Диссертация (1105074), страница 9

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

Текст из файла (страница 9)

Общая длина источника плазмы вдоль оси составляла55 см.В основной конфигурации макета все фланцы были заземлены. Приисследовании влияния емкостной составляющей разряда на параметры50плазмы в нижней камере между фланцами В и С располагаласьдиэлектрическая вставка Е.Откачка источника плазмы осуществлялась через нижний фланец Dпосредством форвакуумного и турбомолекулярного насосов до базовогодавления3*10-5Торр.Напускрабочегогазаосуществлялсячерезтехнологические отверстия, выполненные в верхнем фланце А. Рабочеедавление в режиме прокачки источника варьировалось в диапазоне от 0.1 до5 мТорр для газа аргона и от 10 до 70 мТорр для гелия.Ввод ВЧ мощности осуществлялся с помощью соленоидальногоиндуктора (рис.2.1.3). Антенна располагались на боковой поверхностиверхней части источника плазмы на расстоянии 10-16 см от фланца А.Соленоидальный индуктор были выполнены из толстой медной проволокидиаметром 2 мм и полой 3 мм медной трубки соответственно.

В последнемслучае индуктор охлаждался дистиллированной водой температурой 20оС.Рис.2.1.3. Тип антенны, используемой в эксперименте.КонцыантенныподсоединялиськВЧгенераторучерезавтоматическую систему согласования, схема которой приведена нарис.2.1.4. В качестве источников напряжения использовались ВЧ генераторы51YSR-10AF с рабочей частотой 2, 4 и 13.56 МГц, мощность которых моглаизменяться в диапазоне 0-1000 Вт. Ток, текущий по антенне, измерялся спомощью пояса Роговского.Рис.2.1.4.

Схема организации ввода мощности в разряд и автоматической системысогласования, использованной в эксперименте.Для создания внешнего аксиального магнитного поля на установкемонтировалось два электромагнита на уровне фланцев D и B. Данныемагниты позволяли создавать в нижней камере однородное в пределах 7%погрешности магнитное поле с индукцией 0 – 7.2 мТл.Стоит заметить, что в настоящей конфигурации источника плазмынеизбежно возникают паразитные емкости.

В качестве основных отметимемкость между верхним витком антенны и верхним фланцем А, междувитками соленоидального индуктора, между нижним витком антенны иразделительным фланцем В и между фланцами В и D. Последние двеемкости возникают только при использовании металлического фланца В.2.2. Методика определения доли ВЧ мощности, поглощенной плазмой2.2.1. Эквивалентная электрическая схема разрядаИндуктивный ВЧ разряд возбуждается при прохождении тока черезантенну, расположенную на поверхности источника плазмы. В 1891г.

Дж.Дж. Томсон высказал предположение [50], что индуктивный разрядвызывается и поддерживается вихревым электрическим полем, котороесоздается магнитным полем, в свою очередь, индуцируемым током, текущим52по антенне. Развивая свою идею, в 1927г. Томсон предложил представитьэквивалентную схему идеального ВЧ разряда как трансформатор [51] ,первичная обмотка которого представляет собой индуктор, состоящий из Nвитков, обладающих индуктивностью Lant и сопротивлением Rant.

РазрядмоделировалсяТомсономкакпроводящаяжидкость,формирующаявторичную обмотку трансформатора, состоящую из одного витка иобладающую индуктивностью L1+Le и сопротивлением R2. Первичная ивторичная обмотки трансформатора связаны коэффициентом взаимнойиндукции M.Рис.2.2.1. Эквивалентная схема разряда.Трансформаторную схему легко свести к последовательной схеме,представленной на рис.2.2.1.

При этом эквивалентные значения плазменногосопротивления и индуктивности определяются выражениями [52-53]: 2 M 2 R2Rpl  22R2   Le   L1 Lpl  (2.1) 2 M 2  L1  Le R   Le   L1 222(2.2)При выведении формул (2.1), (2.2) предполагалось, что индуктивностьвторичной обмотки (разряда) состоит из двух частей: «геометрической»индуктивности L1, которая определяется формой и размером разряда иэлектронной индуктивностью Le , которая следует из комплексного характера53проводимости плазмы. Очевидно, что величина мощности, поглощеннаяплазмой, определяется формулой:1Ppl  R pl I 2 ,2(2.3)при этом она оказывается связанной с мощность ВЧ генератора Pgenвыражением:Pgen 1Rant  R pl   I 22(2.4)2.2.2. Понятие эквивалентного сопротивленияВ общем случае величина ВЧ мощности, поглощаемой плазмой,определяется выражением [12]:2L R22Ppl r  Er   E  || Ez  g E Er*  Er E*  dr ,4 0(2.5)где E  , Er , Ez азимутальная, радиальная и продольная компоненты ВЧэлектрического поля в плазме,  , || , g  – мнимые части компонентовтензора диэлектрической проницаемости плазмы.

Интегрирование идет повсему объему плазмы. В индуктивном разряде ВЧ электрические поляпропорциональны току, текущему в антенне, поэтому уравнение (2.5) можнопереписать в виде, где коэффициент пропорциональности между вложенноймощностьюиквадратомтокачерезантеннуимеетразмерностьсопротивления и зависит только от свойств плазмы.1Ppl  R pl I 2 ,2(2.6)где I– значение тока, текущего через антенну. Величину Rpl естественноназвать эквивалентным сопротивлением плазмы, используя аналогию свыражением (2.3), полученным на основании трансформаторной модели.54Из формул (2.5) и (2.6) видно, что физический смысл эквивалентногосопротивления плазмы состоит в том, что оно является мерой способностиплазмыпоглощатьВЧмощность.Еговеличиназависиткакотзакономерностей проникновения полей в плазму, так и от механизмапоглощения мощности, т.е.

определяется основными фундаментальнымисвойствами плазмы индуктивного разряда.Выражения (2.5) и (2.6) справедливы как для разряда без магнитногополя, так и при его наличии. Это дает основание для использованиявеличины эквивалентного сопротивления плазмы для анализа механизмов иэффективности ввода ВЧ мощности в плазму индуктивного ВЧ разряда вшироком диапазоне условий его существования, а также для сравненияразличных схем организации индуктивного ВЧ разряда между собой.2.2.3.

Методика измерение мощности, вложенной в плазмуОснованиемдляизмерениявеличинымощности,поглощеннойплазмой, в настоящей работе служила формула (2.4), связывающие мощностьВЧ генератора, отдаваемую во внешнюю цепь, с током, текущим черезантенну, сопротивлением антенны и эквивалентным сопротивлением плазмы.Отметим, что в реальных экспериментах сопротивление антенны включает всебя потерина нагрев элементов системысогласования, антенны,металлических частей установки, расположенных вблизи источника плазмыи т.д.

вследствие возбуждения в них индукционных токов. В связи с этимизмеренияиобработкарезультатовэкспериментов проводились последующей схеме:1. Сначала определялось эффективное сопротивление антенны по формуле:RAnt 2 PGen,I o2(2.7)55где PGen – мощность ВЧ генератора, отдаваемая во внешнюю цепь, I o – токчерез антенну без разряда.2.

Затем измерялась зависимость тока через антенну от мощности ВЧгенератора с разрядом при различных фиксированных значениях внешнегомагнитного поля.Полученные данные использовались для расчета сопротивления внешнейцепи, включающего в себя эквивалентное сопротивление антенны иэквивалентное сопротивление плазмы, по формуле:RAnt  R pl 2 PGenI2(2.8)3. Из значений сопротивления нагрузки вычитались значения сопротивленияантенны и определялось эквивалентное сопротивление плазмы:R pl  2PGen RAntI2(2.9)4. По эквивалентному сопротивлению плазмы вычислялась доля ВЧмощности, поглощаемая плазмой Ppl :1Ppl  R pl  I 22(2.10)и эффективность ξ вложения мощности в плазму:PplPGen(2.11)На рис.2.6 показана типичная зависимость квадрата тока через антеннуот мощности ВЧ генератора, измеренная без разряда.

Как видно, зависимостьI o2 от PGen при отсутствии отраженной мощности является линейной впределах 3%. Наличие отраженной мощности приводит к уширениюкоридора ошибки до 10% в области, где отраженная мощность составляет56более 20% от падающей. Линейное изменение квадрата тока через антенну отвкладываемой ВЧ мощности дает основание использовать выражение (2.7)для нахождения эффективного сопротивления антенны. В зависимости отпостановки эксперимента RAnt изменялось от 0.9 до 3.6 Ом.IAnt280R=3.6Ом6040IАнт202PОтр ~0ВтPОтр~30Вт0050100150200250300PGen , ВтРис.2.2.2. Зависимость квадрата тока через антенну без разряда от мощности ВЧгенератора (разницы между падающей и отраженной мощностью) при отсутствииотраженной мощности (квадраты) и при наличии 30Вт отраженной мощности (кружки).Оценки показывают, что погрешность измерения относительных иабсолютных значений тока через антенну составляет 3 и 5% соответственно,погрешностивизмеренииотносительныхиабсолютныхзначенийэквивалентного сопротивления оказываются равными 20 и 50%.2.2.4.

Методика измерение ВЧ токаТок I, текущий через антенну, измерялся с помощью пояса Роговского(см.рис.2.2.3).Рис.2.2.3. Схема пояса Роговского.57Онпредставлялсобойфторопластовоекольцосразмерами(D32xd17xH8) с 50 витками медной проволоки диаметром 0,3 мм. Длякомпенсации магнитного потока, параллельного измеряемому току, быловыполнено «обратное кольцо». Для уменьшения емкостной связи свнешними цепями фторопластовое кольцо с намотанной медной проволокойбыло помещено в медный экран. Медная проволока была нагружена насопротивление R=12 Ом, обеспечивающей выполнение неравенства (2.12) ипропорциональностьнапряжения,генерируемогонавыходепоясаРоговского амплитуде ВЧ тока.r  R  L ,(2.12)где r, L – сопротивление и индуктивность обмотки, – ВЧ частота.2.3.

Характеристики

Список файлов диссертации