Диссертация (1102520), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Методика измерений и численных расчетов2.1. Схема экспериментальной установкиСхема и фотография экспериментальной установки показаны на рис.2.1, 2.2.Экспериментальнаявакуумнаяустановкасостоитизгазоразряднойкамеры1,турбомолекулярного 2 и форвакуумного насосов 3, систем напуска газов и контролядавления 4, блоков зондовой и спектральной диагностики плазмы.Рис.2.1. Схема экспериментальной установки:1 – газоразрядная камера, 2 – турбомолекулярный насос, 3 – форвакуумный насос, 4 –широкодиапазонный датчик измерения давления WRG-S-NW25 S/S, 5 – зонды Ленгмюра,6 – линейка с отверстиями для фиксации световода, 7 – световод, 8 – пояс Роговского, 9 –емкостной делитель.Рис.2.2. Фотография экспериментальной установки.49В работе использовались две цилиндрические газоразрядные камеры. Большинствоэкспериментов было выполнено с газоразрядной камерой, изготовленной из кварцевогостекла диаметром 46 см и высотой 30 см (см.
рис.2.3). Верхний фланец камеры изготовлениз стекла толщиной 2.5 см,в нижнем металлическом фланце располагаютсятехнологические отверстия для газоввода, зондов и откачки камеры.Рис.2.3. Вид газоразрядной камеры сбоку и сверху.Второй источник плазмы (см рис.2.4) представлял собой цилиндрическуюстекляннуюгазоразряднуюкамеру1(ГРК),расположеннуюмеждудвумядиэлектрическими фланцами 2 и 3 толщиной 2.5см. Внутренний диаметр ГРК составлял15 см, длина - 15 см. Толщина стеклянной стенки ГРК составляла 1см.
Откачка источникаплазмы производилась через нижний фланец, в котором были выполнены специальныеотверстия. На нижнем фланце 3 был также смонтирован газоввод 4, через который в ГРКподавался рабочий газ с заданным расходом.Рис.2.4. Схемы использованного источника плазмы.Узел ввода ВЧ мощности источника плазмы диаметром 46см (см.
рис. 2.5(а))организован в виде спиральной антенны, расположенной на боковой поверхностиисточника плазмы. В работе использовались одно- и двухвитковые антенны (L1 = 0.4мкГн, L2 = 2.2 мкГн). Они изготовлены из медной трубки диаметром 5мм. В процессеработы антенны охлаждались потоком воды, циркулирующим внутри трубки.50Для поджига разряда в источнике плазмы диаметром 15см использовались два узлаввода ВЧ мощности. Первый представлял собой трехвитковую спиральную охлаждаемуюантенну, выполненную из медной трубки диаметром 3см. Второй узел ввода ВЧмощности, позволяющий организовать гибридный ВЧ разряд, использовался дляисследования влияния емкостной составляющей разряда и состоял из трехвитковойспиральной медной антенны, расположенной на внешней стороне цилиндрической ГРК, иобкладок конденсатора, расположенных на внутренней стороне фланцев 2 и 3.
Антенна иобкладки конденсатора параллельно подключались к одному ВЧ генератору. Междуантенной и обкладками конденсатора была включена разделительная емкость C (см.рис.2.5), позволяющая регулировать относительную роль индуктивного и емкостногоканалов в поддержании гибридного ВЧ разряда.АIDA∼VVBВ(а)(б)Рис.2.5. Схемы узла ввода ВЧ мощности для организации (а) индуктивного разряда (б) –гибридного.В работе использовались три ВЧ генератора YSR-10AF с частотами 2, 4 и13.56МГц, соответственно. Мощность генераторов плавно изменялась в диапазоне 0 –1000 Вт.
Между ВЧ генератором и узлом ввода ВЧ мощности подключалась системасогласования, типичная схема которой показана на рис.2.6.Рис.2.6. Схема системы согласования.Установка оснащена комплексом оборудования для измерения доли ВЧ мощности,поглощенной плазмой, проведения зондовой и спектральной диагностик параметровплазмы.512.2. Методика экспериментов2.2.1.Методикаизмеренияэквивалентногосопротивленияиндуктивного и гибридного ВЧ разрядаВ главе 1 настоящей работы было рассмотрено понятие эквивалентногосопротивления плазмы. В соответствии с работами [37–40, 43, 44] вложенная в плазмумощность Ppl связана с током I, текущем по антенне, и величиной эквивалентногосопротивления Rpl выражением (1.9).В случае гибридного разряда, подробно рассмотренного в работе [131], ВЧ поле вплазме Е представлено суммой вихревого Ев и потенциального Еп полей:Е= Ев + Еп .(2.1)Вихревое поле пропорционально величине тока I i , текущего через индуктор (см.
главу 1),а величиной, определяющей потенциальное поле, является напряжение U c , приложенноек обкладкам конденсатора. При параллельном подсоединении индуктора и обкладокконденсаторачерезразделительнуюемкостьCнапряжениеU c оказываетсяпропорционально току антенны и определяется формулой:Ic1 Zi = I i Z i−(2.2)ωCωC Z c Здесь Z i , Z c – импеданс индуктивной и емкостной ветвей разряда, соответственно.Uc = V −Следовательно, исходя из (2.1) и (2.2), суммарное электрическое поле Е такжеоказывается пропорциональным току, текущему через антенну. Таким образом, прирассмотрении гибридного разряда выражение для вложенной в плазму мощностиполучено по аналогии с чисто индуктивным разрядом — из под знака интеграла (1.11)вынесен квадрат тока, текущего через антенну I i :Ppl =h1 h 2R pl I i2(2.3)2Множитель R pl , стоящий перед I i , имеет размерность сопротивления и названэквивалентным сопротивлением гибридного ВЧ разряда [131].
Так же как в случае чистоиндуктивного разряда, эквивалентное сопротивление гибридного разряда является меройспособности плазмы поглощать ВЧ мощность.Отличие гибридного ВЧ разряда от чисто индуктивного состоит в том, чтоэквивалентное сопротивление плазмы гибридного разряда зависит не только от52закономерностей проникновения ВЧ полей в плазму и механизма поглощения мощности,но и от параметров внешней цепи разряда (см. (2.2)).
Влияние этих параметров, а именнореактивных сопротивлений и разделительной емкости, проявляется в изменениисоотношения между вкладами индуктивного и емкостного каналов в поддержаниигибридного разряда.При условии согласования нагрузки с ВЧ генератором часть мощности PGen ,поступающей от генератора во внешнюю цепь индуктивного или гибридного ВЧ разряда,расходуется на нагрев индуктора, а часть — поглощается плазмой [1, 32, 37, 41, 42]:1Rant + R pl ⋅ I i2 ,2– активное сопротивление индуктора.Pgen =где Rant()(2.4)С учетом потерь мощности Pm в системе согласования выражение для балансамощности имеет вид [131]:Pgen − Pm =21Rant + R plh ⋅ I 0i2()(2.5)Из формулы (2.5) следует, что поглощенная плазмой ВЧ мощность может бытьопределена как разность между мощностью, которая поступает от ВЧ генератора вовнешнюю цепь, и мощностью, которая теряется в системе согласования и антенне.
Дляопределения ВЧ мощности, поглощенной плазмой, одновременно измерялись двевеличины: напряжение, подводимое к антенне (к антенне и конденсатору в случаегибридного разряда), при наличии разряда и без разряда, и ток, текущий через антенну.Напряжение измерялось с помощью емкостного делителя, ток — с помощью поясаРоговского [140].
Амплитуды электрических сигналов, поступающих с делителянапряжения и пояса Роговского, определялись с помощью осциллографа Tektronix TDS1012.Для определения потерь мощности в системе согласования Pm без учета потерьмощности в индукторе, следуя [136], использовалась формула:V2Pm =,Rm(2.6)где Rm – сопротивление, которое определяет потери мощности в системе согласования.0Rm определялось путем измерения V0 и мощности ВЧ генератора PGenбез разряда,0приравнивая Pm и PGen :53V02(2.7)0PGenИсходя из этого, потери мощности в системе согласования при наличии разрядаRm =определяются следующим образом:2V 0Pm = PGen Vo (2.8)Чтобы корректно учесть потери мощности во внешней цепи гибридного разряда, втом числе при нагреве индуктора, сначала необходимо определить Rm только дляемкостной цепи разряда, а затем — Rant , используя стандартную процедуру [39] и00величины PGen − Pm вместо PGen .Формула для определения эквивалентного сопротивления плазмы индуктивногоhR и гибридного разрядов R pl следующая [131]:iplR pl =2( Pgen − Pm )I i2− Rant(2.9)2.2.2.
Методика измерения ВЧ токаДля измерения тока I, текущего через антенну, использовался пояс Роговского[140] (см. рис.2.5). Конструкционные особенности пояса Роговского, используемого вданной работе, следующие: фторопластовое кольцо размером (D32xd17xH8) с намоткойиз 50-ти витков медной проволоки диаметром 0,3мм с «обратным кольцом»,расположенным параллельно измеряемому току, для компенсации магнитного потока.
Вцелях уменьшения емкостной связи с внешними цепями данная конструкция помещаетсяв медный корпус. Сопротивление (R=12 Ом), на которое нагружена медная проволока,подбирается с учетом выполнения неравенства:r + R << Lω ,(2.10)где r, L – сопротивление и индуктивность обмотки, ω – ВЧ частота.Напряжение,генерируемоепропорционально амплитуде ВЧ тока.навыходепоясаРоговского,должнобыть54Рис.2.7. Схема пояса Роговского.Для абсолютной калибровки показаний поясов Роговского IR используетсястандартная схема (рис.
2.8). Процедура калибровки подробно описана в [140].Формула для проведения абсолютной калибровки показаний, полученных спомощью пояса Роговского, имеет вид:I ant =iabs⋅ IR*IR(2.11)ВЧгенераторAΩΩОсц. вх. IBΩОсц. вх. IIРис.2.8. Схема для абсолютной калибровки пояса Роговского.552.2.3. Методика зондовых измеренийДля измерения энергетического распределения, эффективной температуры иконцентрации электронов использовались зонды Ленгмюра [45, 140, 141].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
