Влияние емкостной составляющей на энерговклад в индуктивный ВЧ разряд низкого давления (1102541), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Это – немонотонная зависимость измеренных величин отиндукции магнитного поля. Наличие локальных максимумов зависимостей ip(B), Int(B) являетсяобщей чертой индуктивных ВЧ разрядов низкого давления, однако, положение и количестволокальных максимумов ip(B), Int(B) существенно зависит от условий экспериментов.
При давлении10мТор и выше максимумы, как правило, сглаживаются.Необходимо отметить, что в ряде случаев при работе с торцевой антенной был зафиксировангистерезис ip, Int при увеличении и уменьшении магнитного поля. Появление гистерезиса былотакже обнаружено при изучении зависимостей ip, Int от мощности ВЧ генератора при наложениина индуктивный ВЧ разряд внешнего магнитного поля.Более подробные зондовые и спектральные измерения, выполненные при давлениях менее 10мТор висточнике плазмы диаметром и длиной 15см, оснащенном торцевой спиральной антенной, показали, что приизменении величины внешнего магнитного поля В на индуктивный ВЧ разряд наблюдается немонотонноеизменениеконцентрации плазмы. Рассмотрим типичную зависимость концентрации и эффективнойтемпературы электронов от величины внешнего магнитного поля, полученную при давлении аргона 2мТор имощности ВЧ генератора 200Вт.
В отсутствии магнитного поля значения ne близки к 2.1010см-3. По мерероста магнитного поля в диапазоне 0 – 1.2мТл плотность плазмы монотонно растет и достигает значения 8.31010см-3. Затем концентрация электронов начинает убывать и при магнитном поле 1.8мТл происходит срывразряда. Несмотря на значительные изменения плотности плазмы, эффективная температура электронов смагнитным полем изменяется слабо. В отсутствии магнитного поля эффективная температура электроновблизка к 4эВ, а при наличии магнитного поля изменяется в диапазоне 5-6эВ.Одной из причин увеличения концентрации электронов с ростом магнитного поля в чистоиндуктивном разряде может быть снижение подвижности электронов поперек магнитного поля,уменьшающее уход электронов на боковые стенки источника плазмы.
Однако, уменьшениеконцентрации электронов с ростом магнитн ого поля, а тем более срыв разряда, объяснитьснижением подвижности электронов не удается. Очевидно, что существует как минимум еще одинфактор, влияющий на свойства разряда. Таким фактором может быть перераспределениемощности между антенной и плазмой при изменении внешнего магнитного поля. В связи с этимбыли определены величины ВЧ мощности, поглощенные плазмой при различных величинахмагнитных полей. Это была сделано в экспериментах с чисто индуктивным разрядом на основанииизмерений тока I, текущего через антенну, при увеличении внешнего магнитного поля. Измеренияпоказали, что поджиг разряда приводит к небольшому уменьшению тока текущего через антенну,а дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к росту разницы между токами, текущимичерез антенну при наличии разряда и без него, что свидетельствует о росте эквивалентногосопротивления плазмы и соответственно доли мощности, поглощенной плазмой.
После срываразряда значения тока становятся такими же, как и до поджига разряда.1,0R=7.5см L=10смArp=1.6мТорp=3мТорp=5мТорne/( PПл х p), (отн.ед.)0,80,60,40,20,0020406080100PПл (Вт)120140160180200Рис.2. Зависимость ne/( PПл× p) от мощности, поглощенной плазмой.На рис.2 собраны все экспериментальные данные, представленные в виде зависимостиne / (PПл ⋅ p ) от мощности, поглощенной плазмой.
Здесь p – давление аргона в разрядной камере.Можно видеть, что при условии, когда в плазму вкладывается мощность, превышающая 40Вт, всеточки в пределах погрешности эксперимента ложатся на прямую, параллельную оси абсцисс. Этоозначает, что средняя по объему концентрация электронов в плазме индуктивного ВЧ разрядапропорциональна вложенной в плазму мощности, а особенности изменения плотности плазмы сизменением магнитного поля связаны с перераспределением мощности ВЧ генератора междуактивным эффективным сопротивлением антенны и эквивалентным сопротивлением плазмы. Ростотношения ne / (PПл ⋅ p ) в области малых (<40Вт) мощностей, вложенных в плазму, связан, повидимому, с наличием емкостной компоненты разряда.
Таким образом, приведенные выше данныепозволяют сделать вывод, что изменение концентрации электронов с ростом магнитного поляобъясняются перераспределением ВЧ мощности между двумя активными нагрузками: антенной иплазмой.Вследующейсерииэкспериментовизучалисьсвойстваиндуктивногоразряда,возбуждаемого антеннами с различным эффективным сопротивлением. Для этого эффективноесопротивление исходной антенны искусственно повышалось с помощью дополнительногосопротивления. Изменение характеристик разряда при увеличении сопротивления антенны даловозможность в прямом эксперименте зафиксировать сужение области существования разряда (помагнитному полю) вследствие роста потерь мощности во внешней цепи. Наиболее интересныерезультаты были получены при изучении перехода разряда из Е- в Н- моду при использованииантенн с различным сопротивлением (см. рис.3).
Как видно в чисто индуктивном разряде, с ростомпотерь мощности во внешней цепи (ростом Rant) происходит смещение положения переходаразряда из Е- в Н- моду в область больших мощностей ВЧ генератора. Кроме того, в случае«высокоомной» антенны в переходной области появляется гистерезис. Оценки величинымощности, поглощенной плазмой, по значениям тока, текущего через антенну показали, что приналичии гистерезиса при одной и той же мощности ВЧ генератора существуют два режима: впервом случае подавляющая часть мощности расходуется в антенне и только малая часть идет наподдержание плазмы, а во втором случае – основная часть мощности выделяется в плазме, чтопозволяет разряду гореть в моде с высокой концентрацией электронов.
Аналогичный результатбылполученпривведениидополнительноймощности в разряд через канал постоянноготока(рис.4)Рис.3.Зависимостьинтенсивностисвеченияплазмы от мощности генератора. Результаты,полученные при увеличении мощности генераторапомеченызаполненнымизначками,приуменьшении мощности генератора – полымизначками.
2 – случай «высокоомной» антенны.Рис.4.Зависимостьдолимощности,поступающей в разряд через индуктивныйразряд от мощности ВЧ генератора, питающегоантенну,приувеличении(квадраты)иуменьшении (кружки) мощности. 1 – разряд снезависимым каналом постоянного тока, 2 –чисто индуктивный разрядСравнениеполученныхэкспериментальныхданныхсрезультатамиизмеренийэквивалентного сопротивления плазмы, его теоретическими значениями и результатамиматематического моделирования позволяет сделать вывод, что наблюдавшаяся в экспериментахнемонотонная зависимость эквивалентного сопротивления от величины магнитного поля связана срезонансным характером поглощения ВЧ мощности плазмой вследствие возбуждения связанныхмежду собой геликонов и косых ленгмюровских волн.
Выход из области резонанса вследствиенарушения неравенства:π2 c 2Ωeω = 2 2 << Ω eL ωLe(6)сопровождается резким падением эквивалентного сопротивления, доли мощности, поглощеннойплазмой и соответственно плотности плазмы. В случае, если мощность, поглощаемая плазмой,оказывается недостаточной для поддержания разряда происходит срыв разряда. В выражении(6) L– длина источника плазмы, с –скорость света, Ωе, ωLe - циклотронная и ленгмюровская частоты.Результатыматематическогомоделирования,показали,чтоусловиямипоявлениягистерезиса являются малость сопротивления плазмы по сравнению с сопротивлением антенны, атакже существование немонотонной зависимости эквивалентного сопротивления плазмы отконцентрации электронов.
Неудивительно при этом, что рост сопротивления антенны привел кпоявлению гистерезиса.Четвертая глава диссертации посвящена исследованию влияния емкостной составляющейна свойства индуктивного ВЧ разряда. Для того чтобы разобраться во влиянии емкостнойсоставляющей разряда на зависимость параметров плазмы от магнитного поля, и в частности насрывы разряда, серия описанных в Главе 3 экспериментов с чисто индуктивным разрядом быладополнена экспериментами с разрядом с независимыми индуктивным и емкостным каналами игибридным разрядом.На рис.5 показаны зависимости тока ионов аргона от магнитного поля, полученные спомощью источника ионов, в котором были реализованы чисто индуктивный разряд, разряд снезависимыми индуктивным и емкостным каналами и гибридный разряд.
Как видно, при условиивозбуждения чисто индуктивного разряда последний существует в ограниченной по магнитномуполю области, а именно в диапазоне от 0.5 до 1.6мТл. При наличии независимого емкостногоканала разряд поджигается без внешнего магнитного поля, а в области срыва чисто индуктивногоразряда разряд не гаснет, а переходит в моду, характерную для чисто емкостного разряда.
Областьперехода становится тем более плавной, чем выше величина ВЧ мощности, вкладываемой вплазму через емкостной канал, и чем выше давление аргона.Известно, что при низких давлениях емкостной разряд загорается в γ-режиме, для которогохарактерны формирование квазистационарных приэлектродных скачков потенциала и генерацияпучков быстрых электронов, эффективно ионизующих рабочий газ. Появление быстрыхэлектронов в индуктивном разряде с емкостной компонентой приводит к дополнительнойионизации аргона, увеличению плотности плазмы по сравнению с чисто индуктивным разрядом инаблюдавшемуся росту ионного тока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
