Развитие моделей газовых разрядов в постоянных, высокочастотных и сверхвысокочастотных электрических полях (1097865), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Полученные результаты сопоставлены с расчетом поглощаемой энергии ипоказали удовлетворительное согласие. Указанный процесс также должен существенно влиять на условия поддержания СВЧ разряда, наряду с процессом возбуждения собственных волн плазменного столба, однако он проявляется при болеенизких концентрациях электронов.
В условиях, когда наблюдается возбуждениеповерхностных волн, точка плазменного резонанса находится внутри слоя пространственного заряда и поглощение в ней мало.В §7 обсуждены возможности проявления обсужденных в главе процессов.Рассматриваемый эффект самовозбуждения поверхностных волн может иметьместо не только в индуктивном плазменном стержне в волноводе, но и в другихусловиях. Во-первых, для эффективной перекачки энергии из одной моды поля вдругую отношение эффективной частоты столкновений электронов к частоте поля должно быть меньше единицы (кривая = на рис.
7а). Кроме того, минимальная длина поверхностной волны (которая ограничивается ее затуханием) должнабыть меньше размеров системы (оставшиеся кривые, цифра у кривой равна длинеразряда в см). Указанные два условия ограничивают значения частот СВЧ волныи давлений газа, при которых может наблюдаться данное явление областью, лежащей выше каждой из упомянутых кривых. Кроме того, существуют условия навеличину плотности электронов в плазме: ne 2nc и h L . Соответствующиекривые приведены на рис.
7б. Расслоение должно наблюдаться в области междукривыми, обозначенными цифрой, равной длине разряда и кривой ne=2nc. Приве3Кузелев М.В. Романов Р.В., Рухадзе А.А., Хунджуа Н.Г. Поверхностные волныи зарядовые слои в пространственно неоднородной плазме. Физика плазмы, 2007,т. 33, №12, с. 1073-108016денные кривые необходимо рассматривать как ориентировочные, вследствиевлияния элементов разрядной камеры на спектры поверхностных волн. Поэтому вотдельных случаях неустойчивость может наблюдаться в области, лежащей вышекривых 1, 10, 100, 1000, но близкой к ним. Таким образом, поверхностные волны,распространяющиеся вдоль границы плазмы разряда с диэлектриком, существенно модифицируют его характеристики, приводя к дополнительному поглощениюполя, гистерезису характеристик разряда и возникновению в нем пространственных структур.В третьей главе рассмотрены поверхностные волны, распространяющиесявдоль границы плазмы с металлом. В §1 проведен обзор общих свойств этих волн.Впервые идея о существовании таких волн возникла в 60 годах прошлого векапри анализе экспериментов по измерению импеданса штыревых антенн, помещенных в плазму.
Теоретически объяснить существование этих волн удалось ряду авторов (Meier и др.) в предположении, что слой пространственного заряда,формирующийся на границе плазмы и металла, может быть представлен, как тонкий слой диэлектрика с проницаемостью равной единице. В дальнейшем свойствалинейных и нелинейных поверхностных волн изучались группой Харьковскихфизиков (Кондратенко, Азаренков и др.) в связи с созданием полосковых линий,использующих плазму полупроводников в качестве одной из сред, в которой распространяются электромагнитные волны.Специфика волн, распространяющихся на границе плазмы с металлом, связана с малой толщиной слоя пространственного заряда, который и является основным переносчиком энергии.
Поэтому уже при небольших амплитудах поляповерхностная волна будет нелинейной. Выпрямление поля волны на нелинейнойвольт-амперной характеристике слоя пространственного заряда приводит генерации гармоник и увеличению падения постоянного напряжения на слое пространственного заряда. Последний эффект используется в технологии для управленияэнергией ионов, бомбардирующих контактирующую с разрядом поверхность.Основные задачи, решаемые в данной главе сводятся к следующим:1) – учет взаимодействия поверхностных волн вблизи противоположныхграниц плазмы (в.т.ч.
и для несимметричных слоев пространственного заряда),2) – учет влияния столкновений на характеристики поверхностных волн,3) – анализ механизмов генерации гармоник в этом типе поверхностныхволн и влияния нелинейности на распространение поля вдоль слоя пространственного заряда.В §2 рассмотрены характеристики поверхностных волн на границе плазмыс металлом в приближении замены слоя пространственного заряда тонким диэлектрическим слоем. Эта модель использовалась в 60-е годы для расчета характеристик поверхностных волн на границе металлического стержня с плазмой.17Кроме того, в определенных случаях подложка или стенка рабочей камеры могутпредставлять собой металл, покрытый слоем диэлектрика. Расчеты, проведенныедо настоящего исследования, показали, что постоянная распространения поверхностных волн, распространяющихся вдоль границы плазмы с металлом, гораздобольше, чем постоянная распространения этих же волн на границе плазмы с диэлектрическим полупространством.
Вычисления в §2 подтвердили этот результат.Взаимодействия двух поверхностных волн (рис. 8), распространяющихся вдольдвух противоположных границ плазмы, наиболее сильно проявляется вблизи частоты геометрического резонанса плазма-слой пространственного заряда, изучавшегося в связи с проблемой объяснения резонансов на вольт-амперных характеристик ВЧ разряда. При этом постоянная распространения h четной (по продольному полю) волны увеличивается, а нечетной – уменьшается. Сам резонанс плазма-слой пространственного заряда представляет собой резонанс разомкнутой линии передачи для нечетной волны. Данный анализ имеет принципиальное значение в плазмохимических реакторах с большой площадью пластин для управленияэнергией ионов, бомбардирующих подложку, т.к.
при анализе распределения поля вдоль подложки необходимо учитывать волновой характер распределения поля. §4 посвящен исследованию влияния столкновительного поглощения поверхностных волн на дисперсию волн. Необходимость этого анализа связана с тем,что поля, используемые для управления энергией ионов в плазмохимических установках, имеют малую частоту, поэтому отношение частоты столкновений электронов к частоте поля может быть достаточно велико. Основой для проведенногоанализа является малость толщины слоя пространственного заряда по сравнениюс длиной поверхностной волны.1100h, см-1102-11013-2104-310610710810910101011101210Рис.
8. Дисперсионные характеристики поверхностных волн в различныхусловиях: 1 – точное решение для неограниченной плазмы, 2 – асимметричная поверхностная волна, 3 – симметричная поверхностная волна, 4 –поверхностная волна в плазменномполупространстве. Данные расчета:толщина слоя 0.1 см, а) – Частота волны– 13.56 МГц (критическая концентрация – 2.28106 см–3, полуширинаплазменного столба – 5 см).-3ne, смНа рис. 9 и 10 показаны глубина проникновения поля плоской волны вплазму и постоянная затухания поверхностной волны как функции отношенияэффективной частоты столкновений электронов к частоте поля и плотности электронов для типичных условий плазменных технологических реакторов. Глубина18скин-слоя составляет 10см для плотности электронов 109 см–3 и уменьшается до 1см при 1011 см–3.
В связи с этим актуальным представляется использование дляуправления свойствами ионного потока поверхностных волн, поглощение которых, напротив, падает с ростом плотности электронов (рис. 10). Обращает на себявнимание существование области плотностей электронов 109–1010 см–3 на рис 10,в которой поверхностная волна быстро затухает, т.е. распределение поля вдольподложки будет резко неоднородным. В §3 получены аналитические выражениядля границ этой области.Рис. 10. Затухание поперечной поверхностной волны, распространяющейся вдольРис. 9. Обратная глубина проникновения слоя пространственного заряда на границепоперечной волны в плазму Поле частотой плазмы с металлом.
Поле частотой 135.6МГц. Толщина слоя – 0.1 см.135.6 МГц.Проведенные в §2 и §3 исследования могут считаться только качественными, так как характеристики слоя пространственного заряда должны быть согласованы со свойствами поверхностной волны. Кроме того, необходимо учесть осцилляцию границы плазмы под действием электромагнитного поля и ее влияниена дисперсию волны.
Для сосредоточенной системы влияние осцилляции границы плазмы на электродинамические свойства слоя в приближении 1 исследовались Либерманом, а позже Годяком и Штернберг. Данные процессы исследованы в §4. Геометрия рассматриваемой задачи приведена на рис. 11. Область 1занята однородной плазмой.
В области между плазмой и металлической стенкой 4формируется слой пространственного заряда. Вся область слоя заполнена положительными ионами, пространственное распределение которых предполагаетсяоднородным. Часть слоя пространственного заряда x s , заполненная электронами, обозначена цифрой 2. В силу квазинейтральности плазмы в этой области выполнено условие ne n .
В оставшейся области слоя ( x s , 3 на рис. 11) электроны отсутствуют. Обозначениями x1 и x2 на рис. 11 отмечены граница плазмы ислоя пространственного заряда (т.е. наиболее удаленное положение границы рас-19пределения электронов за время периода поля поверхностной волны) и положение металла. Также на рисунке приведены среднее положение границы плотностиэлектронов x0 s и усредненное по времени распределение плотности электроновв слое n e . Рассмотрена только одна их возможных ситуаций в разряде, когда вторая граница плазмы и слоя удалена от рассматриваемой на расстояние большеглубины проникновения поля в плазму.Рис.
11. Поверхностные волны награнице плазмы и металла, модельоднородного ионного распределения.1 – плазма, 4 – металл. x1 – границаплазмы и слоя, x2 – положение металла. n0 – плотность заряженныхчастиц, n+ – плотность ионов в слое,ne, n e – мгновенная и усредненнаяплотность электронов в слое, s (t) –мгновенное положение границыэлектронов в слое, x0 s – среднеепо времени положение границы. Q– –отрицательный поверхностный зарядна поверхности металла. В моделилинейного слоя плотность электронов предполагается равной нулю вовсем слое.Структура бегущей волны выбиралась в виде F x, t z V .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
