Диссертация (1102520), страница 16
Текст из файла (страница 16)
3.25, 3.26), что замена гелия аргоном икриптоном приводят к смещению положения максимума эквивалентного сопротивления вобласть больших давлений при малых (~100Вт) вложенных мощностях. Эффект темсильнее, чем выше мощность ВЧ генератора.При значениях вложенной мощностипорядка 400Вт (мощность ВЧ генератора 500Вт) зафиксировать убывающую ветвьзависимости Rpl(p) не удалось (рис.
3.26).93Ppl=100Вт2МГц4МГц13.56МГцRpl, отн.ед.1010,1-410-3-21010-1100-11010p, Тор(а)1,5Ppl=350ВтRpl, отн.ед.2МГц4МГц1,00,50,0-41010-310-2100p, Тор(б)Рис. 3.25. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от давления аргона примощностях ВЧ генератора: а - Ppl=100 Вт, б - Ppl=350 Вт.42 Ì ÃöRpl, Ом3Pgen=500 ВтHeNeArKr210-31010-210-1100p, ТорРис. 3.26.
Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от давления аргона примощности ВЧ генератора Pgen=500 Вт.94В работах [37, 43, 44] показано, что при давлениях выше, чем 1 мТор, основныммеханизмом поглощения ВЧ мощности является столкновительный механизм. В этомслучае эффективность энерговклада существенно зависит от величины частоты электронатомных столкновений. Поэтому, чтобы объяснить причину сдвига положения максимумаэквивалентного сопротивления с изменением рода инертного газа, были рассчитанычастоты упругих и неупругих столкновений для всех рассмотренных инертных газов поформуле:ν = na ∫ f M (ε)σ(ε) ε dε ,(3.12)используя измеренные значения эффективной температуры электронов (см. п.3.1.1).Необходимые для расчета сечения были взяты из работ [138, 139, 146, 148, 149].Результаты расчетов частоты упругих столкновений электронов с атомамиинертных газов представлены на рис.
3.27. Как видно, максимальные значения частотыстолкновений характерны для гелия, минимальные — для неона. При давлениях,превышающих 0.01 Тор частоты упругих столкновений в тяжелых инертных газах ниже,чем в гелии, несмотря на то, что максимальные значения частоты упругих столкновенийвыше в тяжелых инертных газах. Для объяснения полученной закономерности заметим,что минимальная эффективная температура электронов Te в криптоне достигает значенияоколо 1 эВ. В области минимума температуры энергия основной массы электроновнаходится в области Рамзауэровского минимума сечений упругих столкновений [45, 146,148].
Это приводит к понижению частоты упругих столкновений тяжелых инертных газовпо сравнению с гелием. Таким образом, эффект Рамзауэра является причиной понижениячастот упругих столкновений в тяжелых инертных газах в области давлений 0.01 – 0.2 Тор9ν, с-110810HeNeArKr71061010-3-210p, Тор-110010Рис. 3.27. Зависимость частоты упругих столкновений от давления инертных газов.95Результаты расчетов частот упругих столкновений электронов с атомами инертныхгазов показали, что одной из причин наблюдавшегося на рис. 3.25, 3.26 смещенияположения максимума эквивалентного сопротивления является более низкое значениечастоты столкновений в тяжелых инертных газах по сравнению с гелием.Таким образом, при условиях настоящих экспериментов основными параметрами,определяющимиэффективностьпоглощениямощностиплазмой,должныбытьконцентрация электронов и частота столкновений. На рис.
3.28 представлены значенияэквивалентного сопротивления плазмы Rpl для всех рассмотренных инертных газов,соответствующие одинаковым значениям частоты упругих столкновений. Как видно изрис.3.28 (а,б), при условии, что частота упругих столкновений не превышает 3·107 с-1,значенияэквивалентногосопротивленияразличныхгазоввпределахошибкиэксперимента (порядка 15%) «ложатся» на одну кривую. Этот факт подтверждает88 ν=3.106c-1HeNe6ArKrRpl, отн.ед.420HeNeArKr4209107 -1ν=3.10 c6101110-3ne, см910101010ne, ñì(a)11-310(б)86Rpl, отн.ед.Rpl, отн.ед.столкновительный характер поглощения ВЧ мощности.8 -1ν =3.10 c4HeKrNe201091010n e , см-31011(в)Рис.3.28. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от концентрацииэлектронов при различных фиксированных частотах упругих столкновений(a) - 3*106с-1, (б) - 3*107с-1, (в) - 3*108с-1.96Увеличениечастотыстолкновенийдо1*108с-1приводиткпоявлениюзначительного расхождения между данными, полученными в легких инертных газах (He,Ne) и в Kr (рис.3.28 (в)).
В соответствии с рис.3.27 частоты столкновений от 1*108с-1 ивыше могут быть достигнуты при давлениях, превышающих 0.1 Тор, где усиливаетсявлияние емкостной составляющей разряда. В связи с этим возникло предположение, чтоаномальное поведение эквивалентного сопротивления плазмы криптона может бытьвызвано влиянием емкостной компоненты индуктивного разряда. Для того чтобы этопроверить, были выполнены эксперименты с индуктивным источником плазмы,дополненным емкостной компонентой, т.е.
с так называемым гибридным разрядом [41, 42,131, 132]. Сравнение экспериментальных результатов, полученных с чисто индуктивными с гибридным разрядами, показаны на рис. 3.29. Можно видеть, что присутствиеемкостнойкомпонентыприводитксущественномувозрастаниювеличиныэквивалентного сопротивления, особенно в случае с криптоном. Это дает основание дляобъяснения наблюдаемого расхождения между величинами Rpl, полученными дляразличных инертных газов при частотах столкновений ν>3*107с-1 , присутствием явновыраженной емкостной составляющей разряда. Таким образом, если максимум Rplсмещается в область бóльших, чем 0.1 Тор давлений из-за низкой электроннойтемпературы, то убывающая ветвь зависимостиRpl(p) может быть «замаскирована»влиянием емкостной компоненты индуктивного разряда. Данный эффект наиболеевыражен в случае тяжелых инертных газов.Сравнение инд.
и гибр. разрядов400.1 ТорИнд. Гибр.35HeKrRpl, отн.ед.3025201510500102030405060708090100Ppl, ВтРис. 3.29. Зависимость эквивалентного сопротивления от величины ВЧ мощности,вложенной в плазму, в случае чисто индуктивного и гибридного разрядов.973.3. Результаты расчетов эквивалентного сопротивления плазмыЗначения эквивалентного сопротивления плазмы рассчитывались с помощьютеоретической модели индуктивного ВЧ разряда [44] *. Результаты расчетов зависимостиэквивалентного сопротивления от концентрации электронов при различных давленияхаргона и частотах 2, 4 и 13.56 МГц показаны на рис.
3.30−3.35. Можно видеть, чтозависимость эквивалентного сопротивления от концентрации электронов являетсянемонотонной. Как показано в [37], это является следствием конкуренции двух факторов:при низких значениях концентрации электронов способность плазмы поглощать ВЧмощность растет благодаря увеличению числа участвующих в поглощении электронов,при высоких значениях концентрации поглощение ВЧ мощности падает благодарясущественному уменьшению толщины скин-слоя. Сравнение результатов экспериментови расчетов позволяет сделать вывод, что наблюдаемое в экспериментах насыщениезависимости Rpl(ne) связано с достижением максимума эквивалентного сопротивления.Рис. 3.30, 3.31 демонстрируют зависимость эквивалентного сопротивления отдавления.
Можно видеть, рост давления сначала приводит к росту абсолютных значенийэквивалентного сопротивления при условии, что максимум Rpl практически не изменяетсвоего положения, а затем максимум Rpl начинает смещаться в область больших ne.Аналогичная зависимость была зафиксирована в экспериментах (см. рис.
3.22, 3.28)8Rpl, Ом6Ar 2 МГц0.1m мТор1 мТор10 мТор100 мТор420810910101110101210-3ne, смРис.3.30. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от концентрацииэлектронов. Рабочая частота 2 МГц.________________*Программа для расчетов предоставлена К.В. Вавилиным.9850Ar 13.56 МГц0.1 мТор1 мТор10 мТор100 мТор40Rpl, Ом30201008109101010ne, см10111210-3Рис.3.31. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от концентрацииэлектронов. Рабочая частота 13.56 МГц.Рассмотрим, как изменяется эквивалентное сопротивление при изменении рабочейчастоты и давления.
Результаты расчетов показаны на рис.3.32–3.35. При давленияхаргона порядка 1 мТор и ниже наибольшие значения эквивалентного сопротивлениядостигаются при рабочей частоте 2 МГц. Рост давления приводит к значительному ростуэквивалентного сопротивления, соответствующего рабочей частоте 13.56 МГц в областиконцентраций электронов, характерных для индуктивного ВЧ разряда низкого давления.Так, при давлении 100 мТор и выше эквивалентное сопротивление, соответствующеерабочей частоте 13.56 МГц, существенно превосходит значения эквивалентногосопротивления, рассчитанные для частот 2 и 4 МГц.3Ar 0.1 мТор2 МГц4 МГц13.56 МГцRpl, Ом210108910101110ne, см101210-3Рис.3.32.
Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от концентрации электроновдля рабочих частот 2, 4 и 13.56 МГц, 0.1 мТор.994Ar 1 мТор2MHz4MHz13.56MHzRpl, Ом3210810910101110121010-3ne, смРис.3.33. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от концентрации электроновдля рабочих частот 2, 4 и 13.56 МГц, 1 мТор.15Rpl, Ом12Ar 10 мТор2 МГц4 МГц13.56МГц9630810910101110101210-3ne, смРис. 3.34. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от концентрацииэлектронов для рабочих частот 2, 4 и 13.56 МГц, 10 мТор.5040Ar 100 мТор2 МГц4 МГц13.56МГцRpl, Ом3020100810910101110ne, ñì101210-3Рис.3.35. Зависимость эквивалентного сопротивления плазмы от концентрации электроновдля рабочих частот 2, 4 и 13.56 МГц, 10 мТор.100Рассмотрим, как влияет емкостная составляющая на величину эквивалентногосопротивления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
