Введение к работе
Актуальность работы. Разряд, при котором внешнее магнитное поле оказывается перпендикулярно электрическому, принято называть разрядом в скрещенных полях. В последние годы интерес к такому типу разряда возрос. Прежде всего, это связано с его использованием в технологии создания тонких пленок [1]. Интерес к разряду в скрещенных полях также обусловлен его применением в устройствах, способных служить коммутаторами в электрических цепях больших мощностей. Однако физика разряда в скрещенных полях до сих пор изучена недостаточно. Это обусловлено рядом причин.
Во-первых, в большинстве случаев такие разряды являются трехмерными, что по существу затрудняет обработку результатов эксперимента. Простейшей формой разряда в скрещенных полях являются разряды цилиндрической геометрии, в которых холловский ток замкнут. Геометрия в них сводится к двумерной, что значительно упрощает анализ.
Во-вторых, использовались гидродинамические модели, которые являются неадекватными для описания такого рода разряда, особенно при низких и средних давлениях. Для анализа и понимания структуры таких разрядов, в первую очередь для описания электронной компоненты, необходимо применение кинетической нелокальной теории тлеющего разряда [2]. Выводы этой теории необходимо проверить на различных объектах в широком диапазоне условий.
Поэтому в качестве объекта исследования в данной работе был выбран разряд в скрещенных полях с цилиндрической геометрией электродов, а в качестве направления исследования -кинетический подход. Цель работы:
Комплексное исследование различных физических характеристик разряда постоянного тока в скрещенных электрическом и магнитном полях в неоне с цилиндрической геометрией электродов.
Задачи:
Измерение функций распределения электронов по энергиям и определение потенциального рельефа вдоль разрядного промежутка.
Установление структуры разряда и построение теоретической модели с учетом нелокальной кинетики электронов при различной полярности электродной системы в макете с большой разницей диаметров внешнего и внутреннего электродов.
Исследование энергетического спектра ионов в прикатодной области разряда. Сравнение полученных результатов измерений с модельными расчетами.
Получение и исследование тонких углеродных пленок, обладающих высокой степенью однородности и центральной симметрией. Построение диффузионной модели формирования пленок и сравнение модельных расчетов с экспериментальными данными.
Научная новизна работы:
Проведено исследование разряда в скрещенных полях постоянного тока в неоне с большим отношением радиусов электродов при низком давлении рабочего газа. Выполнены измерения радиального хода функций распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), потенциала и интегральной интенсивности излучения. Определена структура разряда и его соответствие нелокальной модели.
Обнаружено, что имеется область обратного поля в фарадеевом темном пространстве. Таким образом, модель, развитая для разряда без магнитного поля, может быть распространена на случай разряда в скрещенных полях с замкнутым холловским током электронов для обеих полярностей электродной системы.
Произведены измерения и расчет функций распределения электронов по энергиям в различных точках разрядного промежутка для электронов, ответственных за перенос тока в разряде. Оценены значения толщины катодного слоя для обеих полярностей электродной системы. Наблюдается
удовлетворительное согласие результатов расчета с экспериментальными данными.
Определены функции распределения ионов по энергиям вблизи катода. Установлено, что при условиях проведенного эксперимента функции монотонно убывают с увеличением энергий ионов. Проведено сравнение экспериментальных данных с расчетными. Наблюдается хорошее согласие.
Исследован процесс формирования углеродных пленок в разряде постоянного тока. Определены условия, при которых пленки обладают однородностью и центральной симметрией. На основе предположения, что атомы углерода появляются в разрядном промежутке вследствие эрозии катода под действием бомбардировки его положительными ионами и быстрыми атомами рабочего газа, образовавшимися в результате процесса перезарядки, предложена диффузионная модель, которая позволяет при заданных параметрах разряда рассчитать диффузионный поток углеродных атомов на подложку. Модель учитывает разогрев газа. Рассчитаны профили толщин полученных пленок и проведено их сравнение с экспериментальными данными. Имеется удовлетворительное согласие.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты экспериментальных исследований функций распределения электронов по радиусу, распределения потенциала, а также интегральной светимости в разряде со скрещенными полями в неоне при различной полярности электродной системы.
Анализ полученных данных и построение моделей разряда в скрещенных полях в неоне при различной полярности электродной системы на основе нелокальной кинетики электронов.
Расчеты и результаты экспериментальных исследований энергетического распределения ионов вблизи катода в разряде со скрещенными полями в неоне.
Образование тонких углеродных пленок с высокой степенью центральной симметрии в разряде со скрещенными полями.
5. Диффузионная модель, позволяющая оценить радиальные профили пленок, полученных на подложке в разряде в скрещенных полях в неоне и аргоне. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были доложены на конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2007 (г. Петрозаводск, Россия, 2007); IV всероссийской конференции молодых ученых 22-25 апреля 2008 (г. Томск, Россия); Eleventh International Conference on Plasma Surface Engineering, PSE-2008 (Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2008); VI International Conference Plasma Physics and Plasma Technology PPPT-6 (Minsk, Belarus, 2009). Публикации
По материалам диссертационной работы опубликованы две статьи в рецензируемых журналах и восемь статей в сборниках докладов конференций. Личный вклад автора
Основные результаты работы, их обработка и интерпретация получены самим автором либо при его непосредственном участии. Анализ результатов, их обобщение и интерпретация выполнены в соавторстве. Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из 5 глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 95 с, включая 56 рисунков, 2 таблицы и 71 наименование библиографических ссылок. Благодарности
Исследования, представленные в данной работе, выполнялись при помощи гранта Госконтракт №02.740.11.0395 от 30 сентября 2009 г. по программе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Значительная помощь была также оказана НОЦ «Плазма» Петрозаводского государственного университета.
