Дипломная работа: Экспериментальное исследование параметров плазы емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР)

Под высокочастотным (ВЧ) обычно понимают используемый в разрядной практике диапазон частот f = ω/2π~ 1 ÷ 100 МГц. Все виды ВЧ разрядов можно разбить на две большие группы, различающиеся способами возбуждения ВЧ поля в разрядном объеме: индукционные и емкостные [8].

Индукционные методы основаны на использовании явления электромагнитной индукции, в результате чего линии возбужденного электрического поля оказываются замкнутыми, а само поле – вихревым. При емкостном способе ВЧ напряжение от генератора подается на электроды, линии электрического поля начинаются и заканчиваются на них, а поле является с большой степенью точности потенциальным.

Простейшая и наиболее распространенная схема индукционного разряда показана на рис. 1.а.

а) б) в) г) д)

Рис. 1 Основные схемы возбуждения индукционного (а) и емкостных (б-д) разрядов: б – с плоскими оголенными электродами; в-с плоскими изолированными электродами; г – электроды вынесены за пределы разрядной камеры; д – одноэлектродный разряд (вторым «электродом» служит земля).

Через катушку-соленоид, которая может состоять из нескольких или даже одного витка, пропускают вырабатываемый генератором ВЧ ток. Магнитное поле тока, также переменное, внутри катушки направлено вдоль ее оси. Под его действием внутри индуцируется кольцевое электрическое поле, замкнутые линии которого концентричны с первичным ВЧ током. Это электрическое поле может возбуждать и поддерживать разряд в газе. Для этого внутрь соленоида помещают диэлектрическую трубку или сосуд, наполненные исследуемым газом при нужном давлении. Часто газ прокачивают по трубке, и тогда из нее вытекает плазменная струя. Индукционный разряд является безэлектродным.

Простейшие и широко распространенные схемы емкостного разряда показаны на рис. 1 (б и в). В сосуд с исследуемым газом при определенном давлении помещают два плоских параллельных электрода и к ним прикладывают напряжение от ВЧ генератора. Электроды могут быть одинаковыми, могут быть разных площадей, что бывает полезным для практических целей. Поскольку для переменного тока электрическая цепь проводников не обязательно должна быть замкнутой и может содержать непроводящие участки, электроды можно изолировать от проводящей разрядной плазмы диэлектриками, как показано на рис. 1.г.

Разряд между изолированными электродами (рис. 1.в, г)можно, как и индукционный, назвать безэлектродным в том смысле, что разрядная плазма не соприкасается с электродами. Если интересоваться сущностью физических процессов, то между схемами электродного (рис. 1.б) и «безэлектродного» (рис. 1.в, г)емкостных разрядов нет принципиальной разницы. В отношении определяющих процессов и металл, и диэлектрик, соприкасающийся с ионизированным газом ВЧ разряда, ведут себя одинаковым образом.

Индукционный способ обычно используют для поддержания ВЧ разряда при высоких давлениях (порядка атмосферного). Важнейшей областью применения индукционных ВЧ разрядов является создание чистой плотной низкотемпературной равновесной плазмы типа дуговой с давлением Р~1 атм. и температурой T~10000К. Индукционный ВЧ разряд используется для производства сверхчистых тугоплавких материалов, абразивных порошков и др.

Емкостный способ, как правило, применяют для поддержания ВЧ разрядов при средних (Р~1÷100Торр) и низких (Р~10^-3 ÷1Торр) давлениях. Плазма при этом получается слабо ионизированной, неравновесной, как плазма тлеющего разряда. ВЧ разряды среднего давления применяются для возбуждения СО₂ -лазеров, а ВЧ разряды низкого давления – для ионного воздействия на материалы и другой плазменной технологии.

К группе емкостных следует отнести и так называемый одноэлектродный или факельный разряд. В этом случае в явной форме присутствует только один электрод, на который и подают ВЧ напряжение (рис. l.д). Около него зажигается разряд, который имеет вид плазменного факела. На самом деле в системе присутствует второй «электрод» – им служит земля или заземленные стенки камеры, с которыми факел, т.е. разрядная плазма, связан емкостным (реактивным) током. Поле в системе электрод – земля сильно неоднородное и подобно коронному разряду, который виден лишь у острия, где сконцентрировано поле. Разряд проявляется лишь в виде плазменного факела около электрода.

1.4 Простейшая модель высокочастотного емкостного разряда

Приэлектродные слои пространственного заряда (ПСПЗ)

Пусть разряд горит между плоскими электродами и поперечные размеры его 2Rгораздо больше межэлектродного расстояния L, так что процесс можно считать одномерным. Будем отсчитывать координату Х от левого электрода, а электрический потенциал – от правого, заземленного. Высокочастотное напряжение подается на левый электрод.

В момент начального зажигания при подаче на электроды достаточно высокого напряжения, в газе происходит пробой и образуется плазма. Будем рассматривать стационарный разряд, в котором все процессы протекают строго периодическим образом с неизменными во времени амплитудами. Даже при весьма низкой плотности электронов () и характерной для разрядной плазмы электронной температуре T_е =1эВ дебаевский радиус r_d =0,05сm много меньше межэлектродных расстояний L~1÷5сm; поэтому в серединной части промежутка плазма электронейтральна. Однако вблизи электродов электронный газ, совершая колебания относительно малоподвижных ионов, периодически то «заливает», то обнажает положительные заряды. Это является первопричиной появления вблизи границ приэлектродных слоев положительного пространственного заряда. Приэлектродные слои это слои, когда металлические электроды изолированы от разрядной плазмы диэлектриками.

Качественная картина изменения плотности зарядов, поля и потенциала

Будем считать, что плотность «неподвижных» ионов постоянна в пространстве, будучи одинаковой, в плазме и в приэлектродных слоях (в дальнейшем – просто в «слоях»). В однородной плазме, очевидно, однородно и электрическое поле. Следовательно, электронный газ повсюду (как целое) колеблется с одинаковой амплитудой A около среднего положения. Те электроны, которые в момент прохождения средней точки, отстояли от электродов на расстояниях, меньших амплитуды A , в результате первых же качаний соприкасаются с металлом и навсегда уходят в него (а если электрод покрыт диэлектриком – необратимо прилипают к поверхности последнего). При последующих качаниях электроны лишь на мгновение касаются твердых поверхностей.

Таким образом, в момент прохождения электронным газом положения равновесия по обе стороны плазмы остаются слои некомпенсированного положительного заряда толщиной A . При этом газ в целом оказывается заряженным положительно. Картина качаний электронного газа в предположении об отсутствии диффузионных потоков зарядов к электродам и диффузионного размытия границ между плазмой и слоями показана на рис. 2 через каждые четверть периода. Согласно уравнению электростатики

(1)

Внутри слоев, где n_e = 0, an₊ = const, мгновенное поле Е линейным образом зависит от х, а соответствующий потенциал

Рис. 2 Схема качания электронного газа: штриховые линии – плотность ионов постоянна; сплошные – распределение n_e (x, t) через каждые четверть периода

(2)

изменяется с х по параболическому закону.

В плазме, где Е от х не зависит, мгновенный потенциал изменяется в пространстве по линейному закону (рис. 3). Ток в плазме чаща всего в большей своей части является током проводимости, во всяком случае, в разрядах среднего давления. Следовательно, разрядный ток j большую часть периода направлен в ту же сторону, что и поле в плазме Е_р . Это показано стрелками на рис. 3.

Рис. 3 Распределение поля и потенциала между плоскими электродами, соответствующие распределениям n₊ , n_e (стрелками показаны направления тока j)

Токи зарядов на электроды в приближении неподвижных ионов, мгновенного касания плазмой электродов и отсутствия электронной диффузии, т.е. теплового движения, также отсутствуют.