Диссертация (1105074), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Наложение же внешнего магнитного поля вдиапазоне 400 – 1150 Гс приводило к возникновению широкого максимумаконцентрации плазмы с пиковым значением 31013 см-3. В тех жеэкспериментах с помощью магнитного зонда измерялось расстояние d междуэкстремумами распределения продольной компоненты высокочастотногомагнитного поля Bz. Сравнение измеренных и рассчитанных с помощьювыражения (1.2) значений d показало их удовлетворительное согласие, что29было расценено как убедительное доказательство факта возбуждениягеликона [48].В дальнейшем в работах 1968-1991 гг. [50-55] Р.
Босвелл с коллегамипровел исследования структуры и характера распространения волн придавлении 1.5 мТор, рабочих частотах 7-10 МГц, индукции внешнегомагнитного поля до 1.6 кГс. Источник плазмы представлял собой кварцевуютрубу диаметром 10 см и длиной 120 см, помещенную во внешнее магнитноеполе, направленное соосно с источником.Результаты, полученные в [48-55,77-94], заложили основу современныхпредставленийо«геликонном»разрядеиопределилинаправлениедальнейшего исследования индуктивного ВЧ разряда, помещенного вмагнитное поле, на много лет вперед.К основным результатам, полученным в группе Р.Босвелла и егопоследователей, необходимо отнести следующие:1.
При наложении на разряд магнитного поля в центре источникаплазмыформируетсяобластьинтенсивногосвеченияплазмы.Прииспользовании в качестве рабочего газа аргона, свечение вблизи осиисточника плазмы становится синим, что характерно для спектра свеченияплазмы с высокой интенсивностью линий ArII. Рост магнитного поляприводит к приближению границ ярко светящейся области к оси разряда.Полученные результаты свидетельствуют о проникновении ВЧ полей внутрьразряда и об интенсивном нагреве электронов в приосевых областях разряда.2.
В разряде возбуждаются стоячие или частично бегущие волны.Длина возбуждаемой волны примерно равна удвоенной длине антенны.3. Увеличение мощности ВЧ генератора при фиксированной индукциимагнитного поля приводит при некоторых пороговых значениях мощности кпереходу разряда из Е- в Н–моду, а затем из Н- в W–моду, т.е в моду, вкоторой поддержание разряда осуществляется волной [52-53,86,89-90].Переход от Е- к Н-моде обычно происходит с увеличением мощности ВЧгенератора при концентрации электронов порядка 1010 см-3. По мнению30авторов, дальнейшее увеличение мощности и, как следствие, концентрацииэлектронов ведет к уменьшению длины волны геликона.
Переход из Н- в Wмоду наблюдается при совпадении длины волны с продольным размеромисточника. В качестве иллюстрации на рис.1.2 приведены зависимостиконцентрации на оси источника плазмы при переходе от H- к W-моде отмощности ВЧ генератора при разных значениях индукции внешнегомагнитного поля. Как видно, смена моды горения разряда сопровождаетсяизменениемпространственногораспределенияконцентрацииотсосредоточенного вблизи витков антенны через полый радиальный профильк ярко очерченному профилю с максимумом на оси источника [90].
В работе[85] скачки концентрации плазмы наблюдались при одинаковом отношенииВ/ne. Расчет длины волны из дисперсионного соотношения показал, чтодлина волны геликона для этих условий равна 30 см. Близость длины волны спродольными размерами источника плазмы (34 см) дали основания связатьпереход между модами с резонансным возбуждением стоячей волны.а)б)31в)г)Рис.1.2.
Зависимость концентрации электронов от величины мощности ВЧ генераторадля значений индукции внешнего магнитного поля а) 25, б) 50, в) 100 и г) 150 Гс [90].4. Увеличение индукции магнитного поля при фиксированноймощности ВЧ генератора приводит при некоторых пороговых значенияхмагнитного поля к скачкообразному увеличению концентрации плазмы(см рис.1.3). В работе [50] Р. Босвелл наблюдал скачкообразные измененияплотности плазмы от величины индукции внешнего магнитного поля приповышенных значениях концентрации электронов, т.е. изначально работая вW-моде. Зависимость, полученная в работе [50], показана на рис.1.3.Скачкообразное поведение концентрации с ростом магнитного поля авторсоотнес с резонансами стоячих волн.
При этом изменение длинывозбуждающей антенны вело к исчезновению эффекта. На рис.1.3пунктирной линией показана зависимость концентрации плазмы от внешнегомагнитного поля для случая возбуждения геликона с длинной волны 50 см,рассчитанная из дисперсионного соотношения. Близость зависимости ne(B) красчетной, подтверждала факт возбуждения геликонных волн.32Рис.1.3.
Зависимость концентрации электронов от величины индукции внешнегомагнитного поля при фиксированной мощности ВЧ генератора 180 Вт [50].5. Скачкообразная зависимость плотности плазмы от величинымощности ВЧ генератора и внешнего магнитного поля имеет пороговыйхарактер [83]. При превышении мощности ВЧ генератора 400-500 Вт ивеличины индукции 400-500 Гс зависимость n(B) и n(Ppl) становитсялинейной (рис.1.4-1.5).Рис.1.4. Зависимость концентрации электронов от величины индукции внешнегомагнитного поля при фиксированной мощности ВЧ генератора [83].33Рис.1.5. Зависимость концентрации электронов от величины мощности ВЧ генератора прификсированной индукции внешнего магнитного поля [83].6. Концентрация плазмы на оси источника плазмы может достигатьвеличин порядка 3*1013 см-3 при относительно небольшой мощности ВЧгенератора 1000 Вт и магнитном поле порядка 1 кГс.Накопленный в литературе обширный экспериментальный материалнуждался в теоретическом осмыслении.
Ранее в работе Р.Л. Ферари и Дж.П.Клозенберга было получено приблизительное дисперсионное соотношениедля случая распространения геликона в волноводе [95]. Х.А. Блевином иП.Дж. Кристиансеном была разработана теория возбуждения геликонов дляслучая неоднородной плазмы [69]. Позднее в работе [37] была разработанаобщая теория для описания распространения волн в магнитоактивной плазме,и, в частности, геликонов.Как отмечалось выше, столкновительный механизм поглощения ВЧмощности, также как черенковское поглощения геликонных волн непозволяют описать высокие значения плотности плазмы, наблюдаемые принизких давлениях.
В 1985 году Ф. Чен для объяснения полученных вэкспериментах Р. Босвелла высоких значений концентрации плазмыпредположил, что в разряде происходит формирование группы резонансныхбыстрых электронов, ускоряющихся в поле геликона до фазовой скоростиволны [96]. Наличие в разряде группы быстрых электронов с энергиями,близкими к максимуму сечения ионизации нейтрального газа, значительноснижает среднюю энергию, необходимую для образования электрон-ионной34пары и, как следствие, позволяет достичь согласия экспериментальныхданных с теорией.Работа Ф. Чена [97] ознаменовала появление значительного количестваработ,посвященныхэкспериментальномупоискугруппыбыстрыхэлектронов.
Так, П. Жу и Р. Босвелл наблюдали быструю группу электроновпо возбуждению спектральных линий, имеющих высокий потенциалвозбуждения [55]. Р. Элингбоэ и др. [88,98] показали, что в диапазонеконцентрации электронов 1011-1012 см-3 возбуждение спектральных линийбыстрымиэлектронамивысокочастотнымивзаимодействияпроисходитпульсациями,типакак«частица-волна».периодически,иожидалосьДанныесинфазнодлясслучаяпульсациибылинепосредственно измерены с помощью энергоанализатора В.
Молвиком иколлегами [93]. Скорости электронов были сопоставлены с фазовымискоростями геликона. Ф. Чен и К. Декер предоставили косвенноедоказательствосуществованиярезонансныхэлектронов,исследуяотрицательное смещение торцевой пластины источника плазмы [99]. П.Ловенхардт и др.
подтвердили существование группы быстрых электронов наосновании вида вольт-амперных характеристиках (ВАХ) зондов Ленгмюра[100], указывающих на существование «хвоста» функции распределенияэлектронов по энергиям (ФРЭЭ). Т. Шоджи и его коллеги показали, чтопроисходит уширение функции распределения электронов по энергиям сростом k [101].
Обработав данные зондов Ленгмюра, Р.Т.С. Чен и др. [102]продемонстрировали, существование группы электронов, чья скоростьизменялась при варьировании фазовой скорости возбуждаемых волн. Однаконеобходимо отметить, что все вышеперечисленные авторы в своихэкспериментах использовали зонды Ленгмюра с недостаточной илиотсутствующей компенсацией ВЧ составляющей.С другой стороны, при исследовании случая плотной плазмы (10 13 см-3)с использованием зондов, скомпенсированных «методом плавающегопотенциала» Д. Блэквеллом и Ф. Ченом не было обнаружено никаких35отклонений ФРЭЭ от чисто Максвелловского распределения [103].
В своихпоздних работах Ф. Чен предполагал, что возможно данный случай являлсяследствием специфики использованного в его группе метода компенсациизонда Ленгмюра [91,104-105].В работе [47] Ф. Чен констатирует, что предложенный им механизмпоглощения геликонных волн не нашел экспериментального подтверждения,а причинную связь между быстрыми электронами, обнаруженными в работах[99], и геликонными волнами считает недоказанной.
Тем не менее, работы попоиску группы быстрых электронов и обсуждение их роли в поглощении ВЧмощности геликонной плазмой продолжаются и в настоящее время [106-108].Параллельно с исследованиями Ф. Чена с 1994 года в работах А.А.Рухадзе, А.Ф. Алекандрова, Е.А.
Кралькиной и др., К.П. Шамрая и В.Б.Таранова [43-46] было показано, что в разреженной пространственноограниченной низкотемпературной плазме индуктивного ВЧ разряда свнешним магнитным полем помимо геликонов возбуждаются связанные сними медленные электростатические косые ленгмюровские волны, известныев зарубежной литературе как волны Травелписа Голда. При этом диссипацияВЧ энергии определяется поглощением косой ленгмюровской волны.Аналитическое рассмотрение электродинамической задачи о возбужденииволн в пространственно ограниченных источниках плазмы связано созначительными трудностями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
