Диссертация (1102520), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Область, занятая плазмой, имеет длину 6см и радиус 3.5 см. Плазма ограниченадиэлектрическими стенками, толщиной 0.5 см. На внешней боковой поверхности цилиндрарасположены три витка с током, осциллирующим с частотой 2, 4 или 12.5 МГц. В моделиучитываются упругие и неупругие столкновения электронов с атомами аргона. Дляуменьшения времени счета масса ионов M взята равной 2000 массам электронов mе. Расчетывыполнялись при концентрациях аргона 1014 см-3, 3·1014 см-3, 1015 см-3, 3·1016 см-3.В процессе счета регистрируются компоненты электромагнитного поля в объеме,пространственные распределения амбиполярного потенциала, концентрации электронов иионов, кинетической энергии электронов и эффективной температуры электронов,рассчитываемой только по изотропной части энергетического распределения электронов.В третьей главе диссертации представлены результаты экспериментального исследованияи численного моделирования влияния внешних условий разряда (давления и рода газа,мощности и частоты ВЧ генератора) на концентрацию и эффективную температуруэлектронов в области скин-слоя, где происходит преимущественное поглощение ВЧмощности, а также на эквивалентное сопротивление разряда, являющееся мерой способностиплазмы поглощать ВЧ мощность.Зондовые измерения, выполненные при частоте 2 МГц, показали, что в исследованныхдиапазонах давления аргона 0.8 – 100 мТор и мощностях ВЧ генератора 100 – 500 Вт ФРЭЭявляется неравновесной [53].
На кривой зависимости второй производной электронного тока12от потенциала зонда, представленной в полулогарифмическом масштабе, можновыделить три части, соответствующие медленным, средним и быстрым электронам [53]. Длябольшинства измеренных ФРЭЭ характерен слабо выраженный избыток медленных идефицит быстрых электронов. С ростом давления и мощности ВЧ генератора пороговоезначение энергии, при котором начинается обеднение функции распределения быстрымиэлектронами, смещается в область более низких энергий. При давлении 0.8 мТор идавлениях, превышающих 100 мТор, вид ФРЭЭ изменяется.
Обзор литературы показывает,что наблюдавшаяся форма ФРЭЭ характерна для разряда с наличием емкостнойсоставляющей [64, 75, 76, 54, 97].При частоте 2 МГц наибольшая концентрация электронов достигается в криптоне,наименьшая – в гелии. Обращает на себя внимание тот факт, что существуют две областидавления, характеризующиеся различным поведением плотности электронов с изменениемдавления. В первой области давлений концентрация электронов увеличивается с ростомдавления при всех рассмотренных мощностях ВЧ генератора, во второй – падает. Величинадавления р*, при котором возрастающий характер изменения концентрации электроновсменяется убыванием, зависит от рода газа.
Так, в гелии максимум электронной плотностинаблюдается при давлении 100 мТор, в аргоне – при 30 мТор, а в криптоне – в области 10–35мТор.Pост давления инертного газа в области p<p* сопровождаются понижениемэффективной температуры электронов Те.
Наибольшая температура электронов наблюдаетсяв гелии, наименьшая в криптоне. Увеличение давления в области p>p* сопровождаетсямедленным ростом температуры электронов. Особенно сильно эффект выражен в гелии. ростдавления инертного газа в области p<p* сопровождаются понижением эффективнойтемпературы электронов Те. Наибольшая температура электронов наблюдается в гелии,наименьшая в криптоне. Увеличение давления в области p>p* сопровождается медленнымростом температуры электронов.
Особенно сильно эффект выражен в гелии.Результаты, полученные на частоте 2 МГц, были дополнены измерениями параметровплазмы на рабочих частотах 4 и 13.56 МГц. Абсолютные значения концентрациимаксимальны для частоты 2 МГц, наименьшие значения концентрации были получены приработе на частоте 13.56 МГц. Увеличение рабочей частоты приводит к смещению положениямаксимума зависимости ne ( p ) в область бóльших давлений. Так, при частоте 2 МГцмаксимум концентрации электронов в разряде в аргоне достигается в диапазоне давлений130.01 – 0.03 Тор, а при частоте 13.56 МГц – при давлении порядка 0.2 Тор.Эффективная температура электронов с ростом давления инертных газов также проходитчерез минимум для всех рабочих частот.
Наименьшие значения Те характерны для рабочейчастоты 2 МГц. При давлениях более 100 мТор эффективная температура электроноввозрастает в случае всех рассмотренных частот, причем наиболее ярко эффект проявляетсядля 4 МГц.Рассмотренные результаты были получены при фиксированной мощности ВЧгенератора.Естественнопредположить,чтонемонотононныйхарактеризмененияпараметров плазмы связан с перераспределением мощности ВЧ генератора Pgen междуплазмой и внешней цепью. Однако изменение доли мощности, поглощенной плазмой, отдавления для всех рассмотренных инертных газов показало, что только в случае гелияудается объяснить понижение концентрации плазмы с увеличением давления в области р >80 мТор уменьшением ВЧ мощности, вкладываемой в плазму.
В случае более тяжелыхинертных газов величина отношения вложенной в плазму мощности к мощности ВЧгенератора Ppl/Pgen слабо зависит от давления. Таким образом, в случае тяжелых инертныхгазов понижение плотности электронов в области давлений порядка 100 мТор не удаетсяобъяснить изменением величины мощности, поглощенной плазмой.На основании измеренных ФРЭЭ также были рассчитаны частоты упругихстолкновений электронов с атомами и представлены зависимости частоты упругихстолкновений от давления инертных газов. Получено, что в диапазоне давлений 0.01 – 0.2Тор частота упругих столкновений электронов с атомами в тяжелых инертных газах ниже,чем в гелии, благодаря наличию эффекта Рамзауэра.Частота столкновений электронов с атомами является одним из важнейшихпараметров, определяющих поглощение ВЧ мощности плазмой. Зависимости эквивалентногосопротивления плазмы для всех рассмотренных инертных газов от концентрации электроновпри фиксированной частоте упругих столкновений убедительно продемонстрировали, чточастота столкновений электронов с атомами в диапазоне 3•106 – 3•107с-1 однозначноопределяет эквивалентное сопротивление плазмы, которое при фиксированной плотностиэлектронов не зависит от рода инертного газа.
При частотах столкновений более 1•108с-1появляется сильная зависимость эквивалентного сопротивления от рода газа. Эквивалентноесопротивление, измеренное в разряде в криптоне, существенно больше, чем те же величины,измеренные в гелии и неоне.14Для выяснения физических причин обнаруженных экспериментальныхзакономерностей были выполнены расчеты концентрации ne и эффективной температуры Тeэлектронов с помощью физической модели индуктивного ВЧ разряда [38, 114, 115]. Отметим,что полученные результаты не зависят от рабочей частоты разряда.
Расчеты выполнены вдиапазоне давлений 1–200 мТор. При давлениях ниже 1 мТор в случае аргона и криптона и10 мТор в случае неона система уравнений не имеет решений, что свидетельствует оневозможности существования чисто индуктивного разряда ниже указанных давлений.Результатырасчетовкачественносоответствуютэксперименту.Значенияконцентрации электронов имеют наибольшие значения в случае криптона, наименьшие – вслучае неона.
Расчеты, так же как эксперимент, показали немонотонную зависимость ne отдавления нейтрального газа. Чем тяжелее инертный газ, тем при меньших давленияхнаблюдается максимум концентрации электронов. Обращает на себя внимание тот факт, чтоабсолютныезначенияконцентрацииэлектроновсущественнонижеполученныхвэксперименте. Это может быть связано с неучетом ступенчатых процессов при проведениирасчетов.Наибольшая температура электронов, так же как в эксперименте, характерна длянеона, наименьшая – для криптона. Температура электронов убывает с ростом давления всехрассмотренных газов. Рассчитанные значения температуры электронов близки к измеренным,но систематически превышают их. Учет ступенчатого возбуждения должен привести кулучшению согласия между измеренными и расчетными характеристиками разряда.Необходимо отметить, что уменьшение температуры электронов ниже 2 эВ сувеличением давления приводит к росту потерь энергии на излучение нейтральнойкомпоненты разряда по сравнению с затратами на ионизацию.
Это, в свою очередь, приводитк понижению концентрации электронов. Таким образом, физическая причина убыванияконцентрации электронов в индуктивном ВЧ разряде в области больших давлений связана сростом отношения энергозатрат на излучение атомов к затратам энергии на их ионизацию.Выполненные расчеты параметров плазмы в рамках модели индуктивного ВЧ разрядане позволяют в полной мере описать результаты экспериментов, в частности, объяснитьсмещение положения максимума зависимости концентрации электронов от давления приизменении частоты ВЧ генератора.
Естественно предположить, что на параметрыиндуктивного разряда может влиять емкостная составляющая, возникающая благодарясуществованию паразитной емкости между индуктором и плазмой.15Влияние емкостной составляющей разряда на параметры разряда былопроанализировано с помощью модели гибридного ВЧ разряда [41, 42, 116, 131]. Полученазависимость концентрации электронов в плазме гибридного ВЧ разряда от давленияинертных газов для рабочей частоты 2МГц.
Необходимо подчеркнуть, что в случаегибридного разряда величины ne , Тe зависят от частоты ВЧ генераторов ω, т.к. вкладемкостной компоненты при фиксированных параметрах внешней цепи сильно зависит от ω.Расчеты показывают, что зависимость концентрации электронов от давления для гибридногоразряда выражена существенно сильнее, чем в случае индуктивного ВЧ разряда.Соотношение между мощностью, поступающей в разряд через индуктивный иемкостной каналы, определяетсяимпедансами каналов, активными эквивалентнымсопротивлением плазмы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
