Диссертация (1103131), страница 15
Текст из файла (страница 15)
5.7 и 5.8 показывают аксиальные и радиальные распределения (интегральныевдоль луча зрения) интенсивностей излучения линии Hα (656,2 нм), полученные спомощью спектрометра AvaSpec 2048. При отрицательных напряжениях на электроде сувеличением напряжения интенсивность изучения возрастает во всем объеме. Вполулогарифмическом масштабе все кривые становятся прямыми и идут параллельно.Рис. 5.7. Аксиальные распределения интегральной по лучу зрения интенсивностиизлучения линии α(656.2 нм) при различных постоянных напряжениях на электроде: 1 –+100 В, 2 – 0 В, 3 – –30 В, 4 – –40В, 5 – –60 В, 6 – –120 В, при давлении 1 Тор и падающеймощности 60 Вт (результаты экспериментов). В правом верхнем углу рисунка показаныкривые в полулогарифмическом масштабе.94Ранее в [88] было показано, что интегральные по объему разряда интенсивностиизлучения молекулы водорода и атомов водорода линейно зависят от падающеймощности.
На основании этого был сделан вывод о том, что возбуждение излучения иатомов и молекул водорода идет однократным электронным ударом из основногосостояния молекул. Т.е. излучение линии Hα (656,2 нм) происходит в процесседиссоциативного возбуждения. В [189] это использовалось для расчета напряженностиСВЧ поля по отношению интенсивностей излучения линий Hα и Hβ.Рис.
5.8. Радиальные распределения интегральной по лучу зрения интенсивностиизлучения линии α(656.2 нм) при различных постоянных напряжениях на электроде: 1 –+100 В, 2 – 0 В, 3 – –30 В, 4 – –40 В, 5 – –60 В, 6 – –120 В, для давления 1 Тор, падающеймощности 60 Вт на расстоянии 1 мм ниже электрода (результаты экспериментов).
Вправом верхнем углу рисунка показаны кривые в полулогарифмическом масштабе.Для качественного объяснения полученных в настоящей работе результатов былопроведено двумерное моделирование разряда. Результаты показаны на рис. 5.9 - 5.12.Расчет дает радиальные и аксиальные распределения локальных значений параметров95разряда.
Поскольку разряд является аксиально симметричным, то для сравнениярезультатов расчетов пространственных распределений с интегральными вдоль лучазрения результатами измерений (рис. 5.6), необходимо использовать интегральноепреобразование Абеля. Полученное таким образом расчетное аксиальное распределениеинтенсивности излучения Hα при разных напряжениях на антенне показано на рис. 5.9.Рис. 5.9. Аксиальные распределения интенсивности излучения линии Нα (послеприменения интегрального преобразования Абеля).
Давление 1 Тор при различныхпостоянных напряжениях на электроде (результаты расчетов, кривые нормированы наинтенсивность излучения при напряжении –20 В). “0” на оси Z соответствует концуэлектрода/антенны.Видно (рис.5.9), что, как и в эксперименте (рис.5.6), интенсивность излучениявозрастает при приложении отрицательного напряжения и незначительно изменяется приположительных напряжениях. Это согласуется с экспериментальными данными.В экспериментах со спектральным разрешением плоскость, проходящая через ось Zи перпендикулярная оси наблюдения, с помощью оптики проектировалась на плоскостьрасположения входной апертуры подвижного световода. На рис. 5.10 показанырассчитанные аксиальные распределения интенсивности излучения линии Hα при разных96напряжениях на антенне.
Видно, что, как и на рис. 5.7, интенсивность излучениявозрастает при приложении отрицательного напряжения и незначительно изменяется приположительных напряжениях.Рис. 5.10. Аксиальные распределения интенсивности излучения линии Нα при давлении 1Тор при различных постоянных напряжениях на электроде (результаты расчетов,нормированы на интенсивность при напряжении –20 В). “0” на оси Z соответствует концуэлектрода/антенны.Максимум интенсивности излучения наблюдается в области максимума СВЧ поля(рис.
5.11). Изгиб на кривых распределения поля соответствует области максимумаконцентрации электронов (рис. 5.12). Напряженность СВЧ поля в плазме связана сдиэлектрической проницаемостью плазмы. Внешнее постоянное поле изменяет потокизаряженных частиц на электрод. Это влияет на пространственное распределениеконцентрации электронов (рис. 5.11) и, тем самым изменяет величину и распределениеСВЧ поля. При увеличении отрицательного напряжения на антенне, как следствиеувеличения напряженности СВЧ поля и концентрации электронов, увеличивается иконцентрация атомов водорода. Нужно отметить и еще одно следствие влияния97постоянного поля – увеличение поглощенной плазмой мощности при неизменнойпадающей мощности.
Таким образом, постоянное поле изменяет согласование разряднойсекции с генератором.Рис. 5.11. Аксиальные распределения напряженности СВЧ-поля для давления 1 Тор приразличных постоянных напряжений (результаты расчетов). “0” на оси Z соответствуетконцу электрода/антенны.Несмотря на общее сходство с результатами [189], моделирование показало, чтоизлучение Нα генерируется не в результате процесса диссоциативного возбуждения изосновного состояния молекулы водорода, а ступенчатым путем (диссоциация молекулыводорода с последующим возбуждением атомов). При этом суммарное увеличениеинтенсивности излучения обеспечивается увеличением напряженности СВЧ поля, а такжеувеличением концентрации электронов и атомов водорода. α98Рис.
5.12. Аксиальные распределения концентрации электронов для различныхпостоянных напряжений на электроде (нормированы на концентрацию при постоянномнапряжении -20 В при давлении 1 Тор (результаты расчетов)). “0” на оси Z соответствуетконцу электрода/антенны.§ 5.5. Выводы к главе 5Проведено двумерное моделирование параметров ЭМР в водороде при давлении 1 Торв условиях, когда между антенной и корпусом прикладывается постоянное напряжениеразной полярности. Получены двумерные распределения концентрации электронов, СВЧполя и концентрации атомов водорода, ответственных за излучение линии Нα.Результаты расчетов сравниваются с измеренными аксиальными распределениямиинтенсивности излучения линии Нα при разных постоянных напряжениях на антеннеотносительно камеры.Результаты моделирования качественно согласуются с результатами экспериментов.Моделирование показало, что увеличение интенсивности излучения линии Нα связана стремя факторами – увеличением напряженности СВЧ поля, концентрации электронов иконцентрации атомарного водорода.
Постоянное поле изменяет потоки заряженных99частиц на электрод и их пространственные распределения. Это, в свою очередь влияет навеличину и распределение СВЧ поля в разряде и изменяет все его параметры, в том числеи на поглощенную плазмой мощность. Таким образом, имеется возможность изменятьсогласование разрядной секции с генератором.Таким образом, на основе двумерного самосогласованного моделирования ЭМРисследована возможность управление параметрами неравновесного сильно неоднородногоэлектродного СВЧ разряда в водороде при давлении 1 Тор с помощью внешнегопостоянного напряжения, прикладываемого между электродом/антенной и стенкамиразрядной камеры.Результаты настоящей главы представлены в публикациях [191, 192].100ЗАКЛЮЧЕНИЕВ заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.1.Разработаныодноидвумерныесамосогласованныемоделинеоднородногонеравновесного электродного СВЧ разряда, позволяющие анализировать влияние малыхгазовых добавок и постоянных электрических полей на свойства разряда.2.
На основе одномерного моделирования исследовано влияние малой (до 5 об.%) добавкиазота на параметры и структуру неоднородного СВЧ разряда в водороде при давлении 1Торр. Показано, что на профили концентраций электронов и СВЧ поля влияют изменениефункции распределения электронов по энергиям (изменение транспортных свойствэлектронов при добавлении азота) и изменение ионного состава плазмы. Функцияраспределения электронов по энергиям оказывает влияние в шаровой области разряда(вдали от электрода): увеличение подвижности электронов при добавлении азотаприводит к уменьшению размеров плазменного образования.
Коэффициент диффузииэлектронов практически не изменяется. Изменение ионного состава плазмы (основнымионом становится ион N2H+ ) влияет на структуру плазмы у поверхности электрода.3. На основе двумерного моделирования показано, что малые (до 5%) добавки аргонавлияют на параметры электродного СВЧ разряда в водороде при давлении 1 Торр. Анализрассчитанных пространственных распределений ионной компоненты плазмы (ионы Н 2+,Н3+, Ar+), распределения постоянного электрического поля в окрестности антенны ипотока ионов на нее показал, что несмотря на то, что в общем балансе заряженных частицион Ar+ составляет малую долю, вблизи электрода его роль велика.
Тяжелый ион аргонауменьшает суммарный поток ионов на электрод, что в силу сбалансированности потоковдиффузионной гибели зарядов и ионизации ведет к уменьшению напряженности СВЧполя в плазме. Последнее приводит к уменьшению интенсивности линий и полосвспектре излучения разряда. Последнее подтверждено экспериментально.4. На примере аргона и азота показано, что с помощью малых газовых добавок косновному газу (водород) можно управлять структурой и параметрами (СВЧ поле вплазме, концентрация электронов, концентрации возбужденных частиц) неоднородногоразряда, причем механизмы этого влияния различны в разных частях неоднородногоразряда.
Малые добавки аргона часто используются в актинометрии для диагностикиплазмы (метод актинометрии). Результаты показывают, что применимость методаоптической актинометрии для диагностики плазмы должна анализироваться в каждомконкретном случае.1015.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. Показано,что постоянное поле изменяет потоки заряженных частиц на электрод и ихпространственные распределения. Это, в свою очередь влияет на величину ираспределение СВЧ поля в разряде и изменяет все параметры разряда (в том числе иэмиссионные характеристик плазмы ипоглощенную плазмой мощность).
Результатымоделирования качественно согласуются с результатами измерения интенсивностиизлучения линии Hα.102БЛАГОДАРНОСТИАвторпризнателеннаучному руководителюд.ф.-м.н.Ю.А. Лебедеву заруководство и помощь в выполнении работы. Автор признателенк.ф.-м.н. А.В.Татаринову и к.х.н И.Л. Эпштейн за помощь в выполнении работы и написаниидиссертации. Автор признателен всем сотрудникам лаборатории плазмохимии ифизикохимии импульсных процессов за хорошее отношение, которое во многомспособствовало выполнению работы.Представленные в диссертационной работе результаты получены в рамкахвыполнения проекта РФФИ № 15-08-00070.103ЛИТЕРАТУРА1. Lebedev Yu.A.. Microwave discharges at reduced pressures and peculiarities of the processesin strongly non-uniform plasma // Plasma Sources Science and Technology.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
