Диссертация (Исследование взаимодействия низкотемпературной плазмы с неоднородной поверхностью электродов в газоразрядных приборах), страница 14

5.5.Y, отн. ед.0,000110-410,0000110-50,00000110-620,000000110-71E-0810-810-91E-0900,5122j/p , мА/м ·Па2Рис. 5.5.Зависимость однородной компоненты эффективного коэффициента распыленияионами катода Yi 0 (1) и амплитуды его неоднородной компоненты Yi1 (2) отj p 2 в случае катода с оксидной пленкой (сплошные линии), а также зависи-мость Yi 0 j / p 2 для катода без оксидной пленки(штриховая линия)Видно, что величины Yi 0 и J si 0 быстро возрастают с увеличением плотности разрядного тока j из-за роста энергий ионов (см. Рис. 5.3).

При этом уже вслучае h f H f =0,2 величина J si1 менее чем на порядок отличается от J si 0 , т.е.происходит неравномерное распыление пленки в разряде, причем степень неравномерности убывает с увеличением j вследствие меньшей фокусировкиионов, имеющих большие энергии.В результате происходит увеличение амплитуды h f неравномерноститолщины пленки с течением времени в результате большей интенсивности рас-103пыления ее участков с наименьшей толщиной.

Это должно приводить к образованию пор в пленке, что согласуется с наблюдаемым увеличением пористостиоксидной пленки в течение службы катода [106].Выводы к главе 51. Установлены закономерности процесса распыления в тлеющем разрядекатода с тонкой диэлектрической пленкой, толщина которой периодически изменяется вдоль его поверхности.2. Показано, что уже при достаточно малой неравномерности толщиныпленки бомбардирующий ее ионный поток является неоднородным и максимален на участках с наименьшей толщиной пленки. Это происходит вследствиесуществования фокусировки ионов на них, обусловленной нарушением однородности электрического поля у катода.3.

Эффективный коэффициент распыления принимает минимальные значения на участках с наименьшей толщиной пленки в результате того, что наних преимущественно фокусируются ионы с малыми энергиями, претерпевшиепоследнюю перезарядку вблизи катода.4. Поток распыленных атомов с участков пленки с ее наименьшей толщиной имеет наибольшую величину вследствие большей плотности бомбардирующего их ионного потока, что должно приводить к увеличению неравномерности толщины пленки в процессе ее распыления и к образованию в ней пор с течением времени.104ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1. Построена модель катодного слоя тлеющего разряда при наличии накатоде тонкой диэлектрической пленки, учитывающая, наряду с ионноэлектронной эмиссией с катода, также эмиссию электронов из металлическойподложки катода под действием электрического поля, возникающего в пленкевследствие накопления на ней поверхностного заряда при ионной бомбардировке в разряде.2.

Показано, что наличие пленки толщиной порядка 10 нм приводит к заметному снижению катодного падения напряжения разряда, возрастающемупри увеличении толщины пленки и, соответственно, к уменьшению энергийбомбардирующих катод частиц. Установлено, что при уменьшении коэффициента ионно-электронной эмиссии и увеличении плотности разрядного токаэнергии бомбардирующих катод частиц существенно возрастают, что обусловливает быстрый рост коэффициента распыления катода с увеличением плотности разрядного тока, который, однако, заметно снижается при наличии на катоде оксидной пленки.3.

Предложена модель катодного слоя тлеющего разряда у катода с тонкой диэлектрической пленкой, учитывающая нагрев катода и рабочего газа потоком тепла, поступающего из разрядного объема, которая, кроме ионноэлектронной и полевой эмиссии электронов, принимает во внимание такжетермическую электронную эмиссию, возникающую при нагреве катода до достаточно высокой температуры.4. Рассчитано изменение характеристик катодного слоя разряда и температуры поверхности катода в течение времени горения тлеющего разряда до егоперехода в дуговой при различных величинах коэффициента ионноэлектронной эмиссии катода и толщины пленки. Показано, что после зажиганиятлеющего разряда, вследствие полевой электронной эмиссии из металлическойподложки в пленку под действием возникающего в ней сильного электрического поля, увеличивается разрядный ток и интенсивность нагрева катода.

Это105обеспечивает более быстрое возникновение дугового разряда, т.е. ускоренныйпереход прибора в рабочий режим.5. Рассчитаны энергетические спектры потоков ионов и быстрых атомов уискривленной поверхности металлического катода в тлеющем разряде. Найдены распределения плотностей потоков ионов и быстрых атомов, а также эффективного коэффициента распыления катода и плотности потока распыленныхатомов вдоль его поверхности. Показано, что эффективный коэффициент распыления имеет минимальную величину на вершинах рельефа из-за преимущественной фокусировки на них низкоэнергетичных ионов, претерпевших последнюю перезарядку на атоме рабочего газа в слое порядка характерного поперечного размера элементов рельефа, где существует поперечная компонентанапряженности электрического поля, причем неоднородность эффективногокоэффициента распыления возрастает с увеличением амплитуды рельефа.Плотность же потока атомов, распыленных с поверхности катода, достигает навершинах рельефа максимального значения вследствие большей плотности потока бомбардирующих их частиц.

Основной вклад в неоднородность распыления катода вносит неоднородность ионного потока, а вклад неоднородности потока быстрых атомов мал и может не приниматься во внимание при моделировании распыления твердых тел в тлеющем разряде, если ширина его катодногослоя существенно превосходит размеры элементов поверхностного рельефа катода.6.Установлены закономерности процесса распыления в тлеющем разрядекатода с тонкой диэлектрической пленкой, толщина которой периодически изменяется вдоль его поверхности. Показано, что уже при достаточно малой неравномерности толщины пленки бомбардирующий ее ионный поток являетсянеоднородным и максимален на участках с наименьшей толщиной пленки.

Этопроисходит вследствие существования фокусировки ионов на них, обусловленной нарушением однородности электрического поля у катода. Эффективный жекоэффициент распыления принимает минимальные значения на участках снаименьшей толщиной пленки в результате того, что на них преимущественно106фокусируются ионы с малыми энергиями, претерпевшие последнюю перезарядку вблизи катода. Поток распыленных атомов с участков пленки с еенаименьшей толщиной имеет наибольшую величину вследствие большей плотности бомбардирующего их ионного потока, что должно приводить к увеличению неравномерности толщины пленки в процессе ее распыления и к образованию в ней пор с течением времени.107СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.

Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. 592 с.2. Zissis G., Kitsinelis S. State of art on the science and technology of electrical light sources: from the past to the future // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009.V. 42, № 17. 173001.3. The 2012 plasma roadmap / S. Samukawa [et al.] // J. Phys.

D: Appl. Phys.2012. V.45, № 25. 253001.4. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М.: Энергоатомиздат, 1991.720 с.5. Атаев А.Е. Зажигание ртутных разрядных источников излучения высокого давления. М.: Изд-во МЭИ, 1995. 168 с.6. The breakdown and glow phases during the initiation of discharges forlamps / L.C. Pitchford [et al.] // J. Appl. Phys. 1997. V. 82, № 1. P. 112-119.7. Уэймаус Д. Газоразрядные лампы М.: Энергия, 1977. 344 с.8. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing // New York: Wiley-Interscience, 2005. 800 p.9.

Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М: Атомиздат, 1961. 323 с.10. Мак Даниель И., Мэзон Э. Подвижность и диффузия ионов в газах. М:Мир, 1976. 424 с.11. Den Hartog E.A., Doughty D.A., Lawler J.E. Laser optogalvanic and fluorescence studies of the cathode region of a glow discharge // Phys.

Rev. A. 1988.V. 38, № 5. P. 2471-2491.12. Ward A.L. Effect of space charge in cold-cathode gas discharges // Phys.Rev. 1958. V. 113, № 6. P. 1852-1857.13. Ward A.L. Calculations of cathode-fall characteristics // J. Appl. Phys. 1962.V. 33, № 9. P. 2789-2794.14.

Neuringer J.L. Analysis of the cathode fall in high-voltage low-current gasdischarges // J. Appl. Phys. 1978. V. 49, № 2. P. 590-592.10815. Davies A.J., Evans J.G. An analysis of the one-dimensional steady-stateglow discharge // J. Appl. Phys. 1980. V.

13, № 9. P. L161-166.16. Кудрявцев А.А., Морин А.В., Цендин Л.Д. Роль нелокальной ионизации в формировании коротких тлеющих разрядов // ЖТФ. 2008. Т. 78, № 8.С. 71-82.17. Rafatov I., Bogdanov E.A., Kudryavtsev A.A. Account of nonlocal ionization by fast electrons in the fluid models of a direct current glow discharge// Phys. Plasmas. 2012. V. 19, № 9. 093503.18.

Phelps A.V. Abnormal glow discharges in Ar: experiments and models// Plasma Sources Sci. Technol. 2001. V. 10, № 2. P. 329-343.19. Bogaerts A., Gijbels R., Goedheer W. J. Hybrid Monte Carlo-fluid model ofa direct current glow discharge // J. Appl. Phys. 1995. V.

78, № 4. P. 2233-2241.20. Donko Z., Hartmann P., Kutasi K. On the reliability of low-pressure dc glowdischarge modeling // Plasma Sources Sci. Technol. 2006. V.15, № 2. P. 178-186.21. Belostotskiy S.G., Donnelly V.M., Economou D.J. Influence of gas heatingon high pressure dc microdischarge I-V characteristics // Plasma Sources Sci.Technol. 2008. V. 17, № 4. 045018.22. Lazzaroni C., Chabert P A global model of micro-hollow cathode dischargesin the stationary regime // J. Phys.

D: Appl. Phys. 2011. V. 44, № 44. 445202.23. Venkattraman A. Cathode fall model and current-voltage characteristics offield emission driven direct current microplasmas // Phys. Plasmas. 2013. V. 20,№ 11. 113505.24. Anders A. Physics of arcing, and implications to sputter deposition // ThinSolid Films. 2006. V. 502, № 1-2. P. 22-28.25. Luijks G.M., van Vliet J.A. Glow-to-arc transitions in gas discharge lamps// Lighting Res. Technol.