Диссертация (1105074), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Данный результатхорошо прослеживается по профилю кинетической энергии ионов, которые всилу своей инерции не успевают реагировать на высокочастотные измененияпотенциала.Наконец, в ходе моделирования двухкамерного источника плазмы с малымрадиусом газоразрядной камеры было обнаружено влияние усредненногонелинейной компоненты силы Лоренца, которое в литературе носит названиесилы Миллера. Действие силы пропорционально градиенту квадратаэлектрического поля и проявляется в вытеснении заряженных частиц изобласти больших электрических полей в отсутствии или при небольшихзначениях внешнего магнитного поля (до 20 Гс).

В ходе моделирования былопоказано, что проявление эффекта становится более заметным с уменьшениемтока, текущего через антенну, радиуса ГРК и увеличением плотности намоткивитков индуктора, ведущим к увеличению градиента поля вблизи антенны.Первое связано с тем, что ВЧ поля, ведущие к ускорению частиц в областииндуктора, пропорциональны квадрату тока, текущего через индуктор) I2, асила Миллера пропорциональна grad(E2). Таким образом, в результатеувеличения силы тока, влияние силы Миллера становится все менее и менеезаметным.

Второе – делает воздействие силы Миллера более заметным,поскольку действие силы сосредотачивается вблизи витков, где градиентыполей максимальны.В заключение приведены основные результаты и выводы диссертационнойработы.24Глава 1. Обзор литературы.Исследование физики индуктивного ВЧ разряда имеет длительнуюисторию.

Высокочастотный безэлектродный разряд был открыт И.В.Гитторфом в 1884 году [57]. И.В. Гитторф заметил, что остаточный газ ввакуумной трубке, помещённой в соленоид, начинает светиться, как толькочерез соленоид начинает течь высокочастотный ток. В 1891г. Дж.Дж.Томсоном было высказано предположение [32], что возбуждение иподдержаниеиндуктивногоэлектрическимполем,котороеразрядаобеспечиваетсясоздаетсяВЧвихревыммагнитнымполем,индуцируемым при протекании тока по антенне. Вихревое электрическоеполе нагревает электроны до энергий, необходимых для эффективнойионизации рабочего газа.Известно,чтоВЧполяскинируютсявпроводящихсредах.Закономерности проникновения ВЧ полей в плазму индуктивного разрядавпервые были изучены Дж.Дж.

Томсоном. В работе [32] им был рассмотренслучай цилиндрического индуктивного источника плазмы при условии, чтоего длина L намного превышала радиус R, L >> R.В работах [32-33] расчет структуры ВЧ полей был выполнен вприближении ν » ω, когда длина свободного пробега электронов λ многоменьше толщины скин-слоя δ, λ « δ. В этом случае индуцированный вплазме ток j определяется ВЧ полем Е, существующим в данной точкепространства, т. е.

связь между j и Е является локальной.Противоположный предел λ » δ известен как область аномальногоскин-эффекта. При этом плотность тока заряженных части в данной точкеплазмы определяется значениями электрического поля вдоль всейтраектории движения частиц, т.е. связь между током j и величинойэлектрического поля Е, а также связь между электрическим полем Е иэлектрическойиндукциейDявляетсянелокальной.Уравнения,связывающие j и Е, а также Е и D в этом случае представляют собойинтегральные соотношения.

Качественная теория аномального скин-25эффекта была разработана А. Пиппардом в работе [34]. Предположение А.Пиппарда заключалось в разделении электронов на, так называемые,«эффективные» электроны, которые движутся почти параллельно (подмалымиугламиθ≤δ/λ)поверхностиисточникаплазмы,и«неэффективные» — для которых θ ≥ δ/λ. В рамках такого представления«эффективные» электроны вносят основной вклад в ток проводимости,текущий в скин-слое. Остающиеся «неэффективные» электроны слишкомбыстро покидают скин-слой, и, следовательно, электрические поля «неуспевают» оказать на них существенного воздействия.

В связи с этим токпроводимости в скин слое падает в δ/λ раз.Наложение внешнего магнитного поля на индуктивный ВЧ разрядприводит к появлению «областей прозрачности», т.е. областей значенийвнешнего магнитного поля, при которых ВЧ поля проникают вглубь плазмы.Проникновение ВЧ полей в плазму и механизмы поглощения ВЧ мощностиплазмой при наличии внешнего магнитного поля изучались в большомколичестве работ [35-40,42]. Остановимся более подробно на работах,посвященныхисследованиюразряда,выполненныхприусловиях,соответствующих возбуждению геликонных волн в плазме. Геликоннаяволна представляет собой слабо затухающую поперечную электромагнитнуюволну, возбуждаемую в плазме при наличии внешнего магнитного поля,значения индукции которого удовлетворяют неравенству [35]:ωLi « ω «e « ωLe,где(1.1)ω – рабочая частота, ωLi – ионная ленгмюровская частота, e –электронная циклотронная, ωLe – ленгмюровская частота.Дисперсионное выражение для геликонных волн, распространяющихсяпараллельно внешнему магнитному полю в безграничной плазме, имеет вид:k|| kc 2k 2c 2   e 2  i 2LeLe(1.2)Где k||  k cos , k - волновой вектор,  - угол между направлением26распространения волны и внешним магнитным полем, с – скорость света,  частота электрон-атомных столкновений.Историческивпервыесвойствагеликонабылиизученыприрассмотрении условий возбуждения волн в металлах и полупроводниках.

Так,в 1960 г. О.В. Константинов, В.И. Перель [58] и П. Эгрен [41] предсказалисуществование электромагнитных волн с частотой, лежащей между ионной иэлектронной циклотронными частотами, в хорошо проводящих твердыхтелах, находящихся в сильном постоянном магнитном поле. За круговуюполяризацию П. Эгрен [41] назвал их геликонами. Экспериментальноеподтверждение возбуждения геликонной волны в твердом теле связано сименами Р. Бауэрс, Ч. Ледженд и Ф.Э.

Роуз [59], наблюдавших геликоны внатрии в 1961 г. Вскоре после этого А. Либхабер и Р. Вейлекс сообщили обобнаружении геликона в микроволновом диапазоне частот в экспериментах сантимонидом индия [60]. В дальнейшем Р.Г. Чэмбер и Б.К. Джонс [61]провели обстоятельное изучение геликонов во многих простых металлах. Кнастоящему времени опубликованы сотни статей по различным аспектамраспространения геликонных волн в твердых телах.Параллельно с исследованием геликонных волн в твердых телах былиначаты исследования особенностей возбуждения волн в квазинейтральномионизованном газе - плазме.

Так, при исследовании ионосферы в работах[62-64] было показано, что обнаруженные ранее «свистящие атмосферики»[65-66] представляют собой геликонные волны, распространяющиеся вдольмагнитного поля Земли. В наземной плазме, геликоны впервые наблюдалисьв экспериментах, выполненных на тороидальной установке по исследованиютермоядерного синтеза ZETA [67]. На ней Р.М.

Галлет, Дж.М. Ричардсон идругие [67] зафиксировали распространение волны вдоль линий магнитногополя. Вскоре после этого Х.А. Блевин и П.Ч. Тонеман [68] в экспериментах смногокомпонентнымвнешниммагнитнымполемсвращающейсяазимутальной компонентой, наложенной на цилиндрический источникплазмы,обнаружиливысокочастотныеосцилляции,которые27идентифицировали как стоячие геликонные волны. Необходимо отметить,что, если первые работы по изучению геликонных волн были направлены наизучение их свойств, то в более поздних экспериментах геликонные волныиспользовались в качестве инструмента для изучения радиальных профилейконцентрации электронов в источниках плазмы, помещенных во внешнеемагнитное поле [69-72].Первымэкспериментом,направленнымнаисследованиераспространения геликонных волн в газоразрядном источнике плазмы спомощьюнизкоамплитудныхтестовыхволн,былэксперимент,выполненный Дж.А.

Леханом и П.Ч. Тонеманом в 1965 [73]. Источникплазмы представлял собой стеклянную трубу диаметром 10 см и длиной 100см. При давлении 10-70 мТор, магнитном поле менее 500 Гс и мощности 3кВатт, на рабочей частоте в 15 МГц были достигнуты значенияконцентрации плазмы 3-51012 см-3. Эксперименты были проведены придостаточновысокихпоглощениеволныдавлениях,счтопомощьюпозволилоавторамстолкновительногообъяснитьмеханизма.Интерпретация экспериментов, выполненных при низких давлениях, т.е. вслучае низкой частоты электрон-нейтральных столкновений, показаланевозможностьобъяснениявозросшейдиссипацииволнврамкахстолкновительного механизма.

Случай резонансного нагрева плазмы принизких давлениях был рассмотрен В.В. Чечиным и др. в 1965 [74] и болееполно был исследован М.П. Васильевым в 1968 [75]. В работе В.Д.Шафранова[76]аномальновысокоепоглощениебылообъясненочеренковским поглощением. Однако последующие измерения показали, чтолинейная теория не позволяет объяснить эксперимент в полной мере [47].Систематическое экспериментальное исследование геликонных волн вплазме связано с именем австралийского физика Р.Босвелла, подробноизучившего структуру и прохождение волн в плазме.

Еще будучи студентомс 1968 по 1970г, он начал исследование особенностей возбуждения волн в ВЧразряде при наличии внешнего магнитного поля [48-49]. Опыты проводились28в стеклянной трубке диаметром 5 и длиной 55см на рабочей частоте 6-28МГцс использованием специальной антенны, возбуждающей поперечное ВЧмагнитное поле (рис.1.1). Физически конструкция антенны, впоследствииполучившей имя Р.Босвелла, была обусловлена более ранними работами Х.А.Блевина и П.Ч. Тонемана [68], где отмечалось, что наличие поперечногомагнитного поля облегчает возбуждение геликона.Рис.1.1. Схематическое изображение антенны, использованной в экспериментахР.Босвелла [48-49].В ходе исследований параметров разряда в источнике плазмы,выполненных при различных значениях рабочей частоты, Р. Босвеллом былопоказано, что максимальные значения концентрации электронов в отсутствиевнешнего магнитного поля достигают значения 31012 см-3 при частоте 8,5МГц и давлении в 38 мТор.

Характеристики

Список файлов диссертации