Диссертация (1102520), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Результаты расчетов λ, λ и δεдля аргоновой плазмы (рабочая частота 2МГц) представлены на рис. 4.3 − 4.5. Как видно,при давлении 0.1 – 1 мТор длина свободного пробега электронов много больше размераисточника, т.е. реализуется режим «свободного полета» [150] электронов.
При болеевысоких давлениях 10 – 1000 мТор реализуется диффузионный режим [150], когда длинасвободного пробега электронов порядка и меньше размера источника плазмы. Длинарелаксации электронов по энергиям при давлениях менее 100 мТор больше размераисточника плазмы, т.е.
электроны набирают энергию в скин-слое, а расходуют ее во всемобъеме источника плазмы. При давлении 100 мТор длина свободного пробегасравнивается с толщиной скин-слоя, а при давлении 200 мТор длина релаксации энергииэлектронов приближается к величине толщины скин-слоя. В этом случае реализуетсярежим локального поглощения ВЧ мощности, когда электроны набирают энергию итеряют ее в пределах скин-слоя.Обращает на себя внимание немонотонное изменение с давлением длинырелаксации электронов по энергии λεпри мощностях ВЧ генератора 400 и 500Вт.107Приобретенная электронами от ВЧ поля энергия может растрачиваться как в упругих, таки в неупругих столкновениях.
Оценим первый, третий и четвертый члены в знаменателевыражения (4.2). Первый член в квадратных скобках (4.2) характеризует потери энергииэлектронов в упругих столкновениях, третий — потери на возбуждение, четвертый — наионизацию. Обозначим долю энергии, которую могут терять электроны, — δε.Полученный результат показан на рис. 4.6. Оценки показывают, что при температурахэлектронов, превышающих 1.5 эВ, основным каналом потерь энергии электронов в аргонеявляются неупругие столкновения. При температурах электронов менее 1 эВ основныепотери энергии происходят в результате упругих столкновений.
Таким образом (см. рис.4.6), в диапазоне давлений аргона 30 – 100 мТор основные потери энергии электроновопределяются величиной сечения упругих столкновений электронов с атомами.При давлении аргона 80 мТор и мощностях генератора 400 и 500 Вт эффективнаятемпература электронов приближается к 1 эВ, при этом максимум ФРЭЭ оказывается вобласти 0.5 эВ, что соответствует минимуму эффективного сечения упругих столкновенийэлектронов с атомами [45, 148]. Это приводит к появлению локального максимума λ вεобласти минимума электронной температуры.l , смλε1000λδ100R101300 Вт0,110-3-210-110010p, TорРис. 4.3.
Зависимости длины релаксации энергии электронов λ , длины свободногоεпробега электронов λ и толщины скин-слоя δ, рассчитанные по экспериментальнополученным параметрам, от давления аргона для мощностей генератора Pgen = 300 Вт.Рабочая частота 2МГц.1081000l , см100λε10λδ1R400 Вт0,1-3-21010-1p, Tор01010Рис. 4.4.
Зависимости длины релаксации энергии электронов λ , длины свободногоεпробега электронов λ и толщины скин-слоя δ, рассчитанные по экспериментальнополученным параметрам, от давления аргона для мощностей генератора Pgen = 400 Вт.Рабочая частота 2МГц.λε1000λδl , см100R101500 Вт0,110-310-2p, Tор10-1100Рис. 4.5. Зависимости длины релаксации энергии электронов λ , длины свободногоεпробега электронов λ и толщины скин-слоя δ, рассчитанные по экспериментальнополученным параметрам, от давления аргона для мощностей генератора Pgen = 500 Вт.δε, отн.ед.Рабочая частота 2МГц.10-710-9-1110-1310-1510012345 6Te, эВ789 10Рис. 4.6. Потери энергии электронов δε в упругих столкновениях ∼2m⋅ν m ⋅ Te (чернаяMкривая), на ионизацию ∼ εizν iz (красная кривая) и на возбуждение ∼ ε excν exc (зеленая кривая).109Изменение частоты ВЧ генератора и рабочего газа не приводят к существенномуизменению границ существования режимов «свободного полета» электронов и локальноговвода ВЧ мощности. Это видно из рис.4.7 и 4.8.Neλε2МГцPgen= 500Вт1000λδnorml , см100Rа1010,110-310-2-110100p, TорArλε2МГцλδnorm1000l , см100Rб101Pgen= 500Вт0,1-3-21010-1p, Tор01010Kr10000λε2МГцPgen= 500Втλδnorm1000Rl , см100в1010,1-31010-210p, Tор-1010Рис.
4.7. Зависимости длины релаксации энергии электронов λ , длины свободногоεпробега электронов λ и толщины скин-слоя δ, рассчитанные по экспериментальнополученным параметрам, от давлениянеона (а), аргона (б) и криптона (в) прификсированной мощности генератора Pgen = 500 Вт.1102МГцλεAr1000λδnorml , см100R101Pgen= 500Вт0,1-3-21010-1p, Tор10100а4МГцλεAr1000λδnorml , см100R101Pgen= 500Вт0,1-410-3-2101010p, Tор-1010б13.56МГц10000λεArλδnorm1000l , см100R101Pgen= 500Вт0,1-410-310-210p, Tор-110010вРис.
4.8 . Зависимости длины релаксации энергии электронов λ , длины свободногоεпробега электронов λ и толщины скин-слоя δ, рассчитанные по экспериментальнополученным параметрам, от давления аргона для частот генератора f = 2; 4; 13,56МГц прификсированной мощности Pgen=500Вт.1114.3.
Пространственное распределение параметров плазмыНа рис. 4.9 представлены зависимости второй производной зондового тока отпотенциала зонда, измеренные в центре и у стенок источника плазмы при изменениидавления аргона в диапазоне 0.81−200 мТор. Мощность ВЧ генератора Pgen составляла 300Вт, рабочая частота – 2 МГц. Показанные на рис. 4.9 зависимости получены численнымдвойным дифференцированием зондового тока. Как видно, при давлениях аргона 0.81 и 3мТор энергетические распределения в области быстрых электронов близки друг к другу, вцентральных частях разряда наблюдается избыток медленных электронов, запертыхстационарными электрическими полями. Полученные результаты характерны для режиманелокальной кинетики электронов, так как энергетические распределения являютсяфункциями полной, а не кинетической энергии электронов.
Качественно близкиерезультаты были получены в работах [50, 53–55, 65, 67–70, 72, 88–90] в экспериментах синдуктивным разрядом, возбуждаемым планарной антенной. В работах [50, 55, 56]отмечается, что дополнительным источником медленных электронов в центральныхобластях плазмы может быть сила Миллера [47, 50, 55, 56, 91], выталкивающая электроныиз области сильных ВЧ полей.При давлении аргона выше, чем 0.01 Тор, когда длина свободного пробегаэлектронов становится сравнимой с радиусом источника плазмы, нелокальный характерФРЭЭ утрачивается, энергетическое распределение электронов становится функцией ихкинетической энергии, причем в области перехода от нелокального к локальномухарактеру в центре и периферийных частях разряда энергетические распределения близкидруг к другу. При давлении 0.2 Тор, когда длина релаксации энергии электроновстановится сравнимой с толщиной скин-слоя, в центральной части разряда эффективнаятемпература электронов становится ниже, чем на периферии.-110r = 0 смr = 19 см-1d2i/dV2d2i/dV2d2i/dV2-210-310d2i/dV210-210-210-210-410-310-30816eVp, эВа240 5 10 15 20 25eVp, эВ10-3048 12 16eVp, эВбв100 4 8 12 16 20eVp, эВгРис.
4.9. ФРЭЭ, измеренные в центре (r = 0) и у стенок (r = 19 см) источника плазмы придавлениях аргона 0.81мТор, (а), 3мТор (б), 10мТор (в), 200 мТор (г). Мощность ВЧгенератора Pgen = 300 Вт.112На рис. 4.10 представлены ФРЭЭ, измеренные в неоне. Обращает на себявнимание, что в неоне при низких давлениях и малых мощностях ВЧ генераторасуществует немонотонная ФРЭЭ. Данный эффект может быть связан с наличиемемкостной составляющей разряда. Аналогичный результат был получен при низкихдавлениях в экспериментах с гелием. Рост мощности ВЧ генератора (см. рис. 4.10),сопровождаемый ростом концентрации электронов, частоты электрон-электронныхстолкновенийиуменьшениемемкостнойсоставляющейразряда,приводиткисчезновению немонотонности энергетического распределения и приближению ФРЭЭ кмаксвелловскому распределению.Спектральные исследования, выполненные в гелии при давлениях 1-10мТор,указывают на существование радиальной неоднородности энергетического распределенияэлектронов.Нарис.4.11представленорадиальноераспределениеотношенияинтенсивности свечения спектральных линий НеI 5016 Å и 4713 Å.
Выбор спектральныхНеI 5016 Å и 4713 Å определился тем, что они обладают сильно различающимся ходомоптических функций возбуждения, и их отношение чувствительно к изменениюэнергетического распределения электронов в области больших энергий.Сравнение экспериментальных величин отношения спектральных линий НеI 5016Å и 4713 Å с калибровочными значениями, рассчитанными в предположении о наличиимакселловского распределения электронов по энергиям в плазме (рис. 2.13 (а)), показалосильное расхождение экспериментальных и расчетных значений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
