Диссертация (1102520), страница 14

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

Текст из файла (страница 14)

На рис. 3.7 показано изменение доли мощности, поглощеннойплазмой, от давления для всех рассмотренных инертных газов. Можно видеть, что тольков случае гелия удается объяснить понижение концентрации плазмы с увеличениемдавления в области р>80 мТор уменьшением ВЧ мощности, вкладываемой в плазму. Cувеличение атомного номера инертного газа (в случае более тяжелых инертных газов)величина Ppl/Pgen слабо зависит от давления. Это видно из рис.

3.7.1,00,90,8Ppl/Pgen0,7500 ВтHeNeArKr0,60,50,40,30,210-310-210-1100p, ТорРис.3.7. Зависимость доли мощности, поглощенной плазмой, от давления инертных газов.Частота генератора f = 2 МГц, мощность Pgen = 500 Вт.Таким образом, в случае тяжелых инертных газов понижение плотностиэлектронов в области давлений порядка 100 мТор и выше не удается объяснитьизменениемвеличинымощности,поглощеннойплазмой.Физическиепричинынаблюдавшихся закономерностей изменения концентрации и эффективной температурыэлектронов были проанализированы с помощью математического моделирования.793.1.2. Расчет концентрации и эффективной температуры электронов спомощью физических моделей индуктивного и гибридного ВЧ разрядовРезультаты расчета температуры и концентрации электронов с помощьюфизической модели индуктивного ВЧ разряда (см. Главу 2) для значения мощности,вложенной в плазму, 500 Вт показаны на рис.

3.8, 3.9. Отметим, что полученныерезультаты не зависят от рабочей частоты разряда. Расчеты выполнены для диапазонадавлений 1 – 200 мТор. При давлениях ниже 1 мТор в случае аргона и криптона и 10мТор в случае неона система уравнений не имеет решений, что свидетельствует оневозможности горения чисто индуктивного разряда ниже указанных давлений.106x10105x10ne, см-3104x10103x10102x10NeArKr101x100110p, мТор100Рис. 3.8. Расчетная зависимость концентрации электронов от давления неона, аргона икриптона для значения вложенной в плазму мощности 500 Вт.

Расчет выполнен наосновании математической модели индуктивного ВЧ разряда.8NeArKr76Te, эВ543210110100p, мТорРис. 3.9. Расчетная зависимость температуры электронов от давления неона, аргона икриптона для значения вложенной в плазму мощности 500 Вт. Расчет выполнен наосновании математической модели индуктивного ВЧ разряда.Рис. 3.8 и 3.9 показывают, что результаты расчетов качественно соответствуютэксперименту. Значения концентрации электронов имеют наибольшие значения в случае80криптона, наименьшие – в случае неона.

Расчеты, так же как эксперимент, показалинемонотонную зависимость ne от давления нейтрального газа. Чем тяжелее инертный газ,тем при меньших давлениях наблюдается максимум концентрации электронов. Обращаетна себя внимание тот факт, что абсолютные значения концентрации электроновсущественно ниже полученных в эксперименте. Это может быть связано с неучетомступенчатых процессов при проведении расчетов. Учет ступенчатых процессов долженпривести к росту концентрации электронов и падению температуры электронов.Наибольшая температура электронов, так же как в эксперименте, характерна для неона,наибольшая – для криптона.

Температура электронов убывает с ростом давления всехрассмотренных газов. Рассчитанные значения температуры электронов близки кизмеренным, но систематически превышают их. Учет ступенчатого возбуждения долженпривести к улучшению согласия между измеренными и расчетными характеристикамиразряда.Рассчитанные значения концентрации и температуры электронов позволяютпрояснить причину убывания концентрации электронов, полученного в экспериментах, вобласти больших давлений. Она связана с резким ростом потерь энергии на возбуждение вразряде, по сравнению с затратами на ионизацию, при низких значениях температурыэлектронов (см.

рис.3.10).На рис. 3.10 показана зависимость величины W (отношения затрат энергии на излучениеатомов к потерям на ионизацию), рассчитанной по формуле (2.24), от температурыwэлектронов.10610510410310210110010-10246810Te, эВРис.3.10. Зависимость радиационных потерь в разряде от температуры электронов.81Уравнения численной модели индуктивного ВЧ разряда (см. главу 2) не содержатчленов, зависящих от рабочей частоты разряда. Таким образом, модель не позволяетобъяснить наблюдавшиеся различия в значениях концентрации и эффективнойтемпературы электронов, измеренных при частотах 2, 4 и 13.56 МГц.

Одной из причин,которая может привести к частотной зависимости параметров плазмы, является емкостнаясоставляющая разряда. Рассмотрим далее, как влияет наличие емкостной составляющейразряда на поведение концентрации и температуры электронов при изменении давлениярабочих газов.На рис.3.11 показана зависимость концентрации электронов в плазме гибридногоВЧ разряда от давления инертных газов для рабочей частоты 2МГц. Необходимоподчеркнуть, что в случае гибридного разряда величины ne , Тe зависят от частоты ВЧгенераторов ω, т.к. вклад емкостной компоненты при фиксированных параметрах внешнейцепи сильно зависит от ω.Рис.3.11 показывает, что зависимость концентрации электронов от давления длягибридного разряда выражена существенно сильнее, чем в случае индуктивного ВЧразряда.

Кроме того, абсолютные значения плотности плазмы в гибридном разряде ниже,чем в индуктивном ВЧ разряде.102 МГцNeArKr4x1010ne, см-33x10102x10101x100110100p, мТорРис.3.11. Расчетная зависимость концентрации электронов от давления неона, аргона икриптона для значения вложенной в плазму мощности 500Вт. Расчет выполнен наосновании математической модели гибридного ВЧ разряда для значений индуктивностиантенны 4мкГн, разделительной емкости 100пФ. Рабочая частота 2МГц.Для того чтобы установить физические причины уменьшения концентрацииплазмы с ростом давления инертных газов, еще раз напишем уравнение баланса энергии вразряде [131] (см.

гл. 2):82eU− sh − kTeϕkTe= n+ v + 2S flangeU sh + Slateral ϕ +nsl v e  e e Slateral + e kTe 2S flange  +e2Ppl[][()()+ n fst v fst S − (U sh − ϕ) + U i no 1 + R ne Z + 1 + R n fst Z islcslifcfst,(3.1)]Vгде ne,, n fst , n+, nо – концентрация медленных и быстрых электронов, ионов и нейтралов; Ui– потенциал ионизации; Z is , Z i fst – скорость ионизации аргона медленными и быстрымиэлектронами; Rcsl , Rcfst – удельные затраты энергии на излучение атомов в результате ихвозбуждения медленными и быстрыми электронами; Ppl – ВЧ мощность, вкладываемая вплазму, v + – скорость ионов, которая определяется формулой Бома [1, 45, 141]; v e –тепловая скорость электронов; 2 S flange – площадь электродов; Slateral – площадь стенокгазоразрядной камеры; eU sh и eϕ – энергия, которую ионы выносят на электроды истенки, соответственно; 2kTe – энергия, которую выносят электроны.Вn+ =работеуравнение[131]было(3.1)приведеноквиду:Pple( w1 + w2 + w3 + w4 + w5 + w6 + w7 + w8 + w9 ),(3.2)где концентрация ионов n+ является частным от деления заданной мощности Pplна сумму слагаемых w1 ,…, w9 , каждое из которых соответствует определенному каналупотери мощности в разряде:w1 – член уравнения (3.1), пропорциональный выносу энергии ионами наэлектроды,w1 = 2 S flangeU sh ;(3.3)w2 - член уравнения (3.1), пропорциональный выносу энергии ионами на стенкиисточника плазмы,w2 = S lateral ϕ ;(3.4)w3 - член уравнения (3.1), пропорциональный выносу энергии медленнымиэлектронами на стенки источника плазмы,()slγv + (2 S flange + S lateral ) + no Z ionVshkT w3 = e 1 −fstsl2 v fst (2 S flange + S lateral ) − no Z ionVsh + no Z ionVsh(eϕ)−v e e kTe S lateral ;(3.5)83w4 - член уравнения (3.1), пропорциональный выносу энергии медленными электронамина электроды,()slγv + (2 S flange + S lateral ) + no Z ionVshkTe w4 =1−fstsl2 v fst (2 S flange + S lateral ) − no Z ionVsh + no Z ionVsh(− shv e e kTe 2 S flangeeU)(3.6)w5 - член уравнения (3.1), пропорциональный выносу энергии быстрымиэлектронами на стенки источника плазмы,w5 =(γv(vfst+slS (2 S flange + S lateral ) + no Z ionVsh)fstsl(2S flange + S lateral ) − no Z ionVsh + no Z ionVsh)vfstS lateral (U sh − ϕ) ;(3.7)w6 - член уравнения (3.1), пропорциональный потерям энергии на ионизациюатомов аргона медленными электронами в объеме источника плазмы;()slγv + (2 S flange + S lateral ) + no Z ionVshw6 = U i no 1 −fstslVsh + no Z ionVshv fst (2 S flange + S lateral ) − no Z ion() slZ i ;(3.8)w7 - член уравнения (3.1), пропорциональный потерям энергии на возбуждениеатомов аргона медленными электронами в объеме источника плазмы;()slγv + (2 S flange + S lateral ) + no Z ionVshw7 = U i R no 1 −fstslv fst (2 S flange + S lateral ) − no Z ionVsh + no Z ionVshslc() slZ i ;(3.9)w8 - член уравнения (3.1), пропорциональный потерям энергии на ионизациюатомов аргона быстрыми электронами в объеме источника плазмы;()slγv + (2 S flange + S lateral ) + no Z ionVshw8 = U i nofstsl v (2Sflange + S lateral ) − no Z ion Vsh + no Z ionVsh fst() fstZ i(3.10)w9 - член уравнения (3.1), пропорциональный потерям энергии на возбуждениеатомов аргона быстрыми электронами в объеме источника плазмы;()slγv + (2 S flange + S lateral ) + no Z ionVshw9 = U i R nofstsl v (2Sflange + S lateral ) − no Z ion Vsh + no Z ionVsh fstfstc()На рис.3.12–3.14 показаны зависимости значений fstZ i .w1 ,…,(3.11).w9от величиныприэлектродного скачка потенциала, рассчитанные в данной диссертационной работе длядавлений аргона 1, 10 и 100мТор и значения γ=0.1, используя разработанную в [131]модель, которая подробно описана в Главе 2.842110n=1n=2n=3n=4n=5n=6n=7n=8n=9wn, отн.ед.20101910181017100200400600800U, ВРис.3.12.

Зависимость слагаемых w1,….w9 (3.3)-(3.11) от величины приэлектродногоскачка потенциала. Давление аргона 1мТор. γ=0.1.21wn, отн. ед.10n=1n=2n=3n=4n=5n=6n=7n=8n=92010191018100200400U, В600800Рис. 3.13. Зависимость слагаемых w1,….w9 (3.3)-(3.11) от величины приэлектродногоскачка потенциала. Давление аргона 10мТор. γ=0.1.21n=1n=2n=3n=4n=5n=6n=7n=8n=9wn, отн. ед.10201019100200400600800U, ВРис.3.14. Зависимость слагаемых w1,….w9 (3.3)-(3.11) от величины приэлектродногоскачка потенциала.

Давление аргона 100мТор. γ=0.1.85Стоит напомнить, что в индуктивном ВЧ разряде потенциал плазмы относительностенок φi определяется температурой электронов. В гибридном разряде потенциал плазмыотносительно стенок определяется величиной φh, близкой по величине к φi, в то время какпотенциал плазмы относительно электродов равен величине U , зависящей от напряжениямежду обкладками конденсатора.

Характеристики

Список файлов диссертации