Автореферат (1102519), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Так, в гелии максимум электронной плотности наблюдается придавлении 100 мТор, в аргоне – при 30 мТор, а в криптоне – в области 10–35 мТор.Из рис. 1(б) можно видеть, что рост давления инертного газа в области p<p*сопровождаются понижением эффективной температуры электронов Те. Наибольшаятемпература электронов наблюдается в гелии, наименьшая в криптоне. Увеличениедавления в области p>p* сопровождается медленным ростом температурыэлектронов. Особенно сильно эффект выражен в гелии.На рис. 2 представлены зависимости концентрации ne ( p ) (а) и эффективнойтемпературы Te ( p ) (б) электронов от давления аргона для всех используемыхрабочих частот ВЧ генератора 2, 4 и 13.56 МГц.

Можно видеть, что абсолютныезначения концентрации максимальны для частоты 2 МГц, наименьшие значенияконцентрации были получены при работе на частоте 13.56 МГц. Увеличение рабочейчастоты приводит к смещению положения максимума зависимости ne ( p ) в областьбóльших давлений. Так, при частоте 2 МГц максимум концентрации электронов вразряде в аргоне достигается в диапазоне давлений 0.01 – 0.03 Тор, а при частоте13.56 МГц – при давлении порядка 0.2 Тор.

Эффективная температура электронов сростом давления инертных газов также проходит через минимум для всех рабочихчастот. Наименьшие значения Те характерны для рабочей частоты 2 МГц. Придавлениях более 100 мТор эффективная температура электронов возрастает вслучае всех рассмотренных частот, причем наиболее ярко эффект проявляется для4 МГц.Pgen= 500 Вт-3ne, смTe, эВ102МГц4МГц13,56МГц112x10Pgen= 500 Вт2МГц4МГц13,56 МГц86111x1042010-4-310-210p, Тор10-10010(а)-41010-3-210p, Тор10-1100(б)Рис. 2.

Зависимости концентрации ne (а) и эффективной температуры Te (б)электронов от давления аргона, измеренные на расстоянии r = 19 см от центраисточника плазмы для рабочих частот генератора 2; 4; 13.56 МГц при мощности ВЧгенератора Pgen = 500 Вт.Результаты, представленные выше, были получены при фиксированноймощности ВЧ генератора. Естественно предположить, что немонотононный характеризменения параметров плазмы связан с перераспределением мощности ВЧгенератора Pgen между плазмой и внешней цепью. Однако изменение долимощности, поглощенной плазмой, от давления для всех рассмотренных инертныхгазов показало, что только в случае гелия удается объяснить понижениеконцентрации плазмы с увеличением давления в области р > 80 мТор уменьшением10ВЧ мощности, вкладываемой в плазму. В случае более тяжелых инертных газоввеличина отношения вложенной в плазму мощности к мощности ВЧ генератораPpl/Pgen слабо зависит от давления.

Таким образом, в случае тяжелых инертных газовпонижение плотности электронов в области давлений порядка 100мТор не удаетсяобъяснить изменением величины мощности, поглощенной плазмой.ν, с-1На рис. 3 показана зависимость частоты упругих столкновений электронов сатомами от давления инертных газов. Частоты упругих столкновений былирассчитаны на основании измеренных ФРЭЭ. Из рис. 3 видно, что в диапазонедавлений 0.01 – 0.2 Тор частота упругих столкновений электронов с атомами втяжелых инертных газах ниже, чем в гелии, благодаря наличию эффекта Рамзауэра.109108107106Рис.

3. Зависимость частоты упругихстолкновений электронов с атомами отдавления инертных газов.HeNeArKr10-310-210-1100p, ТорЧастота столкновений электронов с атомами является одним из важнейшихпараметров, определяющих поглощение ВЧ мощности плазмой. Рис. 4(а)убедительно демонстрирует, что частота столкновений электронов с атомами вдиапазоне 3•106 – 3•107с-1 однозначно определяет эквивалентное сопротивлениеплазмы, которое при фиксированной плотности электронов не зависит от родаинертного газа.86 -1ν=3.10 cHeAr6NeKrRpl, отн.

ед.Rpl, отн.ед.84201091010ne, см8 -141010(а)ν = 3*10 cHe, NeKr2011-3691010-3ne, см1011(б)Рис 4. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы всех рассмотренныхинертных газов от концентрации электронов при фиксированной частоте упругихстолкновений (a) – 3*106с-1, (б) – 3*108 с-1.11При частотах столкновений более 1•108с-1 (рис. 4(б)) появляется сильнаязависимость эквивалентного сопротивления от рода газа.

Эквивалентноесопротивление, измеренное в разряде в криптоне, существенно больше, чем те жевеличины, измеренные в гелии и неоне.Для выяснения физических причин обнаруженных экспериментальныхзакономерностей были выполнены расчеты концентрации ne и эффективнойтемпературы Тe электронов с помощью физической модели индуктивного ВЧразряда. Результаты расчета концентрации ne и эффективной температуры Тeэлектронов с помощью физической модели индуктивного ВЧ разряда для значениявложенной в плазму мощности 500 Вт показаны на рис. 5.

Отметим, что полученныерезультаты не зависят от рабочей частоты разряда. Расчеты выполнены длядиапазона давлений 1–200 мТор. При давлениях ниже 1 мТор в случае аргона икриптона и 10 мТор в случае неона система уравнений не имеет решений, чтосвидетельствует о невозможности существования чисто индуктивного разряда нижеуказанных давлений.Рис. 5 показывает, что результаты расчетов качественно соответствуютэксперименту. Значения концентрации электронов (рис. 5(а)) имеют наибольшиезначения в случае криптона, наименьшие – в случае неона. Расчеты, так же какэксперимент, показали немонотонную зависимость ne от давления нейтрального газа.Чем тяжелее инертный газ, тем при меньших давлениях наблюдается максимумконцентрации электронов.1081076x105x1064x10Te, эВne, см-310103x10102x10NeArKr101x100NeArKr154321010100110p, мТорp, мТор(а)(б)100Рис. 5.Расчетная зависимость концентрации и эффективной температурыэлектронов от давления неона, аргона и криптона для значения вложенной в плазмумощности 500 Вт.

Расчет выполнен на основании математической моделииндуктивного ВЧ разряда.Обращает на себя внимание тот факт, что абсолютные значения концентрацииэлектронов существенно ниже полученных в эксперименте. Это может быть связанос неучетом ступенчатых процессов при проведении расчетов.Наибольшая температура электронов, так же как в эксперименте, характернадля неона, наименьшая – для криптона.

Температура электронов убывает с ростомдавления всех рассмотренных газов (рис. 5(б)). Рассчитанные значения температурыэлектронов близки к измеренным, но систематически превышают их. Учет12ступенчатого возбуждения должен привести к улучшениюизмеренными и расчетными характеристиками разряда.согласиямеждуНеобходимо отметить, что уменьшение температуры электронов ниже 2 эВ сувеличением давления приводит к росту потерь энергии на излучение нейтральнойкомпоненты разряда по сравнению с затратами на ионизацию. Это, в свою очередь,приводит к понижению концентрации электронов. Таким образом, физическаяпричина убывания концентрации электронов в индуктивном ВЧ разряде в областибольших давлений связана с ростом отношения энергозатрат на излучение атомов кзатратам энергии на их ионизацию.Выполненные расчеты параметров плазмы в рамках модели индуктивного ВЧразряда не позволяют в полной мере описать результаты экспериментов, вчастности, объяснить смещение положения максимума зависимости концентрацииэлектронов от давления при изменении частоты ВЧ генератора.

Естественнопредположить, что на параметры индуктивного разряда может влиять емкостнаясоставляющая, возникающая благодаря существованию паразитной емкости междуиндуктором и плазмой. Влияние емкостной составляющей разряда на параметрыразряда было проанализировано с помощью модели гибридного ВЧ разряда.На рис. 6 показана зависимость концентрации электронов в плазмегибридного ВЧ разряда от давления инертных газов для рабочей частоты 2МГц.Необходимо подчеркнуть, что в случае гибридного разряда величины ne , Тe зависятот частоты ВЧ генераторов ω, т.к. вклад емкостной компоненты при фиксированныхпараметрах внешней цепи сильно зависит от ω.Как видно, зависимостьконцентрации электронов от давления для гибридного разряда выраженасущественно сильнее, чем в случае индуктивного ВЧ разряда.2 МГцNeArKr10ne, см-34x10103x10Рис.6.Расчетнаязависимостьконцентрации электронов от давлениянеона, аргона и криптона длязначениявложеннойвплазмумощности 500 Вт.

Расчет выполнен наосновании математической моделигибридного ВЧ разряда для значенийиндуктивности антенны4 мкГн,разделительной емкости 100 пФ.Рабочая частота 2 МГц.102x10101x100110100p, мТорСоотношение между мощностью, поступающей в разряд через индуктивный иемкостной каналы, определяется импедансами каналов, активным и эквивалентнымсопротивлением плазмы. Активное сопротивление определяет вложение мощностичерез емкостной канал, а эквивалентное сопротивление плазмы характеризуетвложение мощности через индуктивный канал. Отметим, что при увеличенииконцентрации электронов активное сопротивление плазмы падает, а эквивалентноесопротивление плазмы растет при рассмотренных внешних условиях. Расчетыпоказали,чтоприизменениивнешнихусловийразрядапроисходятсамосогласованное изменение концентрации электронов, активного сопротивления13плазмы и емкостной составляющей разряда, а также потока энергии, выносимойионами на стенки.Как отмечалось выше, в гибридном разряде возникает падение потенциалаU между плазмой и электродом, зависящее от напряжения между обкладкамиконденсатора.

Расчеты показывают, что при низких значениях приэлектродногоскачка потенциала U основным каналом потерь в объеме плазмы, так же как виндуктивном разряде, являются затраты энергии на возбуждение атомов аргонамаксвелловскими электронами. Рост падения потенциала в приэлектродных слояхприводит к возрастанию роли канала потерь энергии, связанного с выносом энергииионами на электроды. При значениях U > 200 В при всех рассмотренных давленияхуказанный канал является преобладающим. Области максимума концентрацииэлектронов соответствуют областям, где значения U минимальны и вложениемощности в разряд идет преимущественно через индуктивный канал.

Характеристики

Список файлов диссертации