получении максимально возможной плотностиплазмы при заданной вложенной мощности хорошо известны из физики и техникиисточников плазмы и ионов, работающих от источников постоянного напряжения.Повышение плотности плазмы при заданном уровне мощности может быть достигнуто засчет выбора оптимального соотношения между длиной и диаметром источника плазмы,конфигурации и величины внешнего магнитного поля. Однако в случае сВЧисточниками плазмы эти условия должны быть согласованы с условиями эффективногопоглощения ВЧ мощности. Как правило, это приводит к существенному изменениюоптимальных конструктивных параметров источников плазмы.В главе 4 подробно рассмотрены закономерности изменения пространственногораспределения плотности плазмы при изменении магнитного поля и длины источниковплазмы.
Показано, что наиболее однородную плазму можно получить, используямагнитные поля, близкие к магнитному полю Bmax, при котором эквивалентноеBсопротивление плазмы достигает максимума.В главе 7 представлены результаты разработки индуктивного ВЧ источника ионовдля космических и наземных приложений. В соответствии с выводами, сделанными вГлаве 6, в качестве рабочего процесса был использован индуктивный ВЧ разряд,помещенный в магнитное поле, величина которого соответствует области возбуждениягеликоноподобнойиквазипродольнойкосойленгмюровскойволн.Параметрыразработанных устройств не уступают мировым аналогам.III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.1. Выполнено комплексное, систематическоеисследованиепоглощенияВЧмощности плазмой индуктивного ВЧ разряда низкого давления при отсутствиивнешнего магнитного поля.
Показано, что эффективность поглощения ВЧмощности (эквивалентное сопротивление плазмы) немонотонно зависит отплотности плазмы: в области низких концентраций электронов эквивалентноесопротивление плазмы растет с плотностью плазмы, в области высокихконцентраций эквивалентное сопротивление падает. При низких давлениях областьмалых концентраций электронов соответствует случаю слабой пространственнойдисперсии, здесь эквивалентное сопротивление плазмы растете с концентрациейэлектронов.
Напротив, в области высоких концентраций электронов, когдапреобладает бесстолкновительное поглощение, т.е. в области аномального скинэффекта, зависимость эквивалентного сопротивления от концентрации электроновявляется убывающей. В целом же немонотонная зависимость эквивалентногосопротивления от плотности плазмы объясняется конкуренцией двух факторов: с однойстороны, поглощение ВЧ мощности растет с ростом концентрации электронов, с другойстороны, глубина скин-слоя, определяющая ширину области поглощения ВЧ мощности,убывает с ростом ne. При минимальном из рассмотренных давлений p=0.1мТорподавляющим является черенковский механизм диссипации.
Электрон-атомныестолкновения практически не оказывают влияния на величины эквивалентногосопротивления,аэлектрон-ионныестолкновенияприводятлишькнезначительному повышению эквивалентного сопротивления при ne>3·1011cm-3.Увеличение давления, т.е. частоты электрон-атомных столкновений приводит кросту эквивалентного сопротивления за счет повышения роли столкновительногомеханизма поглощения ВЧ мощности.2. Выполненокомплексное,систематическоеисследованиеэффективностиимеханизмов поглощения ВЧ мощности плазмой пространственно ограниченныхиндуктивных источников плазмы низкого давления при наличии внешнегомагнитного поля.
Показано, что в ограниченных источниках плазмы возможновозбуждениеобъемных,связанныхдругсдругомгеликоноподобнойиквазипродольной косой ленгмюровской волн. Область существования объемныхволн сужается при уменьшении длины источника плазмы и с ростом давлениярабочего газа. При условиях, соответствующих области возбуждения объемныхволн,зависимостьэффективностипоглощенияВЧмощностиплазмой(эквивалентного сопротивления плазмы) от величины магнитного поля носитсущественно немонотонный характер. Локальные максимумы эквивалентногосопротивлениясоответствуютобластямрезонансноговозбуждениягеликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн.
Поглощение ВЧмощности плазмой при давлениях менее 10мТор определяется главным образомпоглощением квазипродольной волны, доминирующим механизмом диссипацииявляется бесстолкновительное черенковское поглощение. Увеличение частотыстолкновений, вызванное увеличением давления газа или ростом электрон-ионныхстолкновений с ростом плотности плазмы приводит к сглаживанию зависимостиэквивалентного сопротивления от величины магнитного поля и понижениюабсолютных значений эквивалентного сопротивления. Кроме того, с ростомчастоты столкновений амплитуда квазипродольной косой ленгмюровской волныпонижается, и ее ВЧ поля перестают проникать в объем плазмы.
С ростом частотыстолкновений амплитуда и проникновение геликона в плазму не изменяются.3. Показано, что при горении индуктивного ВЧ разряда в режиме, когдаэквивалентное сопротивление плазмы меньше или порядка эффективногосопротивленияантенны,происходитсамосогласованноеперераспределениемощности между плазмой и активным сопротивлением внешней цепи, котороепроявляется:•в существовании двух мод индуктивного ВЧ разряда с сильно различающейсяплотностью плазмы;•в появлении гистерезиса параметров плазмы при переходе разряда из моды снизкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью и обратно;•в появлении гистерезисапараметров плазмы при увеличении и уменьшениивнешнего магнитного поля;•в насыщении зависимости концентрации плазмы от мощности ВЧ генератора вобласти высоких концентраций электронов;•в ограничении при наличии внешнего магнитного поля области существованияразряда со стороны больших магнитных полей;•немонотонной зависимости плотности плазмы от внешнего магнитного поля.Выполнено комплексное исследование влияния емкостной составляющей разрядана ввод ВЧ мощности через индуктивный канал и параметры плазмы.
Показано,что наличие емкостной составляющей разряда приводит к изменению долимощности, поступающей в разряд через индуктивный канал. Увеличение за счетвклада мощности через емкостной канал концентрации электронов вышевеличины, характерной для чисто индуктивного разряда, приводит к увеличениювклада ВЧ мощности через индуктивный канал при условии, что плотность плазмыниже величины, при которой эквивалентное сопротивление достигает максимума.Это проявляется в смещении положения перехода разряда из моды с низкойплотностью плазмы в моду с высокой плотностью, более плавному переходу из«низкой» моды разряда в «высокую» и исчезновению гистерезиса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
