Диссертация (1103131), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Коэффициентстенки, т.е. На, если .диэлектрикасоиповерхности, если вектор постоянного поля E направлен в сторонустороныплазмырешаетсяописывающего накопление поверхностного заряда :уравнение,. Граничныеусловия для потенциала , описываемого уравнением Пуассона, следующие: наповерхности диэлектрика , наружная стенка рабочей камеры заземлена.Концентрация всех нейтральных возбужденных частиц плазмы на стенкеполагалась равной нулю.

Поток на стенку невозбужденных атомов водорода в плазмеравентепловому(диффузионному)рекомбинационной гибели :потоку,умноженномунавероятностьих .Вероятность рекомбинационной гибели атомов водорода на медном электродепринималась равной 0.05. Эта величина лежит в диапазоне значений (0.02-0.1),приведенных в [132]. Вероятность рекомбинационной гибели атомов водорода надиэлектрической поверхности, покрывающей электрод (для определенности диэлектриксчитался кварцем), принималась равной 0.01 [133].Вероятность рекомбинационнойгибели атомов водорода на стенках камеры из нержавеющей стали принималась равной0,1 [134].Расчеты проводились при давлении водорода 1 Тор и температуре газа 600 К,которая в соответствии с результатами экспериментов [135] считалась постоянной во всемобъеме.3.1.2.

Изменение электродинамических свойств газоразрядной системы.Покрытие антенны, с помощью которой СВЧ энергия вводится в разрядную камеру ивозбуждается разряд, диэлектриком должен приводить к изменению распределенияэлектромагнитных полей у антенны.51Рис.3.1. Радиальные распределения СВЧ поля на расстоянии 10 микрон нижеметаллического электрода (чёрные кривые) и 10 микрон ниже диэлектрическогопокрытия для различных значений толщины покрытия и различных значенийдиэлектрической проницаемости (результаты двумерного моделирования).Такая задача исследовалась в [129] на основе моделирования применительно кзадаче создания СВЧ плазмы в воде. Антенна была покрыта оксидом алюминия иявлялась центральным проводником коаксиальной линии с тефлоновым изолятором.Антенна окружена водой.

Показано в тройной точке, где в контакте находятся оксидалюминия, тефлон и вода, наблюдается резкое увеличение напряженности СВЧ поля, гдеи может возникать разряд. Заметим, что разряд возникает в месте ввода антенны в камере.Проблема места возникновения разряда у антенны исследована в [136] и показано, чторазряд в среде с большим тангенсом потерь всегда возникает в месте ввода антенны вразрядную камеру. В среде с малыми потерями разряд всегда возникает на конце антенны.В настоящей работе рассмотрена коаксиальная электродинамическая система, вкоторой разряд с помощью антенны возбуждался в среде водорода при давлении 1 Тор.Наши предыдущие эксперименты и расчеты (см.

обзоры [17, 119-120]) показали, что52разряд при малых мощностях возникает на конце антенны. При больших мощностях онсдвигается к месту ввода антенны в камеру, поскольку плазменная область поглощаетСВЧ энергию и является средой с большими потерями. В этом разделе приведенораспределение СВЧ поля без плазмы (диэлектрическая проницаемость среды камере =1)при разных толщинах диэлектрика без потерь на цилиндрической антенне и разныхдиэлектрических проницаемостях. На рис. 3.1 показаны радиальные распределениянапряженности электрического поля у границы антенны и диэлектрика.Как и должно быть, на границе диэлектрика и газа напряженность СВЧ поляиспытывает скачок, в соответствии с разницей диэлектрических проницаемостейдиэлектрика и газа.

Видно, также, что подбор диэлектрической постоянной диэлектрика иего толщины позволяет получить равномерное распределение поля ниже диэлектрика вобласти, большей, чем без него. В области угла на торце диэлектрического покрытиянаблюдается увеличение поля.3.1.3. Осаждение зарядов на поверхности диэлектрика в плазмеРассмотрим в рамках одномерной модели влияние осаждения зарядов наповерхности диэлектрика в плазме на параметры плазмы.

Поскольку диэлектриксчитается идеальным, влияние зарядки его поверхности рассмотрено только для однойтолщины диэлектрика (1 мм). Результаты расчетов показаны на рис.3.2.Зарядка приводит к увеличению потенциала поверхности и разности потенциаловмежду электродом и плазмой, однако пространственное распределение потенциаламеняется слабо (рис.3.2a).53а)б)54в)Рис. 3.2. Радиальные распределения потенциала постоянного поля (a),концентрации электронов (б) и СВЧ поля (в) с (1 – чёрные кривые) и без (2- красныекривые) накопления заряда в плазме на кварцевом покрытии металлического электродатолщины 1 мм (результаты одномерного моделирования)Максимальное значение концентрации электронов изменяется слабо, но положениемаксимума концентрации незначительно смещается к поверхности диэлектрика (рис.3.2б).Изменения заметны только вблизи поверхности, что связано с изменением постоянногопотенциала поверхности при ее зарядке.

Изменение распределения концентрацииэлектронов вблизи поверхности приводит к тому, что область плазменного резонансаприближается к поверхности, резонансная величина поля слабо растет (рис.3.2в).Положение плазменного резонанса ne /nc=1 (nc~71011cm-3) на рис.3.2б помечено прямой,параллельной оси абсцисс.Таким образом, учет только осаждения зарядов на поверхности электрода,покрытого диэлектриком, слабо влияет на параметры плазмы в объеме разряда.3.1.4. Изменение каталитических свойств поверхности антенны при покрытии еедиэлектриком.Расчеты в рамках одномерной модели показали, что каталитическая активность невлияет ни на величину, ни на распределение концентрации электронов и напряженность55микроволнового поля, и они совпадают с приведенными на рис.

3.2 б,в. В расчетахиспользовалось два значения коэффициента поверхностной рекомбинации атомов,соответствующие меди (0.05) и кварцу (0.01). В то же время, концентрация атомовводорода значительно увеличивается при переходе от меди к кварцу. Это связано с тем,что в рассмотренных условиях основным каналом гибели атомов является диффузия кповерхности с последующей рекомбинацией. Осаждение зарядов на поверхностиэлектрода практически не влияет на концентрацию атомов (кривые 1 и 2, а также 3 и 4).Различие мало и имеет масштаб, ясный из врезки на рис.3.2б). Абсолютные значенияинтенсивность излучения линии H тоже увеличиваются при уменьшении коэффициентарекомбинации атомов водорода на электроде от 0.05 до 0.01.

На рис. 3.3б показанорадиальное распределение интенсивности излучение линии H в окрестности электрода,где напряженность микроволнового поля велика (рис.3.2в). В отличие от атомов накривых излучения видно влияние осаждения зарядов на поверхности электрода: как инапряженность микроволнового поля, осаждение зарядов приводит к смещениюмаксимума излучения к поверхности электрода.а)56б)Рис.3.3.

Радиальные распределения концентрации атомов водорода (а) и линийинтенсивности H (б) с (1 – чёрные кривые) и без (2 – красные кривые) накопления зарядав плазме на кварцевом покрытии металлического электрода толщины 1 мм для различныхзначений коэффициентов рекомбинации атомов водорода (результаты одномерногомоделирования).Можно ожидать, что при больших давлениях и больших концентрациях атомовначнет преобладать канал объемной гибели атомов и роль каталитической активностистенки уменьшится.Описанные результаты представлены в [137, 138].57§ 3.2. Влияние малых добавок азота на СВЧ-разряд пониженного давления вводороде.

МоделированиеВ ряде работ было показано, что даже небольшое количество газовых добавок кплазмообразующему газу может сильно изменить свойства плазмы. Это связано, вчастности, с возможностью с помощью добавок влиять на процессы ионизации ивозбуждения частиц и следовательно, на напряженность электрического поля, которая вплазме самостоятельных разрядов определяется балансом числа заряженных частиц.Подробно влияние газовых добавок будет рассмотрено в четвертой главе. В этой главе мыостановимся на влиянии добавок молекулярного газа на разряд в водороде. В работах [58,59] экспериментально (методом оптической эмиссионной спектроскопии) и с помощьючисленного 1-D и 2-D моделирования было исследовано влияние малых добавок водороданаэлектродныйСВЧ-разрядпониженногодавлениявазоте.Показано,чтонеоднородность разряда приводит к тому, что характер влияния добавки водорода (0-30%по расходу) на интенсивности полос излучения азота различен в разных частях разряда.Наблюдается и различное влияние водорода на колебательные распределения молекулазота в состоянии C 3  u в разных частях разряда.

При повышении уровня добавкиводорода изменяется ионный состав плазмы: основной ион N4+ в сферической областисменяется более лёгким ионом N2H+. Квазистатическое одномерное моделированиепоказало, что при этом имеет место рост напряжённости СВЧ поля в области сферическойчасти разряда, что, как предполагалось, приводит к изменению интенсивности излучениясистемы 2+ в азоте. Результаты 2-D моделирования [58]в основном совпадают срезультатами 1-D моделирования [59]. Основное влияние добавки водорода на параметрыразряда связано с изменением ионного состава плазмы.3.2.1.

Кинетическая модельВ этой главе мы остановимся на исследовании влияния добавок азота к разряду вводороде. Наряду с использованными ранее процессами в водороде (см. Гл.2) ипроцессами в азоте ([140], Таблицы 1, 2) в кинетическую модель были включеныпроцессы тушения метастабилей азота водородом и реакции конверсии ионов водорода вион N2H+ (Таблица 3).58Таблица 3.1. Процессы для нейтральных тяжелых частиц азотной плазмыNK, см3 сек-1; см6 сек-1; A, сек-1Процессы1Вычисление K по сечениюN 2 1 g   e  N 2 A3  u   eпроцесса  и ФРЭЭ [139]1 32ВычислениеK по сечениюN2  g  e  N2 B  g  eпроцесса  и ФРЭЭ [139]3N 2 1 g   e  N 2 C 3  u   e4N 2 1 g  e  N 2 a 1 u  e5N 2 1 g   e  N  4 S   N  4 S   e6N ( 4 S )  e  N ( 2 D)  eВычисление K по сечениюпроцесса  и ФРЭЭ [139]Вычисление K по сечениюпроцесса  и ФРЭЭ [139]N ( 4 S )  e  N ( 2 P)  e78N ( 2 D)  e  N ( 2 P)  e9N 2 A 3  u  N 2 A3  u  N 2 (C 3  u )  N 21011N 2  A    N 2 A u N(B 3 g )  N 22A  1.5  105 [146]N 2 C 3  u   N 2 B 3  g     A  3.0  107 [146]N 2 a '1 u   N 2    A  1.0  10 2 [147]N 2 C 3  u   N 2  N 2 B 3  g   N 2K  3.3  10 11 [147]N 2 C 3  u  N 2  N 2 a' 1 u  N 2K  1.0  10 11 [147]25 N C    N  N A    NN a    N  N B    NN a    N  N A    NN A    N  S   N  N  P N  D  N  N  S   NN  P  N  N  S   NN  P   N ( S )  N  S   N ( D)N  P  N ( S )  N  S   N ( S )N  S   N ( S )  N  N A    N26N 4 S  N ( 4 S )  N 2  N 2 C 3 u  N 2161718192021222324K  1.1  10 9 [145]K  5.0  10 11 [146]N 2 ( B 3  g )  N 2 A3  u     14153N 2 B 3  g   N 2  N 2 ( A3  u )  N 21213u3Вычисление K по сечениюпроцесса  и ФРЭЭ [140]Вычисление K по сечениюпроцесса  и ФРЭЭ [141]Вычисление K по сечениюпроцесса  и ФРЭЭ [142]Вычисление K по сечениюпроцесса  и ФРЭЭ [143]K  2.6  10 10 [144]332u'12'122u22u22u3g2K  1.9  10 13 [147]u2K  2.0  10 13 [147]4K  5.0  10 11 [146]222K  6.0  10 15 [146]4222K  2.0  10 18 [146]422442224444K  1.1  10 11 [147]23u322432 2uK  1.8  10 12 [147]K  1.8  10 12 [147]227N  4 S   N ( 2 D)  N 2  N 2 B 3  g   N 228N 4S  N 4S  N2  N2  N229N 2D  e  N 4S  e    K  8.27 1034 exp( 500 / T )[146]K  1.0  10 34 [147]K  1.0  10 34 [147]K  8.27 1034 exp( 500 / T )[146]Вычисление K по сечению593031  N X  ,8  v  46  N  P  N A    N ( S )N X  ,5  v  46  N A   N B    NN P e N S e2124g2u3232g124u32процесса  и ФРЭЭ [141]Вычисление K по сечениюпроцесса  и ФРЭЭ [142]K  1.0  10 10[147] exp( 1300 / Tg )2 ∙10-11 [147]32g2Таблица 3.

Характеристики

Список файлов диссертации