Диссертация (1103131), страница 14
Текст из файла (страница 14)
В настоящейработе приведены результаты детального исследования этого влияния. На основедвумерного моделирования проведен анализ полученных экспериментальных результатов.Электродный микроволновый разряд это разряд, создаваемый в окрестности концаэлектрода/антенны в камере, размеры которой превышают размеры светящейся областиразряда. Интерес к исследованию электродного микроволнового разряда (ЭМР) [17, 120,190] вызван рядом причин.
ЭМР является представителем сильно неоднородных разрядови важным является изучение влияния неоднородности плазмы на физико-химическиепроцессы, а также влияния различных факторов на процессы в нем.Основнойэнерговклад в разряд осуществляется вблизи электрода/антенны, т.е плазма создаетсявблизи поверхности.§ 5.2. Самосогласованная 2D модель разряда.Самосогласованная модель, описывающая разряд в водороде в камере с осевойсимметрией и размерами, соответствующими размерам камеры экспериментальнойустановки, аналогична модели, описанной в главе 2.
Она дополнена граничнымиусловиями, соответствующими модели разряда в режиме постоянного тока.На оси Oz выполняется условие осевой симметрии для всех уравнений.Граничные условия для потенциала, описываемого уравнением Пуассона,следующие. Наружная стенка рабочей камеры заземлена (φ=0), а на внутреннем электродепотенциал задавался.Граничные условия для заряженных частиц плазмы, описываемых баланснымиуравнениями, заданы выражениями для потоков на стенки центрального электрода икамеры:85Потоки электронов и ионов i-го сорта на стенку состоят из двух составляющих:диффузионной, и дрейфовой. Здесь Te и iTp - тепловые скорости электронов и ионов настенке, n – единичный вектор, перпендикулярно направленный к поверхности электрода(нормальный вектор).
Соответствующая температура электронов на стенке былавычислена с помощью уравнения Больцмана, а температура ионов на стенке равна газовойтемпературе. Коэффициентстенки, т.е. , если вектор постоянного поля E направлен в сторону, если и.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 меди (антенна)принималась равной 0,05. Эта величина лежит в диапазоне значений (0,02-0,1),приведенных в [132].
Вероятность рекомбинационной гибели атомов водорода на стенкахкамеры из нержавеющей стали принималась равной 0,1 [134].При моделировании использовалась геометрия модели, описанная в Главе 2, заисключением дополнительных элементов, учитывающих особенности экспериментальнойустановки (изоляция электрода антенны от стенок камеры и заземлённый столик). Крометого, пересекающиеся линии геометрии были сопряжены дугами окружности радиусом0,5 мм. Это позволило использовать более грубую сетку при неизменной точностирасчёта.
Изменённая геометрия модели приведена на рис 5.1.86Рис. 5.1. Геометрия цилиндрически симметричной расчетной области (все размеры даны вмиллиметрах). СВЧ энергия в камеру вводится через коаксиальный волновод.В режиме с постоянным током постоянное напряжение приложено междуцентральным электродом и цилиндрической стенкой камеры. Схема по постоянному токупредставлена на рис.
5.2.Посколькурезультатымоделированиябудутсопоставленыэкспериментов, в п. 5.3 кратко описана экспериментальная установка.сданными87Рис. 5.2. Электрическая схема подключения ЭМР по постоянному току.Генератор СВЧ-волны расположен в плоскости AA . Область коаксиальноговвода СВЧ-энергии отделена от области горения плазмы плоскостью BB ,проницаемой для волны и непроницаемой для частиц плазмы. Источникпостоянного напряжения φ соединен с центральным электродом черезбалластное сопротивление R . Центральный электрод расположен полностьювнутри рабочей камеры.§ 5.3. Экспериментальная установкаЭксперименты проводились на установке, описанной в Главе 2.
Мощность СВЧисточника варьировалась в пределах 60-100 Вт. Электрод-антенна изолирована попостоянному току от заземленной камеры, что позволяет независимо изменять егопотенциал. Чтобы не нарушать условия распространения электромагнитной волны вкоаксиально-волноводном переходе использована система с четвертьволновым СВЧкоаксиальным поршнем, обеспечивающим короткое замыкание по СВЧ_сигналу.Постоянное напряжение между антенной и камерой изменялось от -200 до +250 В(балластный резистор 8 кОм). На расстоянии 3 см.
от торца антенны расположензаземленный столик диаметром 2,5 см.88§ 5.4. Результаты и обсуждениеНа рисунках 5.3 – 5.6 показаны результаты двумерного моделирования, полученные приразличных значениях потенциала электрода относительно камеры: положительном,отрицательном и нулевом.На рис.
5.3 показана зависимость двумерного распределения концентрации электроновпри значениях потенциала -10 В, 0 В и +10 В. Результаты моделирования показываютнезначительное различие в максимальном значении концентрации электронов (около 1%)и поглощённой мощности (порядка 1 – 2%) при изменении значения потенциала на 10 В,причём значения максимальной концентрации электронов и поглощённой мощности принулевом значении потенциала на электроде меньше, чем при отрицательном, но больше,чем при положительном.
Чёрным контуром показана линия уровня концентрацииэлектронов, соответствующая критическому значению. При этом видно, что приизменении значения потенциала от отрицательного до нулевого и от нулевого доположительного плазма вытягивается вдоль электрода при неизменной её щирине, амаксимальное значение концентрации плазмы уменьшается. Поэтому при отрицательномзначении потенциала разряд концентрируется вблизи торца электрода, что согласуется сэкспериментом (см.
ниже).На рис 5.4 приведены зависимости распределения рассчитанных СВЧ полей приразных значениях потенциала. Видно, что при изменении потенциала на 10 В в сторонуположительных значений максимальное значение поля увеличивается незначительно (на9%), а при изменении потенциала в сторону отрицательных значений наблюдается болеезначительный рост максимального значения поля (на 34%).
Кроме того, структура СВЧполя изменяется.Распределения концентрации атомарного водорода в состоянии 3s3p3d, котораясоответствует интенсивности излучения линии H, приведены на рис 5.5, из котороговидно незначительное уменьшение максимального значения интенсивности излученияпри изменении потенциала от 0 до +10 В (менее чем на полпроцента) и болеезначительное увеличение (на 11%) максимального значения интенсивности излучения приизменении значения потенциала от 0В до -10 В, а также существенное изменениеструктуры распределения интенсивности излучения H при отрицательном потенциале посравнению с этой структурой при нулевом и положительном потенциале.Рис.
5.3. Двумерные распределения рассчитанных концентраций электронов, нормированных на критическое значение в EM приразных значениях потенциала на электроде при полном давлении 1 Тор и падающей мощности 30 Вт. а) потенциал –10 В, максимальноезначение 1.989, поглощённая мощность 27.88 Вт; б) потенциал 0 В, максимальное значение 1.967, поглощённая мощность 27.50 Вт; в)потенциал +10 В, максимальное значение 1.945, поглощённая мощность 26.93 Вт.89Рис. 5.4.
Двумерные распределения рассчитанных СВЧ полей при разных значениях потенциала на электроде приполном давлении 1 Тор и падающей мощности 30 Вт. а) потенциал –10 В, максимальное значение 2901.12 В/см; б)потенциал 0 В, максимальное значение 2158.18 В/см; в) потенциал +10 В, максимальное значение 2351.413 В/см.90Рис.5.5. Двумерные распределения рассчитанных относительных концентраций атомов водорода в состоянии 3s3p3d(ответственных за излучение линии H при разных значениях потенциала на электроде при полном давлении 1 Тор ипадающей мощности 30 Вт. а) потенциал –10 В, максимальное значение 235; б) потенциал 0 В, максимальное значение212; в) потенциал +10 В, максимальное значение 211.9192Чтобы объяснить полученные результаты двумерного моделирования, проведеносравнение этих результатов с результатами измерения интенсивности излучения линии Н при разных значениях потенциала на электроде (рис 5.6 – 5.8).
Для сравнения далееприводятся аксиальные распределения интенсивности излучения Н, полученныеэкспериментально(рис5.6)испомощьюмоделирования(рис5.9,5.10).Соответствующие результаты содержатся в статье [191].На рис. 5.6 показаны распределения интегральной интенсивности излучения разряда(по спектру и вдоль луча зрения) при разных постоянных напряжениях на электродеотносительно заземленной камеры.Рис.
5.6. Распределение интенсивности излучения разряда по радиусу (а) на расстоянии 1мм от торца электрода и по оси разряда (б) в водороде при давлении 1 Тор, падающеймощности 60 Вт и различных постоянных напряжениях на электроде относительнозаземленной камеры (результаты экспериментов). Интенсивность является интегральнойвдоль линии наблюдения, перпендикулярной оси разряда. В нижней части рисунковпоказана ориентация электрода.93Видно, что при положительных напряжениях изменения интенсивности ираспределения отсутствуют. При отрицательных напряжениях изменяются распределения,и увеличивается интенсивность излучения у торца электрода (разряд концентрируется вэтой области).Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
