Автореферат (1103130), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Звенигород; Всероссийская (с международным участием) конференция «Физиканизкотемпературной плазмы» (ФНТП-2017), Казань, 5-9 июня 2017 г.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объемдиссертации 119 с., включая 43 рис, 5 таблиц. Список литературы насчитывает 192наименования.Краткое содержание работыВо Введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи,сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и дано краткое описаниеработы.Глава 1 содержит литературный обзор.
Анализ известных способов получения СВЧплазмы показал, что несомненный интерес для дальнейших исследований представляютинициированные разряды, которые могут создаваться при малых уровнях падающеймощности, не ограничены внешними стенками и имеют сильно неоднородную структуру.Последнее может влиять на механизмы физико-химических процессов в них.Представителем таких разрядов является электродный микроволновый разряд.Анализрезультатовмоделированияэлектродногомикроволновогоразряда(совместно с экспериментальными данными) показал, что важной и далеко не до концаисследованной задачей является изучение влияния малых добавок инертных имолекулярных газов на кинетику процессов в нем. Это исследование будет продолжено напримерах разряда в смесях водорода с малыми добавками аргона и водорода с малымидобавками азота.7Открытой областью для исследования является изучение влияния внешнихпостоянных полей на параметры СВЧ разряда.Эти задачи и являются содержанием диссертационной работы.
Для их решениянеобходимо усовершенствовать имеющиеся модели.Глава 2 содержит описание разработанных базовых самосогласованных одноидвумерной моделей электродного СВЧ разряда. Описана геометрия и основныеуравнения.Геометрия разрядной камеры, используемая в двумерной модели, приведена нарис.1 (она соответствует геометрии разрядной камеры, в которой проводилисьэксперименты для сравнения с результатами расчетов). Одномерное моделированиепроводилось в приближении сферической симметрии.Одномернаясферическисимметричнаямодель включает в себя уравнение для СВЧ поляEm в плазме в квазистатическом приближении,, где E0 –амплитудаСВЧ-полянаповерхностицентрального сферического электрода, n = ne/nc –концентрациякритическомуэлектронов,отнесённаякихзначению; ne – электронная плотность, ω = 2πf =1,54*1010 с-1, f = 2,45 Ггц – круговая частота СВЧполя; νen – частота столкновения электронов смолекулами.В двумерной модели напряженность СВЧполя рассчитывается при решении уравненийРис.
1. Геометрия цилиндрическисимметричной расчетной области(всеразмерыданывмиллиметрах). СВЧ энергия вкамерувводитсячерезкоаксиальныйволновод.Вцентральном электроде имеетсяцилиндрическая полость.Максвелла.ОбемоделивключаютвсебяуравненияПуассона, Больцмана и кинетические уравнениядля концентраций заряженных и нейтральныхчастиц плазмы, находящихся в основном ивозбужденных состояниях.
Поскольку расчетфункции распределения электронов по энергиям вмолекулярных газах невозможен без учета колебательного распределения молекул восновном состоянии, самосогласованно с решением уравнения Больцмана для электронов8проводился расчет функции распределения по колебательным уровням в диффузионномприближении [27]. Также обе модели позволяют рассчитывать пространственныераспределенияконцентрацийпространственныеэлектроновраспределенияСВЧиивозбужденныхпостоянногополей.тяжелыхчастиц,Деталимоделей,используемых для решения конкретных задач, описаны в соответствующих главах.Моделирование проводилось при помощи программы Comsol 3.5a, использующей методконечных элементов .
Расчеты проводились на 12-ядерном процессоре Xeon с частотой 2.3ГГц и оперативной памятью 32 ГБ.В Главе 3 рассмотрены некоторые результаты, полученные, в основном, приодномерном моделировании электродного СВЧ разряда. Проведено моделированиевлияниядиэлектрическогопокрытияметаллическогоэлектрода(изменениеэлектродинамики разряда, осаждение зарядов на поверхности диэлектрика, изменениекаталитических свойств поверхности антенны) на параметры плазмы СВЧ разряда вводороде при пониженном давлении. Показало, что: (а) использованием диэлектрическогопокрытия разной толщины и разной диэлектрической проницаемости можно управлятьпространственным распределением напряженности микроволнового поля у антенны. (б)изменение электродинамики и осаждение зарядов на поверхности диэлектрика оказываютвлияние только на приповерхностную область разряда и практически не влияют нахарактеристики плазмы в объеме плазмы (например, на максимальное значениеконцентрации электронов), (в) каталитические свойства поверхности диэлектрика сильновлияют на максимальное значение концентрации атомов водорода в случае преобладанияих гибели в процессах диффузии и рекомбинации на поверхности, (г) осаждение зарядовна поверхностиотносительнодиэлектрика приводит кплазмы,(новозрастаниюпространственноепотенциала поверхностираспределениепостоянногополяпрактически не изменяется), а также приводит к смешению области плазменногорезонанса к поверхности электрода.
Можно ожидать, что с увеличением роли объемнойрекомбинации атомов водорода, роль основного фактора влияния диэлектрическогопокрытия на параметры плазмы будет уменьшаться.В рамках одномерной модели проведено также исследование влияния добавкиазота на параметры электродного водородного разряда при давлении 1 Торр.Было показано, что как изменение функции распределения электронов по энергиям(изменение транспортных свойств электронов), так и изменение ионного состава плазмыдаже при 5% добавке азота влияют на профили концентраций электронов и СВЧ-:поля(рис.2).
Изменение функции распределения электронов по энергиям оказывает влияние в9шаровой области разряда (рис.2), так как увеличение подвижности электронов придобавлении азота приводит к уменьшению размеров плазменного образования. Изменениеионного состава плазмы (основным ионом становится ион N2H+ ) влияет на структуруплазмы у поверхности электрода.Эти результаты опубликованы в [3А, 11А, 12А].Рис. 2. Радиальные профили СВЧ поля. Синие кривые – разряд в чистомводороде; красные – с 5%-ой добавкой азота; зеленые – с 20%-ой добавкойазота. I – область сильного СВЧ поля, II - шаровая область плазмы.В главе 4 исследуется влияние малой (до 5%) добавки аргона на параметрыэлектродного СВЧ разряда в водороде при давлении 1 Торр.
Использована модель,описанная в Главе 2 и дополненная кинетическими процессами с участием атома аргона.Некоторые результаты показаны на рис. 3, 4. Видно, что добавка аргона изменяетпараметры разряда (например, уменьшает объем плазмы (рис.3).10Рис..3. Двумерные распределения рассчитанных концентраций электронов,нормированных на критическое значение, в ЭМР при разных уровнях добавкиаргона при полном давлении 1 Торр и падающей мощности 60 Вт. а) чистыйводород, б) 3% аргона, в) 5% аргона.Рис.4. Двумерные распределения рассчитанных концентраций электронов,нормированных на критическое значение,в ЭМР при разных падающихмощностях при полном давлении 1 Торр и добавке 5% аргона. а) падающаямощность 30 Вт, б) падающая мощность 45 Вт, в) падающая мощность 60 Вт.Ранее экспериментально было показано, что добавление нескольких процентоваргона к водороду при неизменной падающей мощности ведет к уменьшениюмаксимальных значений интенсивностей излучения линий атомарного водорода.Исследовались аксиальные распределения интенсивностей излучения.
Для сравнения сданными экспериментов и их объяснения по результатам расчетов были построены11аксиальные распределенияпараметров разряда при разных концентрациях аргона(рис.5,6).Рис..5. Аксиальные распределениярассчитанных концентраций атомовводорода в состоянии 3S,3P,3D, в ЭМР приразных концентрациях аргона при давлении1 Торр и падающей мощности 60 ВтРис.6.Аксиальныераспределениярассчитанного СВЧ поля в ЭМР приразных концентрациях аргона при давлении1 Торр и падающей мощности 60 ВтРезультаты 2D-моделирования (рис. 5) качественно согласуются с результатамиэкспериментов: концентрация атомов H(3S,3P,3D), ответственных за излучение линииH, тоже уменьшается при увеличении добавки аргона.Анализ рассчитанных пространственных распределений ионной компонентыплазмы (ионы Н2+, Н3+, Ar+), распределения постоянного поля в окрестности антенны ипотока ионов на нее позволил определить механизм влияния малой добавки аргона напараметры разряда в водороде.
Несмотря на то, что в общем балансе заряженных частицион Ar+ составляет малую долю, вблизи электрода его роль велика. Дополнительный (посравнению с разрядом в чистом водороде) ион уменьшает суммарный поток ионов наэлектрод (рис. 7). Поскольку в самостоятельном разряде напряженность поля, котороесоздаёт плазму (СВЧ поле) определяется балансом заряженных частиц, то уменьшениепотока заряженных частиц на поверхность электрода вызывает уменьшение скорости ихрождения. Ионизация происходит в результате электронного удара и зависит, при прочихравных условиях, от напряженности СВЧ поля.
Следовательно, при добавлении аргонанапряженность поля должна уменьшиться, что ведет к уменьшению интенсивностиизлучения линий водорода, а также к изменению параметров плазмы (концентрацийзаряженных частиц, энерговклада в плазму и структуры разряда).12Рис.7Аксиальныераспределениярассчитанного модуля потока ионовH3+ на электрод в EMD при разныхконцентрациях аргона при давлении 1Торр и падающей мощности 60 ВтРезультаты показывают, что возможность использования газовых добавок длядиагностики плазмы должна быть проанализированы в каждом случае. В рассмотренномслучае метод оптической актинометрии не может быть использован. С другой стороныони показывают, что даже малые добавки инертного газа могут использоваться дляуправления параметрами плазмы.Эти результаты опубликованы в [2А, 5А-9А].В главе 5 на основе двумерного самосогласованного моделирования и эмиссионнойспектроскопии электродного СВЧ разряда исследована возможность управленияпараметрами неравновесного сильно неоднородного электродного СВЧ разряда вводороде при давлении 1 Торр с помощью внешнего постоянного напряжения,прикладываемого между электродом/антенной и стенками разрядной камеры.
Ранееисследовалось влияние постоянного поля только на приэлектродную область разряда[22,23]. В рамках настоящего исследования изучались аксиальные и радиальныераспределения излучения во всем объеме разряда. Экспериментально было показано, чтоприотрицательныхнапряженияхнаантеннеотносительнокамерыразрядконцентрируется у торца антенны и интенсивность излучения возрастает при увеличениинапряжения во всем объеме разряда. Положительные напряжения практически не влияютна СВЧ разряд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
