Изучение закономерностей энерговклада в гибридный ВЧ-разряд низкого давления

СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

УДК 537.32

К. В. Вавилин, М. А. Гоморев, Е. А. Кралькина,

П. А. Неклюдова, В. Б. Павлов, Ч. Чжао

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЭНЕРГОВКЛАДА В ГИБРИДНЫЙ ВЧ-РАЗРЯД НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: разряд, высокочастотный, индуктивный, емкостной, гибридный.

В настоящей работе экспериментально изучаются закономерности энерговклада в плазму гибридного ВЧ-разряда с узлом ввода ВЧ-мощности в виде параллельно соединенных спиральной антенны и обкладок конденсатора. Показано, что при малых значениях мощности ВЧ-генератора ВЧ-мощность поступает в гибридный разряд главным образом через емкостной канал, затем по мере роста мощности ВЧ-генератора роль индуктивного канала возрастает. Вклад индуктивного канала тем больше, чем меньше величина разделительной емкости, включенного в емкостную цепь разряда.

Keywords: discharge, radio frequency, inductive, capacitive, hybrid.

The present paper deals with the experimental study of the RF power input mechanism to the plasma of RF hybrid discharge that is sustained by the RF power unit representing spiral antenna connected in parallel with the capacitor electrodes. At low values of RF generator power the RF power is shown to be coupled through capacitive channel of the discharge, later at higher values of RF generator power the role of inductive channel becomes more significant. The lower is the value of the disjunctive capacitor included to the capacitive channel the higher is the contribution of the inductive channel.

Введение

Дискуссия о роли емкостной и индуктивной составляющих в поддержании индуктивного ВЧ разряда имеет длительную историю [1 - 4]. Значительный вклад в развитие современных представлений о природе разряда внесли К.Мак-Кинтон и Г.И.Бабат, показавшие существование двух, а именно Е- и Н- мод индуктивного разряда, где энерговклад в разряд преимущественно происходит через емкостной и индуктивный каналы соответственно. Позднее в работах [5] было показано, что при горении разряда в Е-моде часть ВЧ-мощности поступает в плазму через индуктивный канал, а при горении в Н-моде часть ВЧ-мощности поступает в разряд через емкостной канал, причем величина энерговклада через один канал влияет на энерговклад через другой канал.

Известно, что для индуктивного ВЧ-разряда низкого давления характерны высокие плотности электронов при относительно низких эффективных температурах электронов. Для емкостного разряда, напротив, характерны относительно низкие плотности плазмы и наличие быстрых электронов. В работе [6] сделана попытка организовать разряд с гибко управляемыми параметрами, соединяющий достоинства индуктивного и емкостного ВЧ-разрядов. Для этой цели был выбран индуктивный ВЧ-разряд с усиленной емкостной компонентой, а именно гибридный ВЧ-разряд, где естественным образом присутствуют вихревые и потенциальные ВЧ-поля.

Целью настоящей работы является изучение роли емкостного и индуктивного каналов в поддержании гибридного ВЧ-разряда, изучение закономерностей энерговклада в гибридный ВЧ-разряд при изменении параметров внешней цепи и давления аргона.

Экспериментальная установка и методика измерений

Гибридный ВЧ разряд поджигался в цилиндрическом источнике плазмы, диаметр и высота которого составляли 15см. Узел ввода ВЧ-мощности был выполнен в виде параллельно соединенных спиральной антенны и обкладок конденсатора, расположенных на боковой и торцевых поверхностях источника плазмы соответственно (рис.1). Между антенной и

обкладками конденсатора была включена разделительная емкость С. Значения С изменялись в диапазоне 10 - 300пф. Измерения проводились в аргоне в диапазоне давления

7 - 100мТор.

В процессе экспериментов измерялись временные зависимости напряжений V и и между точками А, В и Б, В соответственно, временные зависимости токов II, 1с, текущих через индуктивный и емкостной каналы, а также интенсивность свечения плазмы. По известным значениям V, И, И и 1с определялись импедансы 21, 2с индуктивного и емкостного каналов, величины ВЧ мощности Рр1, поглощенной плазмой, и Рс, поступающей в плазму через емкостной канал [5,6]. Эффективная температура быстрых электронов определялась по отношению интенсивностей линий Аг1 4198/4200А.

В работе также рассчитывались гибридного ВЧ-разряда, характеризующего способность плазмы поглощать ВЧ-мощность [6]. Необходимо отметить, что в отличие от чисто индуктивного разряда эквивалентное сопротивление плазмы гибридного разряда зависит не только от закономерностей проникновения ВЧ-полей в плазму и механизма поглощения мощности, но и от параметров внешней цепи разряда. Последнее физически связано с тем, что параметры внешней цепи (реактивные сопротивления антенны и разделительной емкости) существенно влияют на относительную роль каждого из каналов в поддержании гибридного разряда.

Результаты экспериментов

На рис.2 показаны зависимости величин V, и, П и 1с от мощности ВЧ-генератора Рдеп. Как видно, напряжение на выходе из системы согласования V и ток антенны П возрастают с увеличением мощности ВЧ-генератора, причем скорость роста указанных величин замедляется при условии, что мощность ВЧ-генератора Рдеп превышает 50Вт. Напряжение и, приложенное к обкладкам конденсатора, при Рдеп<50Вт растет, а затем насыщается.

На рис.3 представлены зависимости интенсивности свечения плазмы и ВЧ-мощности, поступающей в разряд, от величины Рдеп. Как видно, при значениях Рдеп >50Вт ВЧ мощность, вложенная в плазму, и интенсивность свечения плазмы резко возрастают. Измерения показали, что температура быстрых электронов при Рдеп >50Вт в пределах погрешности эксперимента не изменяется. В связи с этим рост интенсивности свечения плазмы естественно связать с ростом концентрации электронов в разряде. Очевидно, что рост плотности плазмы приводит к увеличению проводимости плазмы, росту тока, текущего через емкостной канал (см. рис. 2), увеличению падения напряжения на разделительном конденсаторе и насыщению зависимости И(Р§еи). Значения напряжения, приложенного к обкладкам конденсатора, тем меньше, чем меньше величина разделительной емкости С. Эксперименты показали существование еще одного интересного эффекта, связанного с падением напряжения на разделительном конденсаторе. Генерация высших гармоник тока в приэлектродных слоях пространственного разряда сопровождается при малых значениях разделительного конденсатора (10 - 30пФ) появлением высших гармоник в спектре напряжения, подводимого к обкладкам конденсатора, и усилением ангармонизма тока. При С ~ 10пФ оказывается, что основная частота напряжения, приложенного к индуктору, составляет 13.6МГц, в то время как основная частота напряжения, приложенного к обкладкам конденсатора, составляет 27.2МГц.

Рис. 1 - Схема гибридного ВЧ-разряда

значения эквивалентного сопротивления

Рис. 2 - Зависимость величин V, U, Ii и Ic от мощности ВЧ-генератора Pgen

Рис. 3 - Зависимость интенсивности свечения плазмы и ВЧ-мощности, поступающей в разряд, от величины Pgen

Известно [7], что одним из основных факторов, определяющих величины квазистационарных скачков приэлектродного потенциала в емкостном разряде, является амплитуда приложенного к электродам напряжения. Выполненные эксперименты показали, что, изменяя величину C, можно управлять величиной квазистационарного скачка потенциала а, следовательно, и энергией группы быстрых электронов в гибридном ВЧ-разряде.

На рис.4 показаны зависимости величин ВЧ-мощности, поступающей в гибридный ВЧ-разряд через емкостной и индуктивный каналы от ВЧ-мощности, вложенной в плазму Ppi, при различных значениях разделительной емкости С и давления аргона. Как видно, при небольших значениях Ppi, когда Pgen <50Вт, основная часть мощности вкладывается в разряд через емкостной канал. Здесь наблюдается быстрый рост V, U, Ii и Ic с увеличением Ppi. По мере роста Ppi возрастает роль индуктивного канала, растет плотность плазмы, ток, текущий через емкостной канал, рост V, Ii замедляется, а значения U стабилизируются. Обозначим величину мощности, при которой энерговклады индуктивного и емкостного каналов в разряд сравниваются, значком Ppi*. Эксперименты показали, что рост величины разделительной емкости С сопровождается увеличением энерговклада через емкостной канал и смещением

Рр1* в область больших значений Рр|. Одновременно возрастает средняя энергия электронов и понижается интенсивность свечения плазмы. Последнее свидетельствует об уменьшении концентрации плазмы.

1.0-

0.8-

о. 0.6-

Оь

и

о.

0_а 0.40.2-

0.0

27рР Р1/Рр1  Аг 23мТор |

^ я

100рР Рс/Рр1

/ 100рР Р1/Рр1

27рР Рс/Рр1 —•

0 50 100 150 200 250

Рр1

1.0'

0.8 •

0.6 •

Оъ

и

а.

о.'Р 0 .4  0.2 •

0.0

Аг 78мТор"|

50

27рР Р1/Рр1

100 Рр1

150

200

0

Рис. 4 - Зависимость величин ВЧ-мощности, поступающей в гибридный ВЧ-разряд через емкостной и индуктивный каналы от ВЧ-мощности, вложенной в плазму Рр|, при различных значениях разделительной емкости С и давления аргона

Изучение закономерностей энерговклада в гибридный ВЧ-разряд при различных давлениях аргона показало, что существует давление (порядка 10 - 30мТор), при котором вложение ВЧ-мощности в плазму через индуктивный канал максимально, а значения Рр|* минимальны. Понижение давления ниже 10мТор, также как и повышение давления выше 30мТор сопровождается усилением роли емкостного канала.

Эквивалентное сопротивление плазмы гибридного разряда при значении разделительной емкости 10пФ при давлениях аргона менее 70мТор близко к значениям эквивалентного сопротивления индуктивного разряда. Рост давления аргона и величины разделительной емкости в рассмотренных диапазонах сопровождаются ростом

эквивалентного сопротивления гибридного ВЧ-разряда. Это связано с увеличением энерговклада в разряд через емкостной канал.

Заключение

В настоящей работе показано, что при малых значениях мощности ВЧ-генератора ВЧ-мощность поступает в гибридный разряд главным образом через емкостной канал. Затем по мере роста мощности ВЧ-генератора роль индуктивного канала возрастает. Вклад индуктивного канала тем больше, чем меньше величина разделительной емкости. При давлениях аргона менее 10мТор и более 30мТор роль емкостного канала возрастает. Изменение величины разделительной емкости позволяет управлять величиной приэлектродных скачков потенциала, а, следовательно, и энергий быстрой группы электронов.

Литература

1. Thomson, J.J. On the Illustration of the Properties of the Electric Field / J.J. Thomson // Philosophical Magazine - 1891 - № 31 - C. 149-171.

2. Townsend, J.S. XVI. Electrodless Discharges / J.S Townsend, R.H. Donaldson // The Philosophical Magazine. - 1928. - Ser. 7 - v. 5 - Issue 27 - C.178 - 191.

3. MacKinnon, K.A. On the origin of the electrodeless discharge / K.A. MacKinnon // The Philosophical Magazine. - 1929. v.8 - Issue 52 C. 605 - 616

4. Бабат, Г.И. Безэлектродные разряды и некоторые связанные с ними вопросы / Бабат Г.И. // Вестник электропромышленности. - 1942. - №2 - С.1 - 12; N 3. - С.2 - 8.

5. Кралькина, Е.А. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления и возможности оптимизации источников плазмы на его основе / Е.А. Кралькина // Успехи физических наук - 2008 -том 178 - С.519-540.

6. Александров, А.Ф. Экспериментальное изучение закономерностей энерговыделения в гибридном высокочастотном разряде низкого давления при изменении мощности высокочастотного генератора и давления аргона / А.Ф. Александров, К.В. Вавилин, Е.А. Кралькина, В.П. Павлов, А.А. Рухадзе, В.П. Савинов Ч. Чжао В.Г. Якунин // Вестн. Моск. ун-та. Серия «Физика, Астрономия». - 2008. - №4. -С.71-75.

7. Савинов, В.П. Граничные эффекты емкостного высокочастотного разряда: автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра физ.-мат. наук :01.04.08 / В. П. Савинов. - М., 2001. -27 с.

© К. В. Вавилин - канд. физ.-мат. наук, науч. сотр. каф. физической электроники физического факультета МГУ, viline@inbox.ru; М. А. Гоморев - вед. инженер той же, buran707@mail.ru; Е. А. Кралькина - д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотрудник той же кафедры, ekralkina@mail.ru; П. А. Неклюдова - асп. той же кафедры, queen_555@mail.ru; В. Б. Павлов - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. той же кафедры, vb_pavlov@mail.ru; Ч. Чжао - асп. той же кафедры, vincentzhao@mail.ru.