Введение к работе
Актуальность темы Газоразрядная плазма характеризуется большим многообразием элементарных процессов с участием заряженных частиц и атомов в основном и возбужденном состояниях, которые могут привести к пространственному перераспределению плотности газа Неоднородное распределение концентрации атомов может быть вызвано градиентом температуры в объеме плазмы и передачей импульса от ионов, движущихся направленно под действием электрического поля, атомам газа при упругих ("ионный ветер") и неупругих (резонансная перезарядка) соударениях В присутствии в разряде низкого давления (в области 0,1-1,0 Тор) небольшого количества примеси (104-10~2Тор) основным процессом, приводящим к объемному перераспределению атомов легкоионизуемой присадки, является ионный массоперенос вещества к катоду (продольный катафорез) и к стенкам (радиальный катафорез) разрядной трубки (Девятое А М , Шибкова Л В и др , Латуш Е Л , Толмачев Г Н и др ) В результате этого явления происходит обеднение центральной области разряда атомами примеси, что заметно снижает эффективность работы устройств, в которых в качестве активного элемента используется разряд в смесях газов Явление катафореза создает также определенные сложности при изучении в газоразрядной плазме элементарных процессов и процессов переноса, связанные с необходимостью проведения дополнительных измерений локальной концентрации атомов примесного газа Поэтому одной из актуальных задач физики плазмы является поиск путей управления степенью пространственного перераспределения компонентов бинарной смеси в плазме газового разряда, что дает возможность целенаправленно влиять на рабочие характеристики газоразрядных устройств
В связи с получением плазмешю-пылсвых кристаллов в последние годы резко возрос интерес к исследованию свойств пылевой плазмы Пылевая плазма, представляя интерес с практической точки зрения в связи с проблемами, возникающими в технологических процессах плазменной обработки поверхностей в микроэлектронике, одновременно является удобным объектом для изучения различных транспортных явлений, наблюдения фазовых переходов и образования упорядоченных структур Одним из важных направлений в этой области явтяется исследование процессов, приводящих к азимутальному вращению пылевой структуры под действием продольного магнитного поля, что представляется весьма важным для установления механизма притяжения одноименно заряженных пылинок
Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью исследований явлений переноса в неравновесной плазме газового разряда, влияния на эти процессы внешних факторов, в частности, продои.ного магнитного поля, что позволяет, с одной стороны, определять роль различных элементарных процессов в массоперсносе вещества и в образовании упорядоченных плазменно-пылевых структур, и, с другой,-изменять оптические и электрокинетическис свойства плазмы
Целью работы является исследование влияния продольного магнитного поля на физические процессы, определяющие перенос вещества в поперечном сечении газового разряда В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи
- изучение радиального распределения концентрации атомов в
основном и возбужденном состояниях, иолов примеси как в стационарном
разряде, так и в активной фазе и в послесвечении магнитоактивной плазмы
при импульсной модуляции разрядного тока,
исследование влияния продольного магнитного поля на перенос заряженных частиц к стенкам разрядной трубки,
изучение поведения напряженности радиального электрического поля, определяющего перенос атомов примеси в поперечном сечении разряда, при наложении продольного магнитною поля,
изучение процессов, приводящих к азимутальному вращению тел, помещенных в магнитоактивную плазму газового разряда
Объекты и методы исследований Эксперименты проводились в неравновесной плазме газового разряда в Не, Хе, Аг и в смесях Не-Хе в присутствии продольного магнитного поля
Для решения поставленных задач проводились экспериментальные исследования оптических и электрокинетических параметров плазмы в стационарном и импульсном разрядах в продольном магнитном поле Измерения концентрации атомов примеси в основном состоянии при помещении плазмы в магнитное поле проводились по относительным интенсивностям линий излучения атомов буферного и примесного газов Концентрация возбужденных атомов измерялась оптическим методом поглощения спектральных линий с учетом сверхтонкой структуры Измерения концентрации заряженных частиц в стационарном разряде проводились зондовым методом с учетом эффекта стока элекгронов на зонд Функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) находилась из вольтамперных характеристик тока на зонд с последующей обработкой по методу регуляризации А Н Тихонова Концентрация электронов в послесвечении измерялась методом зондирующего импульса малой амплитуды и длительности
Проводился сравнительный анализ экспериментальных результатов с расчетными данными, полученными из решения уравнений баланса для атомов в основном и возбужденном состояниях и ионов примеси
Научная новизна работы заключается в следующем
Впервые изучено влияние продольного магнитного поля на физические процессы в газоразрядной плазме бинарной смеси газов, приводящие к перераспределению атомов легкоионизуемои примеси по сечению разряда вследствие радиального катафореза, в результате чего
- показана возможность управления степенью радиального разделения компонентов смеси с помощью продольного магнитного ПОЛЯ,
- обнаружено уменьшение времени установления стационарного
уровня радиального разделения компонентов смеси при наложении
продольного магнитного поля,
- экспериментально установлено наличие значительного количества
молекулярных ионов (около 10% от общей концентрации ионов) в разряде
низкого давления (р~ 0,2-1,0 Тор) в магнитном поле
Впервые показано несоответствие радиального хода плавающего потенциала распределению потенциала плазмы в соответствующих точках по сечению трубки, что может привести к физически некорректным результатам при измерениях напряженности радиального электрического поля по разности плавающих потенциалов При этом получено, что в сильных магнитных полях при выполнении условия DtL < Д± разность потенциалов между осью и стенкой и разрядной трубки в диффузионном режиме больше
кТ / кТ /
величины / , но и значительно меньше / ,
/е ' /г
Предложен новый механизм возникновения магнитомеханического эффекта Получено выражение для момента сил, действующего на помещенную в плазму пластину, в зависимости от внешних параметров разряда
Показано, что азимутальное вращение плазменно-пылевой структуры в продольном магнитном поле обусловлено теми же процессами, которые приводят к магнитомеханическому эффекту
Предложен новый механизм притяжения одноименно заряженных макрочастиц в пылевой плазме
Научная и практическая значимость Полученные в работе результаты по исследованию оптических и электрокинетических характеристик магнитоактивпои плазмы в бинарной смесн газов позволяют глубже понять механизмы переноса легкоионизуемого газа к стенкам разрядной трубки Возможность управления степенью радиального катафореза может быть использована в практических целях для увеличения эффективности работы газоразрядных устройств, а также для очистки газов от примеси и разделения изотопов
Проведенные исследования показывают, что пренебрежение изменением толщины призондового слоя по радиусу трубки вследствие неравномерного поперечного распределения концентрации электронов может привести к физически некорректным результагам при измерениях напряженности радиального электрического поля по разности плавающих потенциалов
Предложенный механизм азимутального вращения помещенных в плазму тел под действием продольного магнитного поля представляется важным для понимания процессов, приводящих к притяжению одноименно заряженных макрочастиц в пылевой плазме, что служит основой формирования плазменпо-пылевых кристаллов
Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются независимыми измерениям» (оптическими и зондовыми) радиального
распределения концентраций атомов в основном и в метастабильном состояниях и ионов примеси и сравнением их с рассчитанными значениями, полученными из решения уравнений баланса для возбужденных и заряженных частиц и для атомов в основном состоянии Основные положения, выносимые на защиту:
- в неравновесной плазме бинарной смеси газов с помощью
продольного магнитного поля можно управлять степенью радиального
перераспределения концентрации атомов примеси,
в импульсном разряде при наложении продольного магнитного поля происходит уменьшение времени установления стационарного уровня поперечного перераспределения атомов примеси, что обусловлено вкладом молекулярных ионов,
общепринятый критерий постоянства температуры электронов по сечению разряда недостаточен для зондовых измерений напряженности радиального электрического поля по разности плавающих потенциалов,
магнитомеханический эффект и азимутальное вращение макрочастиц в пылевой плазме вызваны действием продольного магнитного поля на радиальный дрейфовый ток ионов в слое объемного заряда около помещенных в плазму тел
Вклад соискателя. Автором сформулирована концепция научного направления исследований явлений переноса в магнитоактивной неравновесной плазме, разработан способ управления степенью радиального разделения компонентов бинарной смеси газов в низкотемпературной плазме с помощью продольного магнитного поля, предложен механизм возникновения момента сил, приводящего к азимутальному вращению помещенных в магнитоактивную плазму тел
Апробация результатов работы и публикации По теме диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе 1 монография и 11 статей в центральных изданиях Результаты работы представлялись в материалах III Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Киев, 1986), XVII Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Сараево, Югославия, 1987), X Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Ужгород, 1988), XX Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Белград, Югославия, 1988), X Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Орлеан, Франция, 1988), Международной научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" (Саранск, 1997), II научно-практической республиканской конференции "Энергоресурсосбережение в РБ" (Уфа, 1999), региональной конференции "Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах" (Уфа, 1999), Международной научно-практической конференции (В рамках Международной специализированной выставки) (Уфа, 2002), XVII научно-технической конференции (Челябинск, 2003), V Уральской региональной научно-практической конференции «Современные проблемы физики и физико-математического образования» (Уфа, 2006), XVIII Международной
научно-практической конференции "Актуальные проблемы электронного
приборостроения" (Новосибирск, 2006), VI Международной
светотехнической конференции (Калининград, 2006)
Результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры электроники физического факультета МГУ им М В Ломоносова, в Институте общей физики РАН, в Институте механики Уфимского научного центра РАН, на физическом факультете Башкирского государственного университета
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы из 299 наименовании Работа изложена на 229 страницах, включая 63 рисунка
