Диссертация (1103131), страница 11

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

Текст из файла (страница 11)

2. Процессы образования и гибели заряженных частиц в азотной плазмеNK, см3 сек-1; см6 сек-1; A, сек-1Процессы33 N 1  , v  0  20  e  N   e  e Вычисление K по сечению процесса2g2 и ФРЭЭ [139,148]334Вычисление K по сечению процессаN2 A g  e  N2  e  e и ФРЭЭ [149,150]3 '1 35K  5.0  10 11 [146]N 2 A  u   N 2 a  u   N 4  e36N 2 a '1 u   N 2 a '1 u   N 4  e37N  2 D  N  2 P  N 2  e38N 2 P  N 2 P  N2  e39N4  N2  N2  N2  N240N2  N2  N2  N4  N241N4  e  N2  N242N2  e  N (4 S)  N(4 S)   K  3.0  10 12 [146]K  2.0  10 11 [151]K  2.5  10 15 [146]K  2.0  10 10 [146]K  5.0  10 29 [146]K  2.3  10 6 (300 / Te ) 0,5 [56]K  1.8  10 7 (300 / Te ) 0.39 [56]Таблица 3.3. Процессы в плазме, включающие частицы обоих газовK, см3 сек-1; см6 сек-1Процессы1K  1.7  109 [152,153]N2  H2  N2 H   H2K  1.1  108 [152,153]N  H  N H  H  N42223N2H  e  H  N2  e4H2  N2  N2 H   H5K  3.7  108 [52, 154]K  1.95  109 [152,153,155]H3  N2  N2 H   H2K  1.8  109 [52,156]6N 2 A3  g  H  N 2  HK  5.0  1011 [52,157]7N 2 A3  g  H 2  N 2  H  H8N 2 B 3 g  H 2  N 2 A3  g  H 2K  2.0  1010 exp(3500 / Tg )[158]K  2.5  1011 [153,159]9101112N2 a '1u H  NN  D  HN  P H2HN 2 a '1 u  H 2  N 2  H  HK  1.5  1011 [52]K  2.6  1011 [52,152]2 H  NHK  2.3  1012 [52,159]2 H  NHK  2.5  10 14 [52,160]226013H  NH  H  N 2K  5.0  1011 [52,161]3.2.2.

Обсуждение результатовРезультаты расчетов представлены на рисунках 3.4-3.6. На рисунке 3.4 показаныпрофили электронной плотности для случая, когда значение амплитуды E0 СВЧ поля награнице антенны-электрода выбиралось одним и тем же разного для процентногосодержания добавки азота: 0; 5; 20%..61Рис.

3.4. Радиальные профили (a) электронной плотности и (b) СВЧ поля.Синие кривые – разряд из чистого водорода; красные – с 5%-ой добавкой азота;зеленые – с 20%-ой добавкой азота. I – область сильного СВЧ поля, II шаровая область плазмы.В приэлектродной области сильного СВЧ поля заметно небольшое (~0.5%)превышение значений ne для случаев с добавками по сравнению с ne для чистоговодорода. В шаровой области плазмы (протяженная область, прилегающая к узкойобласти сильного СВЧ поля, где СВЧ поле порядка 100 В/см, см рис.3.4b) значения ne дляслучаев с добавками наоборот ниже значений ne для чисто водородной плазмы.

Чтокасается профиля СВЧ поля, то оно растет во всей области плазмы в случае добавки азота(рис.3.4b).Чтобы выяснить причину изменений характеристики электронной плотности привведении в разряд добавок, было проведено несколько расчетных тестов. При введениидобавки в плазмообразующий газ изменяется ФРЭЭ. Для выявления влияния этогоизменения на профиль электронной плотности был проведен расчет для смеси с добавкой5% азота, но с ФРЭЭ, рассчитанной для плазмы чистого водорода.

В результате профильэлектронной плотности вне приэлектродной области сильного СВЧ поля практическивезде совпал с профилем ne для разряда в чистом Н2 (рис. 3.5, фиолетовые эллипсы). Этоозначает, что изменение ФРЭЭ за счет вносимой добавки влияет на характеристикиплазмы в шаровой области, где величина СВЧ-поля небольшая.62Рис. 3.5. Радиальные профили электронной плотности для разряда: из чистоговодорода - синяя линяя; с 5%-ой добавкой азота – красная линия; с добавкой5% азота, но с ФРЭЭ, рассчитанной для плазмы чистого водорода –вертикальные фиолетовые эллипсы; с добавкой 5% азота, но с кинетическойсхемой, исключающей появление иона N2H+ – горизонтальные оранжевыеэллипсы.

I – область сильного СВЧ поля, II - шаровая область плазмы.При внесении добавки азота основным ионом является ион N2H+ (рис. 3.6). Этот ионгораздо тяжелее иона H3+ - основного иона для разряда в чистом Н2. Тяжелый ион N2H+менее подвижен как в процессе диффузии, так и в дрейфовом движении в поле разделениязарядов. И это может являться причиной изменений профиля электронной плотности идругих характеристик плазмы.Для понимания этого эффекта был произведен расчет для смеси с добавкой 5%азота, но с кинетической схемой, исключающей появление иона N2H+.

Соответствующийпрофиль показан оранжевыми эллипсами на рисунке 3.5. В области сильного поляпрофиль электронной плотности совпал с профилем ne для чисто водородного разряда,тогда как остальная часть профиля совпадает с профилем, рассчитанным для 5%-ойдобавки без внесенного изменения. Данный тест показал, что наличие иона N2H+оказывает влияние только в области сильного СВЧ поля, вблизи поверхности электродаантенны.63Рис. 3.6. Радиальные профили плотности ионов для разряда в водороде с 5%-ойдобавкой азота: коричневая линия - ион N2H+; темно-зеленая линия – ион H3+; голубаялиния - ион H2+; розовая линия - ион N4+.Чтобы выяснить, как присутствие иона N2H+ влияет на транспортные свойстваэлектронов, а именно: диффузия или дрейф в постоянном поле разделения зарядов вноситосновной вклад в формирование профиля ne, были проведены следующие два численныхтеста для смеси с добавкой 5% азота.

В первом тесте зависимость коэффициентадиффузии электронов De от напряженности постоянного (EDC) и СВЧ(EСВЧ) поля браласьиз расчета для плазмы чистого водорода, а коэффициент подвижности e(EDC, EСВЧ)рассчитывался для смеси водорода с 5% азота. Во втором тесте, наоборот, из расчета дляплазмы чистого водорода брался коэффициент подвижности e(EDC, EСВЧ), а коэффициентDe (.EDC, EСВЧ) брался для смеси водорода с 5% азота.

Первый тест не обнаружилзаметных отличий полученного профиля ne, от расчета для смеси водорода с 5% азота, аво втором случае профиль заметно приблизился к профилю ne для плазмы чистоговодорода. Последнее означает, что именно изменение подвижности электронов в связи споявлением добавки азота влияет на профиль электронной плотности.Как показали расчеты в области плазмы значение постоянного поля разделениязаряда порядка 1-3 В/см.

При этих значениях коэффициенты e выше (~0.1-0.3%) дляслучая с 5%-ой добавкой, чем коэффициенты e для плазмы чистого водорода. Посколькуполе разделения зарядов всегда направлено от центра камеры к электродам, то электроныдрейфуют в этом поле к центру разряда. Дрейфовый поток электронов к центру плазмы64уменьшает диффузионный поток электронов на электроды, что приводит (рис. 1a) ксужению профиля электронов по сравнению с профилем ne для плазмы чистого водорода.Результаты этого параграфа опубликованы [162].§ 3.3.

Выводы к Главе 3Моделирование влияния диэлектрического покрытия металлического электрода(изменение электродинамики разряда, осаждение зарядов на поверхности диэлектрика,изменение каталитических свойств поверхности антенны) на параметры плазмы СВЧразряда в водороде при пониженном давлении показали, что: (а) использованиемдиэлектрического покрытия разной толщины и разной диэлектрической проницаемостиможно управлять пространственным распределением напряженности микроволновогополя у антенны. (б) изменение электродинамики и осаждение зарядов на поверхностидиэлектрика оказывают влияние только на приповерхностную область разряда ипрактически не влияют на характеристики плазмы в объеме плазмы (например, намаксимальноезначениеконцентрацииэлектронов),(в)каталитическиесвойстваповерхности диэлектрика сильно влияют на максимальное значение концентрации атомовводорода в случае преобладания их гибели в процессах диффузии и рекомбинации наповерхности, (г) осаждение зарядов на поверхности диэлектрика приводит к возрастаниюпотенциала поверхности относительно плазмы, но пространственное распределениепотенциала практически не изменяется, а также приводит к смешению областиплазменного резонанса к поверхности электрода.

Можно ожидать, что с увеличением ролиобъемнойрекомбинацииатомовводорода,рольосновногофакторавлияниядиэлектрического покрытия на параметры плазмы будет малой.При исследовании влияния добавки азота на параметры микроволновоговодородного разряда в рамках одномерной модели было показано, что на профиликонцентраций электронов и СВЧ-поле уже при 5% добавке азота влияют изменениеФРЭЭ, изменение ионного состава плазмы и изменение транспортных свойств электронов.ФРЭЭ оказывает влияние в шаровой области разряда (вдали от электрода): увеличениеподвижности электронов приводит к уменьшению размеров плазменного образования.Коэффициент диффузии электронов практически не изменяется.Изменение ионногосостава плазмы (основным ионом становится ион N2H+ ) влияет на структуру плазмы уповерхности электрода.65ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ МАЛЫХ ДОБАВОК АРГОНА НА СИЛЬНОНЕОДНОРОДНЫЙ СВЧ РАЗРЯД (ЭЛЕКТРОДНЫЙ СВЧ РАЗРЯД)ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ В ВОДОРОДЕ.§ 4.1.

ВведениеГазовые добавки к основному плазмообразующему газу позволяют, изменятьпараметры плазмы, а также могут использоваться для ее диагностики.Важнойзадачейявляетсяразработкаметодовэффективногоуправленияпараметрами неравновесной плазмы, что обусловлено широким её применением длярешения различных задач плазмохимии. К таким методам относятся, например, выборнадлежащего давления, мощности, частоты микроволнового поля, которое создаётнеравновесную плазму, выбор плазмообразующего газа. Относительно новым методомявляется введение в состав основного плазмообразующего газа малых добавокпримесного газа.

Изменение свойств неравновесной плазмы связано с многообразиемфизико-химических процессов плазме, что создаёт возможность целенаправленно влиятьна ход этих процессов. При этом изменяются такие характеристики плазмы, какэнерговклад, нейтральная и заряженная компоненты плазмы и её макроскопическиехарактеристики.С помощью добавок можно целенаправленно влиять на процессы ионизациичастиц плазмы и, соответственно, на баланс числа заряженных частиц. Именно балансомзаряженных частиц определяется напряженность электрического поля в плазмесамостоятельных разрядов [163].

В случае прямой ионизации введение легкоионизуемойдобавки ведет к уменьшению напряженности электрического поля. В случае ступенчатойионизации при введении примеси возможно как увеличение, так и уменьшениенапряженности электрического поля. Если существенен процесс ионизации молекулпримеси возбужденными частицами, участвующими в ионизации, то напряженность поляуменьшается. Если же молекулы примеси участвуют в тушении возбужденных частиц безионизации, напряженность поля увеличивается. Изменение механизма ионизацииприводит к изменению баланса числа заряженных частиц и, в конечном счете,энерговклада, интенсивностей излучения частиц, состава плазмы, и ее макроскопическиххарактеристик.Другим, не менее важным случаем является ситуация, когда газовая добавка невлияет на параметры плазмы, но в результате возбуждения электронами плазмы излучает66характеристические линии. В этом случае можно получить информацию о концентрацияхчастиц плазмы по отношению интенсивности излучения этих частиц и излучения добавки.Этот метод известен как метод оптической актинометрии плазмы и широко используетсяв диагностике химически активной плазмы [164, 165].

Для его применения нужно знатьмеханизмы возбуждения анализируемойчастицы игазовойдобавкиизвестнойконцентрации (называемой газом-актинометром). Кроме того, нужно быть уверенным, чтодобавка не изменяет свойств плазмы. Обычно в качестве газа-актинометра используютсяинертные газы.Именно эта проблема будет рассматриваться в настоящей главе применительно ксильно неоднородным разрядам. Таковыми являются широко используемые сейчас СВЧразряды.

Характеристики

Список файлов диссертации