Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 7
1. Электродный СВЧ разряд пониженного давления 8
2. Инициированный СВЧ разряд. Пространственные структуры свободнолокализованного СВЧ разряда 17
3. Двойные электрические слои 35
4. Системы похожей геометрии 41
Основные выводы и постановка задачи 47
ГЛАВА 2. Экспериментальная установка и методы исследования .
1. Схема экспериментальной установки 51
2. Зондовые измерения 57
3. Спектрально-оптические измерения 63
ГЛАВА 3. Результаты экспериментов. анализ.
1. Феноменология разряда 71
2. Влияние формы электрода на структуру разряда 81
3. Интегральные оптические измерения 86
4. Спектральные измерения в водородном разряде 109
5. Метод определения напряженности электрического поля и концентрации электронов в плазме водородного разряда по
относительным интенсивностям спектральных линий 123
6. Пространственное распределение напряженности электрического поля и концентрации электронов в водородном разряде 126
7. Зондовые измерения 146
8. Эксперименты с пылью 155
ГЛАВА 4. Обсуждение результатов. Сравнение с моделью 160
Основные результаты и выводы 177
Литература 182
Литература по электродному свч разряду
- Инициированный СВЧ разряд. Пространственные структуры свободнолокализованного СВЧ разряда
- Зондовые измерения
- Интегральные оптические измерения
- Пространственное распределение напряженности электрического поля и концентрации электронов в водородном разряде
Инициированный СВЧ разряд. Пространственные структуры свободнолокализованного СВЧ разряда
Анализ экспериментов, проведенных в воздухе, технически чистых N2, Не, Н2, С02, Аг, позволил авторам сформулировать следующий принцип формирования структуры инициированного разряда в свободном пространстве в электромагнитных пучках. Область существования инициированного разряда разбивается всего на несколько «структурных зон», по крайней мере две из которых являются универсальными, т. е. не зависят от рода газа. Динамика, структура и механизм распространения разряда определяются положением в универсальной области существования инициированного СВЧ-разряда (рис. 1.7, Табл. 1.1). При вариации внешних параметров в пределах структурной зоны образование структуры, как и характер распространения разряда, определяется единым механизмом, качественно не изменяющимся. Установлено, что структура разряда отражает волновой характер воздействующего СВЧ-поля, т. е. длину волны и поляризацию излучения. Наиболее ярко это проявляется в существовании базовых элементов - универсальных структур, наилучшим образом адаптирующих параметры и характеристики СВЧ-излучения к процессу формирования структуры разряда. Каждая СЗ имеет присущий только ей базовый элемент (в «волновой» СЗ - синусоида (ср. рис. 81 из [30]) при плоской поляризации волны и спираль при круговой поляризации; в «дипольной» СЗ - полуволновой диполь при плоской поляризации и круг-тарелка при круговой), на основе которого случайным (ВСЗ) или детерминированным (ДСЗ) образом формируется структура разряда в целом. Базовые элементы являются ни чем иным, как приемными антеннами бегущей волны. Результаты оценок минимальной концентрации электронов в канале, проведенных авторами на основе антенного подхода, находятся в хорошем соответствии с непосредственными измерениями концентрации электронов в каналах инициированного СВЧ-разряда. Переход от одной СЗ к другой сопровождается качественным изменением структуры и характера распространения разряда и появлением (в пренебрежении шириной узкой переходной области) излома на логарифмическом графике зависимости скорости распространения разряда от напряженности электрического поля волны либо давления газа.
Эти результаты свидетельствуют об электродинамической основе формирования структуры инициированного, т. е. подпорогового, разряда. В этом аспекте инициированный разряд мало отличается от самостоятельного, т. е. надпорогового. Основное отличие состоит в том, что в ВСЗ инициированного разряда воспроизводимость структуры от импульса к импульсу типологическая, а не абсолютная.
Поиск структурных форм привел авторов к обнаружению нового явления - низкопорогового шарового СВЧ-разряда (НШР). Разряд в виде шара устойчиво существовал при плотностях потока энергии излучения в десятки-сотни мВт/см в диапазоне давлений воздуха от 3 до ПО Тор (от 400 Па до 0.015 Мпа). Столь низкие значения полей, поддерживающих СВЧ-разряд в воздухе, считают авторы, были зафиксированы впервые.
Эксперименты проводились в сходящемся пучке СВЧ-излучения как линейной, так и круговой поляризации в воздухе и гелии. Инициирование (поджигание) разряда производили одиночным импульсом СВЧ-поля с амплитудой до 3 кВ/см (=2-104 Вт/см2) и длительностью от 1 мкс и более. После этого наступала фаза «молчания» в работе установки, но небольшой (порядка нескольких десятков мВт/см2) уровень СВЧ-мощности все же «просачивался», обеспечивая существование шарового разряда.
В режиме поддержания разряд существовал практически неограниченно (десятки минут). Использование длительностей поджигающего импульса выше некоторого предельного значения либо не обеспечивало поджига шарового разряда, либо гасило его (если он к моменту импульса горел). Диаметр шара зависит от плотности потока энергии поддерживающего излучения и давления газа (последняя зависимость весьма слабая). Максимальный диаметр шарового разряда порядка длины волны, минимальный - менее четверти длины волны СВЧ-излучения. Структура и размеры НШР не зависели от того, был ли инициатор заземлен или закреплен на диэлектрике. Наиболее низкие уровни по мощности излучения поддержания НШР (-10 мВт/см2) наблюдались при давлениях 10-15 Тор, что соответствует минимуму кривой Пашена для использованной частоты 7 ГГц. Шаровой разряд может поддерживаться не только непрерывным, но и импульсно-периодическим воздействием СВЧ-излучения на инициатор.
С повышением давления НШР принимает форму одноэлектродного факельного СВЧ-разряда. Данное явление имеет много общего с одноэлектродным факельным ВЧ-разрядом.
Факельный СВЧ-разряд наблюдался в воздухе, N2, СОг, Нг, смесях Нг с Аг. Во всех этих газовых средах переход от шарового разряда к факелу сопровождался резким увеличением интенсивности свечения разряда. При атмосферном давлении в воздухе факельный разряд поддерживается уровнем мощности непрерывного излучения в несколько сотен Вт.
По мнению авторов, поддержание разряда на таких малых уровнях потока СВЧ-мощности может быть объяснено только с учетом свойств инициатора-антенны. При этом низкие значения полей поддержания шарового и факельного разрядов, по-видимому, дают возможность как практического использования явлений, так и возвращения к идее П. Л. Капицы о шаровой молнии как объекте, поддерживаемом извне источником СВЧ-излучения.
В частности, авторы считают, что низкопороговый разряд эффективно может быть использован для разложения примесей фреонов. В стримерном разряде при 80-90 % разложении энергетическая цена разложения є для примесей с содержанием фреонов г 10" составляет 0.5-1 кэВ и, видимо, не зависит от условий разрушения - плотности СВЧ-мощности, давления и типа фреона (что не противоречит известному предположению, будто разрушение фреонов идет преимущественно в стримерах). В НШР же е 20 эВ и близка к порогу реакции. Это обусловлено прежде всего чрезвычайно низким уровнем плотности мощности, достаточной для поддержания этой формы разряда. С уменьшением плотности мощности є убывает до значений, соответствующих энергии диссоциации этих молекул, то есть КПД процесса разложения при малых плотностях мощности СВЧ-излучения достигает 100 %.
Также авторы предлагают метод диагностики примесей фреонов в воздухе по интенсивности излучения НШР в полосах CN (В 1-Х ) (это должно позволить осуществить в одном процессе реального времени разрушение фреонов и контроль их содержания).
Зондовые измерения
Диаметр камеры - 15 см, использовались два вида электрода: трубка из нержавеющей стали 0 6 мм и конический электрод, расширяющийся книзу, с диаметром основания 2 см. Эксперименты проводилось при давлении 1 -20 Тор, большинство при 15 Тор, и непрерывной падающей мощности до 300 Вт (2.45 ГГц). Рабочий газ (Н2 в смесях с 1-4% СГЦ и 02, при малой добавке Аг для диагностики) подавался в камеру со скоростью не более 1000 seem либо через сам электрод, либо вне его, возможна была и одновременная, комбинированная подача. Кремниевая подложка подогревалась до «1100 К, расстояние от нее до конца электрода (0.5-5 см) подбиралось в каждом отдельном эксперименте. Подложка и нагреватель, на котором она располагалась, были заземлены. Электрод был электрически изолирован от камеры и одновременно мог быть использован, как ВЧ полый катод (13.56 МГц, 500 Вт), для исследования влияния разных способов возбуждения плазмы на процесс роста алмазов.
СВЧ плазма поддерживалась на конце электрода-антенны и принимала сферическую форму при диаметре около 1 см. Пленкой обычно покрывался участок подложки диаметром 1.5-2 см. Скорость роста кристаллов росла при повышении содержания СІНЦ (от 0.1-0.2 мкм/час при 1% до 0.5 мкм/час при 4%) и уменьшении расстояния между концом электрода и подложкой. Наилучшие результаты были получены в смеси Н2 (скорость подачи 400 seem), СП) (16 seem) и 02 (1 seem), при расстоянии 1 см до края антенны. Скорость роста составляла около 1 мкм/час и кристаллы иі ли структуру с хорошо выраженными гранями. Анализ полученных пленок не обнаружил никаких следов примесей (напр. Fe) от стали электрода, и не было замечено никакой разницы между пленками, осажденными в режимах с подачей газа через электрод и извне его. Наложение ВЧ мощности ( 150 Вт), меньшей порога зажигания струи ВЧ плазмы, практически не вносило изменений в процесс осаждения пленки. Зажигание же струи ВЧ плазмы приводило к существенным изменениям и самого разряда. Эксперименты показали, что результаты, полученные в комбинированном разряде (СВЧ мощность 200 Вт, ВЧ - 30-50 Вт) качественно ничем не отличаются от полученных в чистом ВЧ разряде. Алмазные пленки осаждаются в периферической кольцевой зоне. Не было замечено никакого влияния СВЧ разряда, что связано, по-видимому, с тем, что поглощенная СВЧ-мощность была много меньше поглощенной ВЧ-мощности. Пленки, полученные в комбинированном разряде обладают схожими свойствами, что и полученные в струе ВЧ плазмы (но при гораздо больших ВЧ мощностях, 300 Вт) без дополнительного наложения СВЧ.
Использование конического электрода с большей площадью поверхности, обращенной к подложке, приводит к увеличению размеров плазменного образования и соответственному увеличению площади обрабатываемой поверхности. При этом характерные свойства пленок не меняются.
Однородность пленок улучшается при подаче газа извне, а не через электрод. Несмотря на сравнительно низкие значения поглощенной мощности, «200 Вт, СВЧ плазма создает заметный дополнительный нагрев подложки, увеличивающийся с ростом СВЧ мощности.
Авторы провели спектрально-оптические исследования плазмы ЭСВЧР. Измерялись интенсивности спектральных линий водорода (На, 656.3 нм) и аргона (696.5 нм), добавленного для актинометрических измерений, и полосы радикала СН (430 нм, система А2Л-ХП). Было показано, что при неизменном давлении интенсивность водородной линии На больше в смеси Нг и СЬЦ, чем в чистом Нг, эффект лучше выражен при меньшем содержании СН4 (рис. 1.1, кривая 1). Этот эффект был ранее объяснен [22] тем, что при добавлении СРІ4 в разряде увеличивается доля падающей мощности, поглощаемой в плазме. Прямая проверка этого эффекта путем поддержания постоянной поглощенной мощности [23] показала, что реально интенсивность На уменьшается при добавлении метана. Это означает, что примесь СН4 улучшает согласование системы. Результаты, полученные авторами [6], подтверждают предположение об увеличении поглощенной мощности. Вместе с ростом интенсивности На растет и интенсивность аргоновой линии, так что отношение интенсивностей (На/Аг) увеличивается слабее самой интенсивности На (рис 1.1, кривая 2). Возбуждение аргоновых линий при малых концентрациях Аг происходит за счет прямого возбуждения электронным ударом [22]. При этом интенсивность аргоновой линии зависит от концентрации электронов и ФРЭЭ, которые обе могут зависеть от поглощенной мощности. Таким образом, изменение интенсивности аргоновой линии свидетельствует об изменении поглощенной мощности и может быть использовано для его детектирования.
Интегральные оптические измерения
Для многих практических применений требуется локализовать СВЧ-разряд в фиксированном месте пространства. Необходимо, чтобы разряд формировался с минимальным запаздыванием относительно переднего фронта импульса СВЧ-излучения, и чтобы фронт волны пробоя в течение всего времени воздействия СВЧ-энергии на образовавшуюся плазму не уходил далеко от фокуса. Чтобы фиксировать местонахождение искусственной ионизованной области атмосферы Земли, ряд авторов предлагает создавать ее в зоне пересечения двух или нескольких пучков радиоволн. При этом энергия каждого пучка недостаточна для пробоя газа, однако, в области пересечения пучков можно реализовать самостоятельный СВЧ-разряд.
Авторы [31] использовали другой метод реализации остановки СВЧ-разряда - метод программированного воздействия. Суть его заключается в том, что пробой газа осуществляется мощным коротким импульсом, в течение которого передний фронт разряда не успевает уйти из фокальной области, а поддержание плазмы достигается вторым импульсом малой амплитуды, неспособным самостоятельно вызвать пробой газа. Но если пробой уже произошел, то СВЧ-мощность импульса накачки достаточна для его поддержания в фиксированном месте свободного пространства длительное время. Принципиально такой способ получения разряда не отличается от способа получения низкопорогового шарового разряда, использованного авторами [25]. При этом, изменяя амплитуду второго импульса в широком диапазоне, без нарушения локализации можно управлять такими параметрами СВЧ-разряда, как размер, скорость распространения разряда, концентрация и температура электронов, нагрев газа и др. При этом свободно локализованный СВЧ-разряд, создаваемый в фиксированном месте пространства в режиме программированного воздействия, представляет собой яркий пример несамостоятельного разряда.
Мощности использованных авторами СВЧ-генераторов недостаточны для самостоятельного пробоя газа при давлении, большем 100 Тор. Однако если разряд инициирован тем или иным способом, то он может поддерживаться длительное время в условиях подпороговых (для невозмущенного газа) полей [27]. Авторы использовали различные инициаторы: металлическую иглу, лазерный факел, систему резонансных диполей на диэлектрической подложке, искровой разряд между двумя остриями. Оказалось, что общий вид СВЧ-разряда и параметры плазмы не зависят от способа инициации, а при давлении, меньшем 100 Тор, не зависят и от того, есть инициатор или нет.
Исследования динамики образования и распада каверны (зоны с пониженной плотностью газа) в зоне существования локализованного разряда показали, что каверна представляет собой область с резкими границами. Внутри нее больших градиентов концентрации молекул газа не наблюдается. Это свидетельствует о том, что газ в обпасти локализованного СВЧ-разряда прогревается равномерно. Температура газа за время 30 мкс достигает 900 К и в дальнейшем в течении импульса остается неизменной. Температура электронов в плазме локализованного СВЧ-разряда в воздухе порядка 1 эВ, она слабо изменяется в течение импульса накачки и при изменении давления воздуха. Концентрация же электронов во время действия импульса накачки на порядок величины и более ниже критической для частоты генератора накачки.
В случае бегущего СВЧ-разряда, когда напряженность поля превышает пороговое значение, разряд представлял собой плазменное образование, стабильно зажигающееся в фиксированном месте свободного пространства в пучности поля и распространяющееся в направлении, противоположном направлению распространения СВЧ волны. Проведенные авторами измерения показали, что концентрация электронов достигает критической для исследуемых диапазонов длин волн X = 2 -г- 10 см и увеличивается с ростом давления газа и подводимой к разряду энергии. Температура нейтрального газа за время 20 мкс достигает 850 К и в дальнейшем в течении импульса остается неизменной. Это указывает на неэффективность использования длинных СВЧ-импульсов для нагрева газа до высоких температур в фиксированной области пространства, поскольку энергия из-за эффекта скинирования вкладывается в основном в узком слое переднего фронта движущегося разряда и распределяется по большой массе газа, вовлеченной в область существования СВЧ-разряда. Температура газа слабо зависела от рода газа (технический азот, воздух) и повышалась с ростом давления и энерговклада в разряд.
Одно из возможных применений СВЧ разрядов с инициатором показано в работах авторов [32, 33]. Экспериментальная установка с инициатором-иглой показана на рис. 1.8. Работы посвящены исследованию процессов термического разложения углеводородов с выделением водорода при воздействии плазмы импульсно-периодического СВЧ разряда атмосферного давления на предварительно нагретый газ.
Вообще использование электрических разрядов для ускорения химических процессов является весьма плодотворным. В случае равновесного разряда его энергия используется, в частности, для эффективного разогрева плазмы, стимулируя химическую реакцию за счет высокой температуры реагентов. В этом случае значительная часть дорогостоящей энергии электромагнитного поля переходит в низкопотенциальное тепло.
Сократить эти, казалось бы, неизбежные потери электроэнергии можно, воздействуя электрическим разрядом малой мощности на предварительно нагретые обычным способом реагенты. Теплосодержание реагентов при этом выбирается достаточным для протекания химического процесса, однако, из-за кинетических ограничений скорость реакций заторможена. Электрический разряд служит при этом только катализатором эндоэргического химического процесса, в то время как энергия для его проведения черпается из теплового резервуара.
Пространственное распределение напряженности электрического поля и концентрации электронов в водородном разряде
Для измерений параметров электронной компоненты плазмы использовался двойной электрический зонд. Вольфрамовые зонды диаметром 100 мкм в кварцевых капиллярах с длиной неизолированной части 1 мм и расстоянием между зондами 3 мм вводились через отверстие в боковой поверхности камеры и могли смещаться вдоль радиуса разряда. Каждый из зондов был помещен в металлический экран. Измерения проводились в плоскости, расположенной на расстоянии 3 мм от возбуждающего электрода и перпендикулярной его оси.
Методика измерений двойным электрическим зондом в СВЧ плазме подробно описана в [44].
Одной из проблем при исследовании СВЧ плазмы зондовым методом является обеспечение условий минимального искажения структуры электромагнитного поля в плазме и ее свойств [45-47]. В частности, при большой глубине погружения зондов в плазму в резонаторном СВЧ разряде наблюдалось возникновение разряда при мощностях, недостаточных для его появления в устройстве без зондов. Кроме того, возможно было получение модулированного разряда при непрерывной падающей мощности: зонды (неоднородность в резонаторе) экранировались плазмой, возмущение структуры поля и его напряженность уменьшались и плазма исчезала. Затем процесс повторялся периодически [44]. В электродном СВЧ разряде зонд, расположенный в окрестности разряда, может изменять структуру электромагнитного поля, и в ряде случаев провести зондовые измерения не удалось, поскольку любое перемещение зонда даже вне светящейся области приводило к изменению свечения разряда и даже его погасанию. Так; се необходимо проверять, не изменяют ли действия с зондом отражения системы - коэффициент стоячей волны.
Другая проблема связана с корректностью результатов, полученных при обработке зондовых характеристик [45-47]. Одной из причин некорректности может являться нарушение условия малости диаметра зонда по сравнению с длиной свободного пробега частиц плазмы. При этом ток на поверхность призондового слоя и, соответственно, на зонд отличается от хаотического тока в условиях невозмущающего зонда. В работе [48] исследована работа зонда сходных размеров в плазме в том же диапазоне давлений. Получены аналитические выражения для ионного тока без и в присутствии столкновений в призондовом слое и результаты обработки зондовых характеристик хорошо согласуются с данными микроволновых измерений. К сожалению, использовать соотношения для ионного тока из [48] здесь не представляется возможным, поскольку теория разработана для случая толстого слоя и эксперименты были проведены при концентрациях электронов на порядок величины меньшими, чем в наших условиях. Но данные этой работы позволяют предположить, что и в наших условиях геометрическими искажениями результатов зондовых измерений можно пренебречь. Отметим еще, что влияние столкновений в призондовом слое на величину определенной по ВАХ зонда температуры электронов в случае двухзондовои методики оказывается меньшим, чем в случае измерений одиночным зондом [49].
Следующая причина погрешности зондовых измерений -загрязнение поверхности зонда в процессе работы [45, 49]. Такие эффекты могут наблюдаться даже в плазме инертных газов. В условия экспериментов не было обнаружено характерных (см., напр., рис. 4.1 из [49]) перегибов ВАХ зонда. Это дает основание считать, что ВАХ зондов можно использовать для определения параметров плазмы. Аналогичный вывод был сделан и в работе [50], хотя на приведенных В АХ зонда заметны перегибы.
Известно, что зондовые измерения подвержены воздействию СВЧ поля [45], причем ионная часть ВАХ зонда искажается значительно слабее. Таким образом, если концентрация заряженных частиц может быть определена достаточно надежно, средняя энергия электронов (температура) может быть существенно завышена. Первое положение было проверено экспериментально: измеренные двухзондовая и однозондовая характеристики в ионных частях ВАХ совпадали. Поскольку СВЧ сигнал в призондовом слое при этом различался (в первом случае он определялся разностью СВЧ потенциалов близко расположенных зондов, а во втором -действующим СВЧ сигналом между зондом и противозондом -камерой), то это свидетельствует о нечувствительности ионной части ВАХ к СВЧ воздействию в условиях экспериментов. Нужно отметить, что были и режимы, в которых ВАХ двойного зонда в зоне разряда сильно искажались. Эти режимы исключены из рассмотрения.
Для уменьшения влияния СВЧ поля на ВАХ двойного зонда в работе использовалась традиционная методика: последовательно с каждым из зондов в непосредственной близости от его активной части были включены резисторы (20 кОм).
Концентрация заряженных частиц может быть оценена по ионному току насыщения с помощью известного соотношения [47]: Ii = 0.61ANieSpVi (2.1) где Nj - концентрация ионов, е - заряд электрона, Sp= лсіі = 4.7-10 м , Vj « 104(Те/А)1/2 м/с - средняя скорость иона в плазме с учетом ускорения их в предслое, Те - температура электронов, эВ, А -массовое число иона. Значения ионного тока насыщения
