Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап научно - технического прогресса характеризуется быстро развивающимся комплексом высоких технологий, важное место в котором занимает применение различных видов плазменной среды. Достаточно упомянуть плазменную технологию; микроэлектронику; лазерную технику; плазмохимию, чтобы стала очевидной насущная потребность в создании новых источников плазмы с широким диапазоном изменения ее параметров. При этом важно изучение сильно неравновесной плазмы.
Широкое распространение в научно - технических областях получила плазма емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР) низкого давления. Поскольку скорости физических процессов в плазме определяются видом ее электронного энергетического спектра (ЭЭС), необходимо иметь о нем достоверную информацию. Расчет ЭЭС зачастую затруднен отсутствием данных о сечениях различных столкновений электронов с частицами газа. Поэтому важное значение приобретает экспериментальное определение ЭЭС плазмы.
В настоящее время имеется весьма ограниченное число экспериментальных работ, посвященных определению ЭЭС плазмы ЕВЧР. При этом исследовалась, в основном, плазма центральных областей разряда, а физический механизм формирования ЭЭС плазмы, в особенности приэлектродной, остается малоисследованным.
Широкие возможности получения плазмы с существенно новыми свойствами открывает использование приэлектродной плазмы ЕВЧР. Изучение процессов транспорта зарядов через приэлектродный слой пространственного заряда (ПСПЗ) приобретает здесь особое значение. Наличие приэлектродных высокоэнергетичных электронных пучков должно приводить к возникновению качественно новых эффектов, обусловленных взаимодействием плазма -пучок. При этом следует ожидать как обогащения ЭЭС плазмы пучковыми электронами с энергиями ге ~ eV~ (V_ - приложенное ВЧ напряжение), так и
дополнительного нагрева электронов СВЧ- полями плазма-пучковой неустойчивости. Обычно ЕВЧР исследуется при достаточно большой площади поверхности электродов, обусловливающей низкие плотности приэлектрод-ных электронных пучков Пеь и уменьшающей возможность возникновения
ПуЧКОВОПЛаЗМеННОЙ НеуСТОЙЧИВОСТИ. Кроме ТОГО, Малые ПЛОТНОСТИ ИеЬ не позволяют экспериментально изучать высокоэнергетичную часть ЭЭС плазмы. Эту трудность можно преодолеть, используя асимметричный ЕВЧР (АЕВЧР) с малой площадью активного электрода. При этом не исследованным экспериментально является временной ход физических процессов, формирующих ЭЭС приэлектродной плазмы. Это требует разработки экспериментальной методики для изучения приэлектродной плазмы ЕВЧР.
Целью работы является:
экспериментальное определение ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР и его зависимости от рода газа (Не, Хе, воздух) и амплитуды ВЧ напряжения;
экспериментальное изучение зависимости ЭЭС приэлектродной плазмы от геометрии электродов ЕВЧР;
изучение временного хода физических процессов и вида ЭЭС в приэлектродной плазме ЕВЧР у заземленного электрода;
изучение механизма формирования ЭЭС плазмы ЕВЧР низкого давления в присутствии плазма - пучкового взаимодействия;
разработка модифицированной методики определения ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР с помощью энергоанализатора заряженных частиц.
Научная новизна. Экспериментально исследованы физические свойства плазмы ЕВЧР в окрестности заземленного электрода в условиях сильного проявления нелокальных эффектов в разрядном промежутке.
Впервые экспериментально исследовано влияние плазма - пучковой неустойчивости на процесс формирования ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР.
Обнаружена зависимость механизма поддержания ЕВЧР от геометрии электродов. В плазме симметричного ЕВЧР с плоскими электродами наблюдался ЭЭС с интервалом 0 < Ее < 50 eV, а в резко асимметричном ЕВЧР — ЭЭС с энергетическим интервалом до нескольких keV.
Установлена и объяснена зависимость ЭЭС плазмы от рода газа.
Экспериментально исследован и объяснен временной ход ЭЭС при-электродной плазмы АЕВЧР с учетом динамики параметров электронных пучков и периодического коллапса ПСПЗ.
Получены и проанализированы высокоэнергетичные части ЭЭС плазмы асимметричного ЕВЧР, соответствующие измерениям в квазистационарном режиме и при фиксированных фазах периода ВЧ поля. Оценены характерные длительности гидродинамической и кинетической стадий плазма - пучковой неустойчивости в приэлектродной плазме.
Практическая ценность работы: полученные экспериментальные результаты являются научной основой для разработки плазмохимического реактора, оптимизированного на конкретные технологические процессы; плазма с управляемым ЭЭС необходима для разработки систем лазерной техники и оптических источников с управляемым спектром излучения; на основе проведенных исследований возможно создание промышленных систем для обработки поверхностей различной площади электронными пучками с управляемыми энергиями и плотностями; наблюдавшийся нагрев электронов полями пучковой неустойчивости позволяет насыщать электронами области энергий, где лежат пороги диссоциации многих сортов молекул.
Результаты работы представляют интерес для решения фундаментальных проблем физики ВЧ разряда и сильно неравновесной плазмы.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Обнаружена наибольшая интенсивность излучения исследованного ЕВЧР в окрестности заземленного электрода, связанная с возбуждением газа электронным пучком от активного электрода.
-
Двумя независимыми методами измерены энергии приэлектродных электронных пучков в ЕВЧР, которые изменялись в диапазоне
100 eV
3. Обнаружено явление возникновения в ЕВЧР электронных пучков с диэлек
трических боковых стенок разрядной трубки с характерными энергиями
50 eV < єеЬ < 300 eV, обусловленное краевым эффектом ВЧ поля.
-
Разработана экспериментальная методика, позволяющая измерять квазистационарный ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР, ЭЭС для фазы ВЧ поля, когда ширина ЭЭС становится максимальной, а также исследовать временной ход физических процессов в плазме.
-
Экспериментально установлено, что в случае широкого ЭЭС приэлектродной плазмы граница "ПСПЗ - плазма" имеет протяженную структуру, а при узком ЭЭС эта граница резкая. Предложена модель механизма транспорта электронов плазмы на электроды ЕВЧР, согласно которой электроны переносятся через ПСПЗ в потенциальной яме один раз за период ВЧ поля.
-
Полученный ЭЭС плазмы симметричного ЕВЧР в Хе содержит электроны лишь относительно низких энергий (єе < 50 eV.) Обнаружено, что при V~<600B в области энергий єе > 10 eV ЭЭС аномально обогащен. Это объясняется нагревом электронов в СВЧ- поле плазма - пучковой неустойчивости, что можно квалифицировать как "вторичный СВЧ - пробой". При увеличении V- количество «горячих» электронов резко уменьшается из-за эффекта Рамзауера.
-
Экспериментально изучена высокоэнергетичная часть квазистационарного ЭЭС плазмы асимметричного ЕВЧР в области энергий 50 eV < єе < 2500eV.
В полученных ЭЭС наблюдается как квазимоноэнергетичный, так и размытый по энергиям пучковый пик, что объясняется, соответственно, отсутствием или проявлением плазма - пучковой неустойчивости.
-
Экспериментально исследована высокоэнергетичная часть ЭЭС плазмы асимметричного ЕВЧР, соответствующего фазе ВЧ поля, когда энергия электронов пучка максимальна (ееь max)- При этом пучковый пик имеет минимальную ширину, обусловленную тепловым разбросом эмиттированных электродом электронов. Это указывает на отсутствие нагревающей электроны пучка неустойчивости.
-
Экспериментально обнаружена немонотонность характера движения высо-коэнергетичных электронов на электрод: в отрицательный полупериод ВЧ поля на него сначала поступает импульсный поток тепловых электронов с энергиями в несколько сот eV, а затем следует импульс пучковых электронов с более высокими энергиями єеь ~ Sebmax- Это объясняется коллапсом ПСПЗ, срывающим плазма - пучковую неустойчивость, в результате чего прекращается нагрев электронов плазмы и рассеяние пучка на плазменных колебаниях неустойчивости.
-
Экспериментально установлено, что большую роль в возникновении плазма - пучковой неустойчивости и формировании ЭЭС плазмы играют диаметр электродов и длина разрядного промежутка, от которых зависят плотность электронных пучков Пеь и характерная длина развития неустойчивости.
-
На основании полученных экспериментальных результатов предложена модель формирования ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР низкого давления, включающая в себя механизмы ионизации газа и нагрева электронов за счет 1) ВЧ поля, 2) приэлектродных электронных пучков, 3) СВЧ - поля плазма - пучковой неустойчивости, а также периодический коллапс ПСПЗ.
Апробация работы. Научные результаты, полученные в настоящей работе обсуждались на заседаниях научного семинара кафедры физической электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, на семинарах ИНХС и ИОФ РАН, а также были представлены на XXIX научной конференции по физико - математическим и естественным наукам УДН им. Мик-лухо - Маклая (Москва, 1993 г); конференции «Физика и техника плазмы» (Минск, 1994 г); VII конференции по физике газового разряда (Самара, 1994 г); VIII и IX конференциях по физике газового разряда (Рязань, 1996, 1998 гг); ICPIG - XXII (Hoboken, USA, 1995); конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 1995); Международной научно - технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск, 1997 г); ICPIG - XXIII (Toulouse, France, 1997 г); NATO ASI Conference "Advanced Technologies Based on Wave and Beam Generated Plasmas" (Sozopol. Bulgaria. 1998); Научно - методической конференции «Учебный физический эксперимент и его совершенствование» (1998, Пенза).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, в котором сформулированы основные выводы, списка цитируемой литературы из 78 наименований. Содержание работы изложено на 170 страницах основного текста и проиллюстрировано 92 рисунками. Общий объем диссертации составляет 185 листов.
