Диссертация (1103131), страница 3
Текст из файла (страница 3)
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 его параметры, в том числе и на12поглощенную плазмой мощность. Таким образом, имеется возможность изменятьсогласование разрядной секции с генератором.В Заключении приведены основные результаты и выводы диссертации.13ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОРВ этой главе будут кратко рассмотрены СВЧ устройства, используемы дляполучения неравновесной СВЧ плазмы, а также методы моделирования СВЧ плазмы.
Этонеобходимо для представления места результатов, описанных в диссертации, в контекстеизвестных из литературы данных.§ 1.1. СВЧ устройства, применяемые для получения плазмыТерминразличных“СВЧ-плазма” объединяетСВЧустройствахплазменные образования, полученные в(СВЧ-разряды).Внастоящеевремяразработанымногочисленные СВЧ устройства для получения плазмы и свойства последнейоказываются зависящими от способа ее получения. Такие устройства определяют, вчастности, связь внешних параметров (давление, мощность, частота) с внутреннимипараметрами плазмы (средние энергии частиц, функции распределения по энергиям,концентрации и т.д.). Поэтому при анализе такой плазмы более целесообразнорассматривать СВЧ-разряд -систему, представляющую плазму в конкретномгазоразрядном устройстве.СВЧ-разрядами(микроволновымиразрядами)обычноназываютразряды,создаваемые с помощью электромагнитных волн с частотой, превышающей 300 МГц(длина волны [см]=30/f [ГГц], дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны).Разрешенными для промышленных, медицинских и научных применений являютсячастоты 460, 915, 2450, 5800, 22125 МГц.
Наиболее часто используется частота 2450 МГц.Типичная схема организации СВЧ-разрядов показана на рис. 1.1.Рис. 1.1. Схема организации СВЧ-разряда. 1 - СВЧ генератор, 2 –циркулятор/вентиль, 3 – направленный ответвитель, 4 – согласующееустройство, 5 –узел ввода электромагнитной энергии (аппликатор), 6 –нагрузка (согласованная нагрузка, короткозамыкающий поршень), 7 –измеритель падающей и отраженной мощности, 9 – система откачки, 8 –14разрядная камера, соединенная с аппликатором через диэлектрическое окно(может быть разрядной трубкой, помещенной в аппликатор).СВЧ-разряды заняли прочное место в ряду других генераторов плазмы.
Сейчас онииспользуются в плазмохимии, аналитической химии, газоразрядных источниках света,плазменных преобразователях частоты. Свойства таких разрядов и полученной в нихплазмы рассматриваются на всех научных мероприятиях, связанных с физикой плазмы,плазмохимией и плазменными технологиями. Подробный обзор существующих типовСВЧ-разрядов и методов их получения приведен в [1]Техническиеприемы,которыеиспользуютсядляполученияСВЧплазмысвойственны СВЧ диапазону и отличны от применяемых при более низких частотах.Поскольку длина волны соизмерима с размерами устройств, для конструированияиспользуются системы с распределенными параметрами (волноводы, резонаторы и др.).Плазма может быть создана при давлениях от 10-5 Тор до атмосферного в импульсном инепрерывном режимах, используемые средние мощности лежат в пределах от единиц ваттдо сотен киловатт.
В разряде может поглощаться до 90% падающей мощности.Концентрации электронов в СВЧ плазме обычно велики и превышают критическую дляиспользуемой частоты СВЧ поля концентрацию nec (nec[см-3] 1.241010 f 2 [ГГц]).Основным элементом СВЧ-разряда является устройство (аппликатор), позволяющеевводить электромагнитную энергию в разрядный объем. Этот узел определяет структуруэлектромагнитного поля, энергетическую эффективность устройства, широкополосность,зависимость свойств плазмы от частоты, уровни минимальной и максимальной мощности.КлассСВЧ-разрядовобъединяетмногочисленныеиразнообразныеустройства,разработанные, как правило, для решения различных прикладных задач.
Все конструкцииСВЧ диапазона могут быть условно разделены на несколько групп в соответствии спринципами, положенными в основу их работы.Основные типы генераторов СВЧ-плазмы:а) генераторы плазмы, основанные на передающих линиях СВЧ [2, 3],б) генераторы плазмы на основе резонаторов СВЧ [4, 5],в) генераторы плазмы с использованием волн в плазме [6, 7],г) генераторы плазмы с применением замедляющих структур [8, 9],д) генераторы с распределенным в пространстве вводом энергии в плазму [10-12],е) генераторы плазмы в волновых пучках [13, 14],ж) инициированные СВЧ-разряды и электродные СВЧ-разряды [15-17].15з) генераторы плазмы с применением комбинаций полей СВЧ диапазона и других частот[18, 19],и) генераторы плазмы в СВЧ системах с внешними магнитными полями [20, 21].а) СВЧ-разряды на основе резонаторов СВЧ.Резонаторные системы - одни из самых первых устройств для генерации СВЧ плазмы.Плазма получается в разрядных трубках (диэлектрики, имеющие малые потери на частотегенерации, обычно кварц или керамика), помещенных в резонаторы разных конструкций:призматические, цилиндрические, открытые, резонаторы на радиальных линиях и др.(некоторые примеры даны на рис.
1.2. Характерные размеры плазмы обычно меньшедлины волны. Используют низко- и высокодобротные резонаторы, работающие наразличных модах. В высокодобротных резонаторах возможно получение концентрацийэлектронов, меньших nec.Рис.1.2. Генераторы плазмы на основе резонаторов СВЧ. a) Призматическийрезонатор, b) коаксиальный резонатор, c),d) цилиндрические резонаторы, e)перестраиваемый призматический резонатор, f) открытый резонатор, g)цилиндрический резонатор на волне ТЕ010.б) СВЧ-разряды на основе передающих линий СВЧ.16В таких устройствах электромагнитная энергия подводится к газу с помощьюпрямоугольных, цилиндрических волноводов (размеры которых определяются длинойволны и модой) или коаксиальных линий. Плазмообразующий газ проходит черездиэлектрические трубки разного сечения, помещенные в передающие линии, различнымобразом ориентированные относительно оси волноводов (продольный или поперечныйпроток газа).Одной из наиболее распространенных конструкций является прямоугольныйволновод, работающий на моде Н10, с разрядной трубкой, пересекающей его параллельновектору электрического поля в области его максимума (рис.
3). Волновод нагружается насогласованную нагрузку, или на короткозамыкающий поршень. Для улучшениясогласования разрядной секции с СВЧ трактом возможно расположение разрядной трубкипод углом к оси волновода. Характерные размеры плазмы обычно существенно меньшедлины волны СВЧ излучения. Больший объем плазмы можно получить при продольномрасположении разрядной трубки, при этом диаметр плазмы остается меньше длины волны(рис. 1.3).
Для увеличения однородности столба плазмы вдоль разряда возможна подачаэнергии с противоположных концов волновода, или изменение размеров волноводноготракта.Рис.1.3. Генераторы плазмы, основанные на передающих линиях СВЧ. a)Прямоугольный волновод на волне типа Н10, b) с продольным расположениемразрядной трубки.в) СВЧ-разряды с использованием волн в плазме.Приборы первых двух групп относятся к так называемым генераторам плазмы с"локализованной разрядной зоной", поскольку СВЧ-разряд создается и существует внутри17аппликатора.
Поэтому размеры плазмы ограничены. Увеличение объема плазмыдостигается в разрядах, создаваемых распространяющимися волнами.Примером являются поверхностные волны. Устройства для создания поверхностныхволн, несмотря на внешнее сходство (рис.1.4), не являются резонансными, они достаточноширокополосные (в отличие от предыдущих групп) и могут работать на частотах отединиц мегагерц до частот СВЧ диапазона. Устройства работают при давлениях отпониженного до атмосферного.Следующие три группы (г,д,е) могут быть объединены в класс СВЧ-разрядов,создаваемых излучающими структурами: с помощью различных СВЧ устройств впространстве (в частности, в разрядной камере) создается область электромагнитныхполей с размерами, превышающими длину волны.
В таких устройствах может создаватьсяплазма больших объемов и над большими поверхностями. Такие генераторы получилиназвание “генераторы микроволновой плазмы больших объемов”.а)б)Рис. 1.4. Генераторы плазмы с использованием поверхностных волн в плазме.а) Сурфатрон (surfatron), столб плазмы создается внутри разрядной трубки 1, б)Duo-plasmaline, плазма создается у внешней поверхности трубки.г) СВЧ-разряды с применением замедляющих структур.Одними из таких устройств являются разного типа замедляющие СВЧ системы устройстваспериодическойструктуройдлязамедленияфазовойскоростиэлектромагнитной волны. Около такой структуры в большом объеме существует поле,которое может создавать плазму в разрядной камере или в разрядной трубке (рис.
1.5).18Рис. 1.5. Генератор плазмы с применением замедляющей структурыд) СВЧ-разряды с распределенным в пространстве вводом энергии в плазму.СВЧ-плазма в больших объемах может получаться в системах с распределенным впространстве вводом электромагнитной энергии (рис. 6). Это может осуществляться спомощью различных антенн (например, волновод со щелями, плоские щелевые антенны,кольцевой резонатор со щелями, система штыревых антенн и др.). Элементы связи могутнастраиваться так, чтобы получить однородную плазму. Однородного распределения поляв разрядной системе обычно добиться не удается и для создания однородной плазмытребуется уменьшать давление в камере.а)б)Рис 1.6. Генераторы с распределенным в пространстве вводом энергии вплазму.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
