Диссертация (1102520), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Рис. 3.12–3.14 показывают, что при низких значенияхприэлектродного скачка потенциала U основным каналом потерь в объеме плазмыявляются затраты энергии на возбуждение атомов аргона максвелловскими электронами.Чем выше давление, тем большее значение принимает член w7. Именно этой причинойобъясняется уменьшении концентрации электронов при давлениях более 100мТор в чистоиндуктивном разряде в аргоне. Гибридный ВЧ разряд отличается от индуктивногоналичием приэлектродных слоев потенциала. Рост падения потенциала в приэлектродныхслоях приводит к возрастанию роли канала потерь энергии w1, связанного с выносомэнергии ионами на электроды. При значениях U >200В при всех рассмотренныхдавлениях указанный канал является преобладающим.Потокэнергии,выносимыйионами,пропорционаленпотенциалу плазмыотносительно электрода. Рассмотрим, как ведут себя величины напряжения V на концахантенныиприэлектродногоскачкапотенциалаUприизменениидавления.Соответствующие зависимости показаны на рис.3.15, 3.16.
Напомним, что напряжение наэлектродах равно напряжению на концах антенны минус падение напряжения наразделительной емкости.L=4 мкГн C=100 пФ2 МГцNeArKr2500V, В2000150010005000050100150200p, мТорРис.3.15. Расчетная зависимость потенциала V от давления неона, аргона и криптона длязначения вложенной в плазму мощности 500Вт. Расчет выполнен для значенийиндуктивности антенны 4мкГн, разделительной емкости 100пФ. Рабочая частота 2МГц.86L=4 мкГн C=100 пФ2 МГцNeArKr25002000U, В150010005000050100150200p, мТорРис.3.16. Расчетная зависимость потенциала U от давления неона, аргона и криптона длязначения вложенной в плазму мощности 500Вт. Расчет выполнен для значенийиндуктивности антенны 4мкГн, разделительной емкости 100пФ.
Рабочая частота 2МГц.Как и следовало ожидать, значения U существенно ниже, чем V. Однако величиныU в подавляющем числе случаев соответствуют области, где член w1 , определяющийвынос энергии ионами из разряда на электроды, является основным каналом потерьэнергии.Наибольшие значения U достигают в неоне. В связи с этим концентрацияплазмы в гибридном разряде в неоне существенно понижена по сравнению синдуктивным разрядом. Значения U для криптона ниже, чем для других инертных газов,поэтому значения ne для гибридного разряда достаточно велики. Обращает на себявнимание рост U для разряда в криптоне в области давлений выше 100мТор. Этообъясняет быстрый спад концентрации электронов в гибридном разряде в криптоне вуказанном диапазоне давлений.Очевидно, что роль индуктивного и емкостного каналов гибридного ВЧ разрядасущественно зависит от частоты.
Рассмотрим гибридный ВЧ разряд, горящий на частоте13.56 МГц. В случае более высокой частоты импеданс антенны возрастает, а импедансразделительной емкости падает по сравнению с частотой 2 МГц. На рис. 3.17 показанызависимости напряжений V и U от давления аргона для двух частот 2 и 13.56 МГц. Можновидеть, что при низких давлениях (до 100 мТор) приэлектродное падение потенциала вразряде, горящем на частоте 2 МГц, существенно ниже, чем на частоте 13.56 МГц.Соответственно, концентрация электронов в разряде на более низкой частоте выше (см.рис. 3.11, 3.18).
При давлении 100 мТор значения U для частоты 13.56 МГц становятсяниже, чем в случае частоты 2 МГц. Это объясняет смещение максимума плотности87плазмы на частоте 13.56 МГц в область больших давлений по сравнению с частотой 2МГц (рис. 3.11, 3.18).35003000V, U , В25002000L=4 мкГн C=100 пФ2 МГцVU13.56 МГцVU150010005000110100p, мТорРис.
3.17. Расчетная зависимость потенциалов V,U от давления аргона для значениявложенной в плазму мощности 500 Вт. Расчет выполнен для значений индуктивностиантенны 4 мкГн, разделительной емкости 100 пФ. Рабочие частоты 2 и 13.56 МГц.Ar 13 МГцИндуктивный разрядГибридный разрдL=2 мкГн C=100 пФL=4 мкГн C=100 пФL=1 мкГн C=30 пФL=1 мкГн C=100 пФ105x1010ne, см-34x10103x10102x10101x100110p, мТор100Рис. 3.18. Расчетные зависимости концентрации электронов от давления аргона дляиндуктивного и гибридного ВЧ разрядов. Значения вложенной в плазму мощности 500 Вт.Красным помечена расчетная кривая для значений индуктивности антенны 4 мкГн,разделительной емкости 100 пФ. Рабочая частота 13.56 МГц.На рис.3.19 показан расчет доли мощности, поступающей в гибридный ВЧ разрядчерез емкостной канал, для рабочей частоты 2 МГц. Как видно, она исчезающе мала.Таким образом, в рассмотренном случае основным отличием гибридного ВЧ разряда от88индуктивного является наличие падения потенциала в приэлектродных слоях, котороеконтролирует значения плотности электронов.010-1Pc/(Pc+Pind)10-210L=4 мкГн C=100 пФ2МГцNeArKr-310-410050100p, мТор150200Рис.
3.19. Рассчитанные значения доли мощности, поступающей в гибридный ВЧ разрядчерез емкостной канал, для рабочей частоты 2 МГц.Увеличение рабочей частоты гибридного ВЧ разряда сопровождается увеличениемдоли мощности, поступающей в разряд через емкостной канал (см. рис.3.20). Так начастоте 13.56 МГц при тех же параметрах внешней цепи более половины ВЧ мощностипоступает в разряд через емкостной канал.Ar 13.6 МГцL=1мкГн C= 30пФ1,0L=1мкГн C=100пФL=2мкГн C=100пФL=4мкГн C=100пФPc/(Pc+Pind)0,80,60,40,20,0050100p, мТор150200Рис.
3.20. Рассчитанные значения доли мощности, поступающей в гибридный ВЧ разрядчерез емкостной канал, для рабочей частоты 13.56 МГц. Синим помечена расчетнаякривая для значений индуктивности антенны 4 мкГн, разделительной емкости 100 пФ.89Приведенные выше расчеты выполнены для значений индуктивности антенны 4мкГн, разделительной емкости 100 пФ. Рассмотрим, как влияют параметры внешней цепина значения концентрации электронов в разряде (см.
рис. 3.18, 3.20). Отметим, чтоуменьшение разделительной емкости в эксперименте можно добиться, увеличиваярасстояние между плазмой и антенной. Как видно, уменьшение разделительной емкостидо 30 пФ и индуктивности до 1 мкГн в гибридном ВЧ разряде, горящем на частоте 13.56МГц, позволяет получить плотность плазмы не ниже, чем в индуктивном разряде. Рост Си особенно L сопровождаются существенным понижением плотности плазмы.Сравнение измеренных и рассчитанных зависимостей концентрации и температурыэлектронов с учетом емкостной составляющей разряда от давления инертных газовуказывает на их качественное согласие.
Измерения и расчеты показывают, чтозависимость концентрации электронов от давления является немонотонной. Падение ne вобласти больших давлений связано с увеличением роли потерь энергии макселловскихэлектронов на возбуждение атомов и ростом выноса энергии ионами из разряда. Рольемкостного канала увеличивается с ростом частоты ВЧ генератора. Сравнениерезультатов, полученных на частоте 13.56 МГц с расчетами, показывает, что разряд приусловиях экспериментов по сути дела являлся гибридным.
Значительный вклад емкостнойкомпоненты привел к существенному понижению концентрации электронов придавлениях 1-10 мТор.903.2. Результаты измерения эквивалентного сопротивления плазмыНа рис. 3.21 представлены зависимости эквивалентного сопротивления плазмы Rplот мощности Ppl, вложенной в плазму, для различных инертных газов. Как видно, для всехизмеренных кривых Rpl (Рpl) характерна общая тенденция: при относительно малыхвеличинах мощности Ppl эквивалентное сопротивление плазмы увеличивается с ростомвложенной мощности, а затем насыщается.HeNe12-37.3*10 Тор-21.5*10 Тор-11.1*10 Тор104МГц-48.4*10 Тор-32.4*10 Тор-36*10 Тор-21.1*10 Тор-23.2*10 Тор-27.8*10 Тор-11.1*10 Тор-12.3*10 Тор-14.3*10 Тор-17.2*10 Тор1 Тор2 МГц3Rpl, OмRpl, Ом8464212001002003004005000100200Ppl, Вт300Ar2 МГц-48.1*10 Тор-33*10 Тор-35,7*10 Тор-21*10 Тор-23*10 Тор-27,6*10 Тор0.11 Тор0.2 Тор0.41 Тор0.62 ТорRpl, Ом3212003004005003Rpl, Ом2 МГц100500Kr440400Ppl, Вт-48,3*10 Тор-32,7*10 Тор-39,6*10 Тор-23,5*10 Тор-25*10 Тор-11*10 Тор-12*10 Тор21100200Ppl, Вт300400500600Ppl, ВтРис.
3.21. Зависимости эквивалентного сопротивления плазмы Rpl от мощности Ppl,вложенной в плазму, для различных инертных газов.Рассмотрим зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от давления. Нарис. 3.22 представлены зависимости Rpl (Ppl) для различных давлений неона. Врассматриваемом диапазоне давлений стоит выделить 2 области. Первая – от 1 мТор до 1Тор, вторая – от 1 Тор до 10 Тор. Можно видеть, что в первой области давления значенияэквивалентного сопротивления растут с увеличением давления. Во второй области прималых Ppl происходит смещение мощности, где начинается рост Rpl в сторону бóльшихзначений Ppl. Чем выше давление, тем сильнее сдвиг. Такое поведение типично для всехрассмотренных инертных газов.91Ne 2 МГц-31*10 Тор-25*10 Тор-27.5*10 Тор0.47 Тор1 Тор5Rpl, Ом43210050100150200250300350400450300350400450Ppl, Âò(а)5Ne 2 МГцp= 0.47 Торp= 1 Торp= 5 Торp=10 Тор4Rpl, Ом3210050100150200250Ppl, Вт(б)Рис.
3.22. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от величины ВЧмощности, вложенной в плазму. Ne, 2 МГц.Обратимся к зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от рабочейчастоты генератора. На рис. 3.23 показаны данные, полученные в индуктивном разряде вгелии. Стоит обратить внимание на три характерных особенности поведения зависимостиRpl(p). Во-первых, на рост величины Rpl с увеличением ВЧ частоты. Во-вторых, нанемонотонную зависимость Rpl от давления гелия при фиксированной величинемощности, вложенной в плазму, и, в-третьих, смещение положения максимума Rplвсторону бóльших значений давления с увеличением рабочей частоты ω.Оценки показывают, что максимум Rpl достигается при условии близости частотыстолкновений и рабочей частоты поляν ≈ ω (см.
рис. 3.24), т.е. при условии, когдадиэлектрическая проницаемость плазмы достигает максимума.921816Rpl, отн. ед.1412100 Вт2 МГц4 МГц13.56 МГц1086421101001000p, мТорРис. 3.23. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от давления гелия прификсированной мощности, вложенной в плазму, Ppl = 100Вт для частот генератора f =2, 4, 13.56 МГц.79x1078x10ω 13.6МГц77x10νelastic, c-176x1075x1074x1073x10ω 4МГц72x10ω 2МГц71x100,1110100p, мТорРис. 3.24. Зависимость эффективной частоты упругих столкновений от давления гелия.Горизонтальными прямыми указаны значения рабочих частот ω: черная – 2 МГц,красная – 4 МГц, зеленая – 13.56 МГц.Эксперименты показали (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
