Диссертация (1103131), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Ионыне учитывались, так как в более ранних расчетах, сделанных для разряда вчистом водороде, было показано, что они не влияют на результаты расчета [55, 93].Таблица 2.1Процессы, учитываемые при моделировании водородной плазмыNo.k(см3 с-1, см6 с-1); Ai (с-1);ПроцессыЛитератураВозбуждение и тушение атома H1+ e → (2S,2P) + ef(EMW)[101]2+ e → (3S,3P,3D) + ef(EMW)[102]3(2S,2P) + e → (3S,3P,3 ) + e4 * 10-7[55]f(EMW )[103]1.3 * 10-9[104]3.0*10-11[55]2.2 * 10-9[105]f(EMW)[101]4H2 + e → (3S,3P,3 ) +5H(2S,2P) + H2 →+6(2S,2P) +→+7H(3S,3P,3D) + H2 →+8(2S,2P) + e →+e+++eПрямая и ступенчатая ионизация9H2(ν=0,…) + e →2++ 2ef(EMW )[106, 107]Диссоциативная рекомбинация1011H2+ + e →H3+ + e →+ (2S,2P)++f(EMW)[103]f(EMW)[103]f(EMW)[108]Диссоциация H212H2 (ν=0,…) + e →++e45Излучение(2S,2P) →13τef = 1.6 * 10-9 / f(ρ), с+ hν[109]См.
текст(3S,3P,3 ) → (2S,2P) + hν145 * 107[109]2 * 10-9[110]Ионная конверсияH2+ + H2 →15+3+ HОбъёмная рекомбинация атомовH + H + M* →1623 * 10-32+M[111]M* - тяжёлая частица (молекула водорода или аргона)2.3.7. РеабсорбцияПри расчете гибели резонансного состояния Н(2р) за счет излучения необходимоучитывать реабсорбцию, т.е. последовательный процесс переизлучения возбужденныхатомов и поглощения возникающего излучения, в результате чего время жизнивозбужденных атомов увеличивается. Обычно при рассмотрении пленения излучениявводится величина f ( ) -коэффициент переноса излучения, представляющий из себявероятность прохождения частицей расстояния без поглощения и рассеяния.
Величинаf ( )зависит от формыспектральной линии поглощения (излучения) и отперераспределения частоты фотона в акте его переизлучения возбуждённым атомом.f ( ) ( ) exp( k )d , (20)где ( ) - форма спектральной линии,k - спектральный коэффициент абсорбции.Рассматриваются два предельных случая формы спектральной линии: доплеровский илоренцевский профили.Первыйсвязан суширением спектральной линии за счеттеплового движения атомов, а второй за счет столкновений атома с другими частицами.Форма спектральной линии при доплеровском механизме уширения является гауссовойблагодаря максвелловскому распределению атомов по скоростям. При уширении за счетстолкновений форма линии определяется дисперсионной формулой, полученнойЛоренцом [112], а ширина ее пропорциональна давлению.
Когда влияние столкновений и46теплового движения на форму спектральной линии сравнимы спектральная линияопределяется так называемым фойхтовским профилем [112].k ( ) k 0aexp( y2) /( a 2 ( x y) 2 )dy , a ( nat 1 c1 )0 / 4V0 (21)Здесь c - эффективное время столкновения атома в резонансном состоянии с атомами восновном состоянии, в нашем случае с атомами водорода, k 0 - коэффициент абсорбции в32центре резонансной линии, k 0 Ng 2 / 8 g1V0 ,300 - длина волны рассматриваемойрезонансной линии, N – суммарное число частиц, V0 - тепловая скорость нейтральныхчастиц пригазовой температуре Т,V0 2kT / m , g 2 , g1 - статистические весавозбужденного и основного состояний, с – скорость света.Мы в своих расчетах использовали приближенный подход, основанный навведении эффективного времени жизни.
Будем придерживаться результатов, полученныхв работах [60, 113 - 115].Характерное время гибели Н(2р) за счет процессов излучения и последующегопоглощения записывается в виде ef nat / f ( ) , где nat – время жизни при спонтанномизлучении , - константа, зависящая от геометрии объема и профиля возбужденных атомов. В[113, 114] для f ( ) при условии оптической толщины k 0 R >>1 и малых значениях a былополучено выражение:1f ( ) f exp( f 2 / 4 f 2 ) f erf ( 2 f / 2 f ) (22)dcdcccdcЗдесь fd и fc – коэффициенты переноса резонансного излучения для чисто допплеровскогои чисто столкновительного уширения, а fcd – коэффициент переноса излучения в условияхстолкновительной формы линии излучения и допплеровской формы коэффициентапоглощения.Соотношения для f d , f c , f cd записываются в виде11111f d 1 / k 0 ( ln( k 0 )) 2 , f c 1 / 2 ( 2 a / k 0 ) 2 , f cd 2a / (ln(k 0 )) 2 .
(23)Согласно нашим расчетам величина f(ρ) менялась примерно от 2 10-3 до 2 10-2 приизменении концентрации атомов Н от 1015 до 1014см-3.47§ 2.4. Выводы к Главе 2Вглавепредставленаразработанныеодномернаяидвумернаябазовыесамосогласованные модели электродного СВЧ разряда. Описана геометрия и основныеуравнения.Моделиконцентрацийпозволяютэлектроновирассчитыватьвозбужденныхпространственныетяжелыхчастиц,распределенияпространственныераспределения СВЧ и постоянного поля. Детали моделей, используемых для решенияконкретных задач, будут описаны в соответствующих главах.48ГЛАВА 3.
ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ АНТЕННЫ ИМАЛЫХ ДОБАВОК АЗОТА НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОДНОГО СВЧРАЗРЯДА В ВОДОРОДЕВ этой главе будут рассмотрены некоторые результаты, полученные, в основном, приодномерном моделировании электродного СВЧ разряда. Часть из них позволилиупростить используемую в следующих главах двумерную модель. В частности,обосновать возможность неучета зарядки диэлектрического покрытия в плазме. Крометого, будут рассмотрены аспекты влияния малых добавок азота на параметрыэлектродного СВЧ разряда.§ 3.1. Влияние диэлектрического покрытия антенны на свойства электродного СВЧразряда3.1.1.
ВведениеОдним из достоинств СВЧ разрядов считается отсутствие электродов в разряднойкамере, которые могут приводить к загрязнению плазмы продуктами их эрозии. Поэтомудо последнего времени для получения плазмы использовались именно безэлектродныеСВЧ системы: волноводные, резонаторные, системы с генераций поверхностных волн идр.[1]. Однако существую условия, когда для получения СВЧ плазмы необходимовведение электрода. Это относится, в первую очередь, к инициированным разрядам, когдаСВЧ поле от внешнего источника оказывается недостаточным для возникновения иподдержания разряда и для создания разряда требуется увеличение локального значенияполя с помощью дополнительных электродов [15]. Кроме того, существует целый классСВЧ устройств, в которых плазма инициируется с помощью электромагнитныхвибраторов разных конструкций [16, 116-118].
Такие устройства используются как дляполучения плазмы пониженного давления [17, 119, 120], так и атмосферного давления [16,117, 118]. К ним можно отнести и широко распространенные коаксиальные СВЧплазменные горелки [121-123]. Применяются антенные системы и для генерации плазмы вобъеме жидкости [124-127].В этих случаях возникает проблема загрязнения объема продуктами эрозииметаллических электродов. Представляется, что возможность загрязнения плазмыматериалом электродов в СВЧ устройствах, по крайней мере, при малых мощностях,преувеличена. В [89] в электродном СВЧ разряде в условиях, характерных для осаждения49алмазов (смесь водорода с малой добавкой метана, давление порядка 15 Тор, при нагревеподложки, расположенной на расстоянии 1.5 см от электрода, до 1000 оС) методамиЭСХА и Оже-спектроскопии не было обнаружено даже следовых количеств материалаэлектрода в осажденном материале.
Это связано с тем, что в СВЧ плазме бомбардировкаповерхности электрода высокоэнергетическими ионами отсутствует. В ВЧ разряде,например, такие ионы появляются в результате их ускорения в значительных постоянныхполях, существующих в двойном электрическом слое у электрода из-за выпрямленияприложенного ВЧ напряжения (100-300В) на нелинейности двойного слоя.
В СВЧплазмеконцентрацииэлектроновдостаточновысоки(1011см-3)итолщинаприэлектродного слоя мала. В этих условиях импеданс слоя носит емкостной характер,выпрямление СВЧ сигнала, хотя и существует, но не является фактором, приводящим квозникновению ионов высоких энергий. Именно поэтому СВЧ-разряд, как правило,является разрядом с преобладающей объемной ионизацией (-форма разряда) ивторичнойионизацией(-процессы)можнопренебречь.Темнеменее,вэнергонапряженных режимах, когда температура электрода становится большой,возможно плавление и даже взрыв металлических электродов [17, 120] и, соответственно,перенос вещества электродов в газовую среду.
Термическая эрозия электроданаблюдается и СВЧ разрядах в жидкостях [128, 129].Одним их методов устранения влияния материала электрода является покрытиеего высокотемпературным диэлектриком, как это было сделано, например, в [129]. Всвязи с этим возникают вопросы о степени влияния такого покрытия на параметрыплазмы. К факторам, с которыми может быть связано влияние, относятся: осаждениезарядов на поверхности диэлектрика в плазме, изменение электродинамических свойствгазоразрядной системы, а также изменение каталитических свойств поверхности (заменаметалла на диэлектрик) и связанное с этим изменение влияния поверхности наконцентрации частиц тяжелой компоненты плазмы.
Все эти факторы проанализированы вэтом на основе самосогласованного моделирования электродного СВЧ разряда(использованные модели описаны в Главе 2) в водороде при давлении 1 Тор.В качестве покрытия электрода использовались диэлектрики с диэлектрическойпроницаемостью = 1, 2, 3 и 4 с толщинами d = 1, 2, и 3 мм.Граничные условия для заряженных частиц плазмы, описываемых баланснымиуравнениями, заданы выражениями для потоков на стенку диэлектрика, покрывающегоцентральный электрод и дальнюю стенку камеры:50Потоки 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
