Диссертация (1150443), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

Однако, измерению ФРИ в собственном газе посвящена толь­ко одна работа [45] в узком диапазоне значений параметра / . При этом,следует отметить, что методика измерений ФРИ в дрейфовых трубках такова,что измеряется не сама ФРИ, а интеграл от нее по составляющей скорости,ортогональной направлению электрического поля [45], в силу чего теряется ин­формация о полной функции распределения ионов по скоростям.В работах [47],[48] автор применял Таунденсовский разряд в инертных га­зах, между параллельными плоскими электродами, в котором около катода спомощью внешнего источника света коротким импульсом производилась иони­зация. При этом с помощью осциллографа контролировался ток разряда. Объ­емный заряд ионов (созданных во время ионизации внешним источником све­та) диффундировал в поле и, в момент прихода заряда на анод фиксировалосьрезкое изменение тока.

Молекулярные ионы, которые при некоторых условияхэксперимента образовывались за счет конверсии с участием атомарных ионови нейтральных атомов, идентифицировались по методике, примененной в [49].В последнее время для идентификации ионов и анализа их распределенияпо энергиям применяются, в основном, масспектрометры различной конструк­ции [50—52]. Однако, работ по использованию их для анализа ионов в объемеDC - разряда нам обнаружить не удалось. По-видимому, причиной этого явля­ется то, что входные камеры масспектрометров представляют собой довольномассивные узлы, которые заметно возмущают плазму, в силу чего масспектро­метры, как правило, применяются для анализа не объемной, а пристеночнойплазмы.Необходимо отметить, что мощным импульсом развития исследований порассматриваемой тематике служат различные прикладные применения физи­ки плазмы, такие, например, как модификация поверхностей с помощью плаз­менного травления, исследования в области пылевой плазмы и т.п.

Интерес кданной области стимулировал большое количество работ, где теоретическими иэкспериментальными методами исследовалась ФРИ, бомбардирующих мишени,находящиеся под различными потенциалами относительно плазмы [53—56]. Яс­17но, что ФРИ, полученные этим способом кардинально отличаются от таковых,измеренных в объеме вдали от поверхностей, находящихся под существеннымипотенциалами относительно плазмы. Работы [57—61] посвящены эксперимен­тальному исследованию различных модификаций (индуктивно - связанному иемкостному) RF - разряда, перспективным для применения в области модифи­каций поверхностей методом плазменного травления и напыления. В работах[62—64] разрабатывается теория для расчета, в том числе и ФРИ в таких раз­рядах.Авторы [65],[66], отмечая важность ФРИ для формирования свойств пы­левой плазмы, делают попытку теоретического рассмотрения этого вопроса,полагая при этом распределение ионов максвелловским, температура которогозависит от величины электрического поля.Отдельные работы посвящены исследованию дрейфа ионов в различныхтипах разряда.

Так, в [67] исследуется ФРИ в импульсном разряде (длитель­ность импульса порядка нескольких мкс) в азоте, а в [68] - измерена ФРИ вразряде магнетронного типа, работа [69] посвящена измерению с помощью тех­нологии тормозящего поля ФРИ в в разряде с индуктивно-связанной плаз­мой.Что касается диагностики DC - плазмы с целью измерения ФРИ, то следу­ет отметить, что традиционно зонды применялись во - первых, для определенияфункции распределения электронов (ФРЭ) [70], во - вторых, как правило, рас­пределение электронов по скоростям было близко к изотропному. Отметим, чтоФРИ даже в положительном столбе тлеющего газового разряда, в отличие отФРЭ, сильно анизотропной.

Известен зондовый способ измерения анизотропнойФРЭ [71], однако нам не удалось обнаружить работы, где зондовым методомизмерялась бы ФРИ не только в тлеющем DC - разряде, но и вообще, в разряделюбого типа.18Выводы к главе 1Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать следующее:– в литературе отсутствуют данные о зондовых измерениях ФРИ в газо­вых разрядах;– в литературе отсутствуют экспериментальные данные о ФРИ в объемеDC - тлеющего разряда, полученные каким - либо методом;– не удалось обнаружить в литературе данных по аналитическим расче­там ФРИ в собственном газе с учетом резонансной перезарядки и рас­сеяния ионов в поляризационном потенциале;– наконец, данные по ФРИ в DC - разряде, полученные с помощью числен­ного моделирования методом Монте - Карло и имеющиеся в литературе,носят единичный характер и не учитывают все особенности взаимодей­ствия иона с собственным атомом.19Глава 2.

Экспериментальное определение ФРИ в плазме тлеющегогазового разряда2.1Введение и постановка задачиКак отмечалось, ФРИ по скоростям представляет интерес по многим при­чинам, среди которых: вопросы изучения плазмохимических реакций, идущихс участием ионов; определение подвижности ионов в плазменном объекте; про­цессы нагрева нейтрального компонента плазмы и ряд других.

Среди важныхтехнических приложений отметим современные плазменные нанотехнологии,тонкую очистку ионами поверхности изделий, технологию создания рельефовна поверхности за счёт избирательного травления при бомбардировке потокамиионов [72].Значительному объему теоретических исследований ФРИ явно противоре­чит практически полное отсутствие экспериментальных работ, за исключением[2], где, как упоминалось в Главе 1, спектроскопически измерялся доплеровскийсдвиг ионных линий в разряде в аргоне при наблюдении вдоль оси разряда, ипо его величине делалось заключение о средней скорости ионов.Настоящая глава посвящена решению задачи экспериментального опреде­ления ФРИ по скоростям в тлеющем разряде собственного газа в постоянномэлектрическом поле произвольной величины.

Для решения этой задачи развитновый метод определения ФРИ по энергиям и направлениям движения.2.2Метод измерения ФРИ с помощью плоского одностороннегозонда2.2.1Теоретические основы методаПредставленный метод является развитием традиционной методики ленг­мюровских зондов [73]. Метод предназначен для диагностики аксиально-сим­20метричной плазмы и позволяет реконструировать полную функцию распреде­ления ионов и компоненты ее разложения по полиномам Лежандра.

Для нахож­дения ФРИ используется часть зондовой характеристики при положительномпотенциале относительно плазмы, где ионы движутся в задерживающем потен­циале. При этом, ввиду малой (по сравнению с энергией электронов даже прибольших полях) энергии ионов, использовался диапазон напряжений 0 − 1 .В работах [73],[74] было показано, что при положительном потенциале зондаэлектронный ток на плоский зонд (когда неприменимо понятие "лимитацион­ного движения") не зависит от этого потенциала и остается постоянным. Приэтом вторая производная электронного тока на плоский зонд равна нулю. Вэтих условиях ионы движутся в задерживающем поле, и вторая производнаяионного тока несет полную информацию об их функции распределения. В связис этим, ′′ в исследуемом диапазоне потенциалов 0 − 1 , описывает функциюраспределения ионов.

Особое внимание при регистрации ′′ , которая была реа­лизована с помощью метода демодуляции и техники фазового детектирования,уделялось поддержанию стабильности электронного тока разряда.В аксиально-симметричной плазме в сферической системе координат с по­лярной осью, направленной вдоль оси симметрии (рис. 2.1), ФРИ по скоростямне зависит от азимутального угла и имеет вид: (r,v) = (r,,),(2.1)где = |v|, - полярный угол.

Величина ионного тока на зонд из плазмы рассчи­тывается в предположении, что все ионы, преодолевшие потенциальный барьерзонда, поглощаются им и что отсутствует вторичная эмиссия с его поверхности:∫︁ = 2 (v)v = 2∫︁20′∫︁∞∫︁0′ (,′ ,′ ) cos ′ sin ′ ′ .(2.2)Здесь - нормальная к поверхности зонда составляющая вектора скоро­сти иона, = cos ′ ≥ = (2/)1/2 ; - масса иона; - положитель­ный относительно плазмы потенциал зонда; = 2 /2; ′ и ′ - азимутальныйи полярный углы, соответственно, вектора v в сферической системе коорди­нат, полярная ось которой совпадает с нормалью к непроводящей поверхностиплоского зонда. Дифференцируя (2.2) дважды по потенциалу , получаем213′′ = 2[︂∫︁22∞]︂′ (,,′ ) .

(,′ = 0,′ )′ −′00 ( )(2.3)Перейдем в (2.3) к лабораторной системе координат, в которой ФРИ имеетвид как под интегралом в (2.2). Для этого воспользуемся соотношением, связы­вающим полярный угол лабораторной системы координат ′ с углами и ′ иуглом между полярными осями систем координат (рис. 2.1):∫︁∫︁cos = cos ′ cos + sin ′ sin cos ′ .Рисунок 2.1 —Геометрия задачи:- нормаль к непроводящей поверхности зонда.Тогда приходим к выражению[︂]︂∫︁ 2∫︁ ∞321′′ (,) = (,) −′ (,* ) ,22 0()√︁′где cos =cos + 1 − sin cos .Соотношение (2.4) представляет интегральное уравнение относительно ис­комой ФРИ. Для нахождения функции распределения представим (,) и′′ (,) в виде разложения в ряды по полиномам Лежандра [71], [75].:*√︁(2.4) (,) =∞∑︁=0 () (cos ),(2.5)22′′ (,)∞2 3 ∑︁ = ( ) (cos ).2 =0(2.6)Следует отметить, что лежандровы компоненты () имеют самостоятель­ный физический смысл и определяют ряд важнейших параметров плазмы.

Так,например, компонент 0 определяет концентрацию ионов:√ ∫︁4 2 ∞ √ = 3/20 ().0Компонент 1 определяет величину плотности ионного тока в плазме:8 =32∞∫︁1 ().0После подстановки (2.5) и (2.6) в (2.4) получаем соотношение между и ( ) = ( ) +∫︁∞ ()( )(︃√︂)︃(2.7).Здесь использована теорема сложения для полиномов Лежандра(︃√︂ (cos * ) = (cos ) )︃+2∑︁( − )!=1( + )!(︃√︂ (cos ))︃cos ′ .Выражение (2.7) является интегральным уравнением Вольтерра II рода.Используя его резольвенту, можно разрешить (2.7) относительно .

( )∫︁∞= ( ) + () (,),(2.8)где ( ; ) =2−(+1)∑︀/2=0 (︁)︁ −2−12(2−2)!(−2), = (−1) !(−)!(−2)! , при =0, 2, 4...Приведём явный вид резольвент для = 0, 2, 4...:0 (,) = 0;3 1/2;2 (,) =2 3/2235 1/2 4 (,) =(7 − 3);4 3/2 21 1/226 (,) =(33−30+ 5).16 3/22Подстановка в (2.8) соотношения для -го компонента в разложении (2.5)по полиномам Лежандра ( )(2 + 1)2=4 3 1∫︁−1′′ (, ) ()приводит к основной формуле метода (здесь = cos )(2 + 1)2 ( ) =4 3 ∫︁1−1[︂∫︁′′ (, ) +∞]︂′′ (,) (,) ().

Характеристики

Список файлов диссертации