Граничные эффекты емкостного высокочастотного разряда

1
1
І
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ..................................................... 7
Глава I Электрическое поле в граничных областях разряда 42
1.1 Распределение ВЧ напряжения в разрядном промежутке ............................................ 45
1.1.1 Электрическая эквивалентная схема разряда... 45
1.1.2 Методика измерений ........................... 46
1.1.3 Экспериментальные результаты и их анализ .. 49
1.1.4 Специфика распределения ВЧ напряжения в асимметричном разряде ............................. 53
1.2 Экспериментальные методы изучения квазистационарного электрического поля ................ 54
1.2.1 Особенности экспериментального изучения
квазистационарного электрического поля в емкостном ВЧ разряде ....................... 54
1.2.2 Зондовая методика ............................ 55
1.2.3 Бесконтактный метод .......................... 56
1.2.4 Методика управления приэлектродными скачками квазистационарного потенциала ............ 62
1.3 Зависимость приэлектродного квазистационарного скачка потенциала и, от параметров разряда . .......... 63
1.3.1 Зависимость I),от амплитуды ВЧ напряжения .. 63
1.3.2 Зависимость и, от давления газа .............. 67
1.3.3 Зависимость У, от материала электродов
2
и рода газа ................................. 68
1.3.4 Частотная зависимость и,(Г) ................ 71
1.3.5 Скачок потенциала и, в емкостном ВЧ разряде
с внешними электродами ...................... 77
1.4 Характер результирующего электрического полт в
граничных областях емкостного ВЧ разряда ............ 79
Выводы из главы I ............................................. 84
Глава II Транспорт зарядов в приэлектродной области ........... 86
2.1 Характер движения ионов ............................ 87
2.2 Электронные потоки от электродов в плазму........... 94
2.2.1 О присутствии электронов в при электродном
слое пространственного заряда .................. 94
2.2.2 Методика измерения плотности п,0
эмиттированных электродом электронов ........... 95
2.2.3 Зависимость концентрации п„,отВЧ напряжения
V и тока I _ разряда ........................... 97
2.2.4 Экспериментальное изучение приэлектродных
электронных потоков .......................... 102
2.3 Свойства границы “приэлсктродный слой пространсг
венного заряда - плазма” .......................... НО
2.4 Перенос электронов из плазмы на электроды ......... 112
2.5 Зависимость механизма емкостного ВЧ разряда от транспорта зарядов на электроды ...................... 119
Выводы из главы II ......................................... 120
з
Глава III Вольт - амперная характеристика емкостного ВЧ
разряда Одно - и двухэлектродный разряды ......... 123
3.1 Методика определения и физический смысл вольтам перной характеристики емкостного В Ч разряда ... 123
3.2 Зависимость вольт-амперной характеристики
от параметров разряда .......................... 131
3.3 “Батарейный эффект” в емкостном ВЧ разряде ........ 137
3.4 Вольт-амперная характеристика одноэлектро;.ного емкостного ВЧ разряда ................................. 140
Выводы из главы 111 ......................................... 142
Глава IV Приграничные электронные пучки ...................... 146
4.1 Явление возникновения приграничных электронных пучков в емкостном ВЧ разряде ......................... 147
4.1.1 Приэлектродныс электронные пучки ............ 147
4.1.2 Пристеночные электронные пучки .............. 154
4.2 Методы диагностики электронных пучков
в емкостном ВЧ разряде ........................... 158
4.3 Параметры электронных пучков емкостного ВЧ
разряда низкого давления .......................... 160
4.4 Процессы пространственной и временной релаксации приэлекгродных электронных пучков .................... 167
4.5 Роль электронов пучка в балансе заряженных частин приэлектродной плазмы ...................... 174
Выводы из главы IV
178
<1
Глава V Электронный энергетический спектр приэлектродной
плазмы .............................................. 181
5.1 Современные исследования ЭЭС плазмы емкостного
ВЧ разряда ...................................... 181
5.2 Экспериментальные методы изучения ЭЭС плазмы данной работы ......................................... 194
5.2.1 Ленгмюровская зонловая методика ............. 194
5.2.2 Метод определения второй
производной 195
5.2.3 Метод электростатического энергоанализатора 195
5.3 Энергетическое распределение электронов плазмы емкостного ВЧ разряда при выполнении услсвия
198
5 .4 ЭЭС плазмы емкостного ВЧ разряда в случае
а>ь»',л, ......................................... 202
5.5 ЭЭС плазмы асимметричного емкостного ВЧ разряда 217
5.6 Временной ход физических процессов и его влияние
на ЭЭС приэлектродной плазмы ...................... 220
5.6.1 Экспериментальный метод изучения временной зависимости ЭЭС плазмы ................. 220
5.6.2 Основные закономерности временного хода
ЭЭС внутри периода ВЧ поля .................. 223
5.6.3 Влияние поперечного магнитного поля на временной ход ЭЭС приэлектродной плазмы асимметричного емкостного ВЧ разряда ............. 225
Выводы из главы V
227
5
Глава VI Пучково- плазменные неустойчивости в емкостном
ВЧ разряде. Разряд со вторичным “СВЧ - пробоем” 231
6.1 Экспериментальные данные о присутствии пучковой неустойчивости в исследованном емкостном
ВЧ разряде ...................................... 231
6.2 Анализ характеристик пучковой неустойчивости .... 234
6.2.1 Параметры пучково-плазменной неустойчивости в симметричном емкостном ВЧ разряде 235
6.2.2 Проявление пучково-плазменной неустойчивости в асимметричном емкостном ВЧ рг.зряде 240
6.3 Емкостной ВЧ разряд со вторичным “СВЧ пробоем” 242 Выводы из главы VI ......................................... 247
Глава VII Поперечный емкостной ВЧ разряд, поддерживаемый
приэлектродными электронными пучками ............ 251
7.1 Особенности экспериментального изучения поперечного емкостного ВЧ разряда среднего давления ... 252
7.2 Состояние нейтральной компоненты газоразрядной
плазмы ........................................ 252
7.2.1 Методика двухлучевой оптической
интерферометрии .......................... 253
7 2.2 Метод многолучевой интерферометрии ...... 254
7.2.3 Экспериментальные результаты и
их обсуждение ............................ 254
7.3 Физические свойства плазмы поперечного емкостного ВЧ разряда .............................. 259
7.3.1 Энергетические характеристики повеления электронов газоразрядной плазмы ................ 260
6
7.3.1.1 Методика определения эффективной
температуры электронов Т Г ........... 260
7.3.1.2 Результаты измерений Т;
и их обсуждение ...................... 263
7.3.2 Плотность электронов плазмы п,и
ее зависимость от параметров разряда ..... 268
7.3.2.1 Методика измерения п................. 268
а. Метод штарковско! о уширения
спектральных линий ................. 268
б. Методика СВЧ - интерферометрии ... 269
7.3.2.2 Экспериментатьные результаты
и их обсуждение .................... 270
7.4 Роль граничных эффектов в поддержании разряда 275
Выводы из главы VII ......................................... 278
Заключение Основные выводы .................................. 280
Приложение 1 Вольт-амперных характеристик - метод диагностики параметров приэлектродных слое* простран ственного заряда и при электродной плазмы
емкостного ВЧ разряда ........................ 288
Приложение 2 11е -N6 - и Не - Сё' - лазеры на поперечном
емкостном ВЧ разряде ......................... 296
Литература
303
Сокращения, используемые в тексте диссертации
АЕВЧР - асимметричный емкостный высокочастотный разряд
АЭ - активный электрод
ВАХ - вольт-амперная характеристика
ЕВЧР - емкостный высокочастотный разряд
ЕВЧР - 1 - одноэлектродный емкостный высокочастотный разряд
ЕВЧР - 2 - двухэлектродный емкостный высокочастотный разряд
ЗЭ - заземленный электрод
ЛИФ - лазерно индуцированная флюоресценция
11Р - нормальный режим
ПСПЗ - приэлектродный слой пространственного заряда
ППН - пучково-плазменная неустойчивость
ПЭП - приэлектродный электронный пучок
ПЕВЧР - поперечный емкостный высокочастотный разряд ПС - положительный столб
ПСРПТ - положительный столб разряда постоянного тока
11КРГГГ - разряд постоянного тока в полом катоде
СИЗ - слой пространственного заряда
СЭП - пристеночный электронный пучок
СЕВЧР - симметричный емкостный высокочастотный разряд
ТРГГГ тлеющий разряд постоянного тока
ЭЭС - электронный энергетический спектр
ЧЛТР частичное локальное термодинамическое равновесие
7
ВВЕДЕНИЕ
1. АКТУАЛЬНОС ТЬ РАБОТЫ
Современный научно - технический прогресс во многом определяется быстро развивающимся комплексом высоких технологий, в котором ведущую роль играет использование газоразрядной плазмы. В качестве примера важнейших применений ионизованных газов достаточно назвать такие хорошо известные области как плазменная технология, лазерная техника и плазмохимия [ 1 - 3 ]. В настоящее время зачастую используется ионизованная среда, близкая по своим свойствам к квазиравновесной плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока, отличающейся узким электронным энергетическим спектром ( ЭЭС ) с характерными энергиями 0 < е, £ 25 - 50 эВ . Характеристики такой плазмы весьма консервативны и существенно изменяются лишь при больших изменениях внешних параметров разряда.
Подобное положение вещей не может удовлетворять современным потребностям науки и техники, требующим разработки источников плазмы с расширенным диапазоном изменения ее параметров.
Достаточно хорошо исследованы физические свойства плазмы центральных областей тлеющего разряда постоянного тока и ВЧ разряда в широком диапазоне давлений [ 4 - 6 ].
Новые возможности открывает использование при электродной плазмы, поддерживаемой совокупностью граничных процессов, в особенности, в условиях их существенной нслокальности.
Широкое распространение в многочисленных научно - технических областях получила плазма емкостного высокочастотного разряда ( ЕВЧР ).
В соответствии со сказанным выше, актуально изучение таких физических процессов и характеристик приграничных областей ЕВЧР как электронно - эмиссионные процессы на электродах, переменное и квазиста-
8
ционарное электрические поля , транспорт зарядов в приэлектродном слое пространственного заряда ( ПСПЗ ) , роль геометрии разрядного промежутка и др. , которые до настоящего времени исследованы весьма слабо. Явно недостаточно разработаны методы диагностики параметров приэлек-тродных областей ЕВЧР, которые должны быть бесконтактными в силу большой чувствительности указанных областей разряда к различным возмущающим факторам.
В центре внимания диссертационной работа находилось обнаруженное автором явление возникновения высокоэнергетичных приэлектродных электронных пучков (ПЭП) в ЕВЧР, которые являются важнейшим фактором формирования ЭЭС приэлектродной плазмы.
Весьма актуальным является изучение ЕВЧР, в которых эффекты пучково-плазменного взаимодействия, приводящие к пучково-плазменным неустойчивостям (ПТТН), играют важную роль. Данные о таких исследованиях отсутствуют в литературе.
Постоянно актуальной будет проблема создания плазмы с хорошо управляемыми параметрами. Из известных на сегодня способов получения ионизованной среды приэлектродная плазма ЕВЧР, по-видимому, является управляемой с помощью максимального количества факторов воздействия.
Очевидно, что источник плазмы с управляемым в широком диапазоне ЭЭС представляет интерес для различных областей науки и техники, начиная от плазменной технологии и кончая исследованиями фундаментальных проблем астрофизики и неравновесной плазмы.
2. ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Целью настоящей работы являлось изучение граничных эффектов в ЕВЧР для выяснения роли физических процессов вблизи поверхностей, от-
9
раничивающих разрядный промежуток, в механизме создания приэлектродной плазмы и формировании ее ЭЭС.
Здесь под граничными эффектами подразумеваются: 1) эмиссия электронов с поверхности электродов, 2) суперпозиция внешнего н внутреннего электрических полей в ПСПЗ, 3) формирование Г1ЭП, 4) транспорт зарядов в ПСПЗ, 5) краевые эффекты ВЧ поля, 6) влияние геометрии электродов на физические условия в разряде.
Основными задачами являлись следующие:
1. Разработка экспериментальных методов исследования физических процессов в ПСПЗ и определение с их помощью характеристик приэлек-тродного электрического ноля, параметров процесса эмиссии электронов с поверхности электродов и транспорта зарядов.
2. Обоснование корректности получаемых ВАХ разряда и проведение их детального анализа с целью получения количественной информации о параметрах ПСПЗ и приэлектродной плазмы.
3. Экспериментальное изучение явления возникновения высокоэнерге-тичных ПЭП, их параметров и пространственной релаксации по импульсу и энергии, а также - эффектов пучково-плазменного взаимодействия.
4. Проведение экспериментальных исследований квазистационарных и разрешенных по времени ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР и механизмов их формирования.
5. Изучение оптико-спектроскопическими методами параметров плазмы поперечного ЕВЧР в инертных газах, поддерживаемой граничными процессами, а также - свойств оптически активной среды Не-№- и Не - С<Г- лазеров, создаваемой данным разрядом.
Поставленные задачи определили содержание диссертационной работы, выполненной в период с 1970 по 1995 год на кафедре физической электроники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
10
Совокупность выявленных в диссертации граничных эффектов ЕВЧР, играющих важную роль в механизме поддержания приэлектродной плазмы, разработка невозмущающих методов исследования граничных физических процессов и полученные новые результаты о физических свойствах и параметрах приэлектродной плазмы определяют новое направление -«Методы создания и экспериментального изучения плазмы с регулируемым в широких пределах ЭЭС, поддерживаемой граничными эффектами у поверхности с высоким ВЧ электрическим потенциалом».
3. НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в том,что в ней впервые:
1. На основании экспериментальных исследований характеристик электрического поля в ПСПЗ установлено, что возникающее в результате суперпозиции внешнего ВЧ поля и поля в ПСПЗ результирующее самосогласованное электрическое поле в ПСПЗ ЕВЧР представляет собой импульсы постоянного поля, эквивалентные приэлектродному квазистацио-нарному скачку потенциала.
2. Экспериментально исследован характер движения электронов в приэлектродной области ЕВЧР. Установлено, что, в отличие от традиционных модельных представлений об отсутствии электронов в ПСПЗ, они присутствуют постоянно. При этом движение электронов имеет не колебательный характер, а импульсно-периодический: электроны плазмы движутся к электроду в положительный полупериод поля, а вторичные у-электроны - ускоряются от электрода в отрицательный полупериод.
3. Разработаны бесконтактные методы, применимые к ЕВЧР с внутренними и внешними электродами для измерений: 1) квазистационарного скачка потенциала в Г1СПЗ;2) плотности эмиттированных электродом электронов, а также - 3) изучения пространственной релаксации Г1ЭП по импульсу и 4) диагностики параметров ПСПЗ и приэлектродной плазмы по виду вольт-амперной характеристики ЕВЧР среднего давления.
11
4. Проведено экспериментальное изучение зависимости квазистацио-нарного скачка потенциала в ПСПЗ от основных параметров ЕВЧР: обнаружена зависимость от материала электрода и рода газа и установлен характер зависимости от частоты ВЧ поля. Впервые измерены параметры ПСПЗ ЕВЧР с покрытыми диэлектриком электродами : скачок потенциала, толщина ПСПЗ и энергия ионов на электроде.
5. Впервые экспериментально исследованы плотности электронов, эмитгированных внутренними электродами и диэлектрическим покрытием электродов ЕВЧР. Установлен характер зависимости плотности эмитгиро-ванных электронов от амплитуды и частоты приложенною ВЧ напряжения. Проведено сравнительное изучение плотностей эмитгированных электронов для электродов ЕВЧР и катода тлеющего разряда постоянного тока.
6. Обнаружено новое физическое явление - возникновение в ЕВЧР высокоэнергетичных приэлектродных электронных пучков (ПЭП). Проведены исследования этого явления в широком диапазоне экспериментальных условий, позволившие измерить плотности и энергии пучков, изучить пространственную релаксацию ПЭП по импульсу и энергии и выяснить ее механизмы. Экспериментально обнаружены пристеночные электронные пучки, эмиттируемые с диэлектрических боковых стенок разрядной трубки и обусловленные краевым эффектом ВЧ поля в ЕВЧР.
На основании экспериментальных результатов сделан вывод о существовании универсального физического явления :
находящаяся под ВЧ потенциалом поверхность любого материала в ионизованном газе становится источником электронных пучков.
7. Экспериментально исследованы электронные энергетические спектры ириэлектродной плазмы ЕВЧР с симметричными электродами в условиях определяющей роли столкновений электронов с атомами. Установлено, что ЭЭС плазмы имеют немаксвелловский характер, будучи обогащенными высокоэнергстичными электронами. При этом с увеличением ВЧ на-
12
пряжения ЭЭС расширяется, а эффективная температура группы “медленных” электронов уменьшается.В этих условиях вклад “быстрых” электронов ПЭП в процесс ионизации превышает 90 %. Теоретически показано, что обогащение приэлектродной плазмы “быстрыми” электронами приводит к увеличению скорости ухода зарядов с эффективным коэффициентом диффузии, превышающим обычный коэффициент амбиполярной диффузии в десятки раз.
8. Проведено экспериментальное изучение ЭЭС плазмы асимметричного ЕВЧР (АГВЧР) в окрестности заземленного электрода, которая создастся ПЭ11 активного электрода малой площади и представляет собой ранее не исследованное плазменное образование. Получены квазистационарный и разрешенный по времени ЭЭС плазмы АЕВЧР.Экспериментазьно исследована динамика физических процессов в приэлектродной области в течение периода ВЧ поля и се влияние на ЭЭС плазмы. Обнаружено,что в разные фазы периода ВЧ поля на электрод приходят потоки тепловых электронов с энергиями в сотни эВ и электронов ПЭП активного электрода.
9. Проведен количественный анализ полученных экспериментальных результатов с целью обнаружения присутствия пучково-плазменных неустойчивостей ( ППН ) в исследованных ЕВЧР. Установлено возбуждение ППН черенковского типа в приэлектродной плазме, срываемой периодическим коллапсом ПСПЗ. С помощью наблюдения пучкового пика ЭЭС плазмы АЕВЧР исследован временной ход развития ППН, в результате чего установлено характерное соотношение длительностей гидродинамической и кинетической стадий неустойчивости.
Обнаруженное обогащение ЭЭС плазмы ЕВЧР разшретыми СВЧ полями ППН электронами говорит об интенсификации ионизационных процессов в плазме, что дает основание классифицировать исследованный разряд как ЕВЧР со вторичным “ СВЧ -пробоем".
13
10. Экспериментально исследованы параметры плазмы поперечного ЕВЧР ( ПЕВЧР ) среднего давления. Обнаружена аномально низкая эффективная температура электронов плазмы ПЕВЧР Г" - 0.2 - 0.5 эВ, которая не может объяснить наблюдаемые высокие концентрации электронов плазмы я, ~1012-1013слГ5. Установлено, что решающий вклад в ионизационные процессы обусловлен присутствием ПЭП.
11. Сформулировано следующее из экспериментальных результатов модельное представление о формировании пространственно протяженной, структурированной границы “ПСГТЗ - плазма ” в результате взаимодействия электронов плазмы с приэлектродным потенциальным барьером. Последнее сопровождается образованием внутри барьера потенциальных ям, наполняемых потоками высокоэнергстичных электронов плазмы. Экспериментально установлено, что при повышенных ВЧ напряжениях и частотах поля параметры ПСПЗ приближаются к стационарным. Для последних режимов ЕВЧР предложен новый механизм переноса электронов плазмы на электрод с помощью перемещающихся от плазмы к элек гроду потенциальных ям.
4. НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ полученных в диссертации результатов обусловлена тем, что они существенно расширяют наши знания о физических процессах в ВЧ разрядах и представляют большой практический интерес для оптимизации процессов в генераторах плазмы на основе ЕВЧР и их практического использования в технологиях микроэлектроники, материаловедении и плазмохимии.
Выяснение физического механизма разряда дает возможность создавать плазму с нужными параметрами. Приэлекгродная плазма в наибольшей степени отражает специфику каждого типа разряда и отличается легкостью в управлении се параметрами. Полученные результаты показывают, что с помощью ЕВЧР можно создавать неравновесную плазму с чрез-
14
вычайно разнообразными ЭЭС, удобную для проведения фундаментальных исследований такой плазмы.
Исследования приэлектродных процессов в ЕВЧР позволили выяснеть механизмы формирования ЭЭС плазмы, что дало возможность:
- создать поколение эффективных лазеров на смесях инертных газов с парами металлов с возбуждением поперечным ЕВЧР;
- разработать проект ВЧ-плазмохимического реактора для производства интегральных схем, ожидаемые параметры которого, по оценкам учреждений научно-технической экспертизы, превышают достигнутый мировой уровень.
Источники ВЧ-плазмы с управляемым ЭЭС перспективны в следующих практически важных областях :
- в плазмохимии для создания ионизованных сред с заданным составом;
- для создания простейшими техническими средствами электронных пучков различных конфигураций, включая пучки большой площади сечения, для электронной обработки поверхностей с дозированными энергетикой и плотностью электронных потоков;
- для создания ВЧ электронных квазипушек мультикэвного диапазона для воздействия извне на объекты внутри замкнутых диэлектрических полостей;
- для возбуждения электронными пучками ЕВЧР с оптимизированными параметрами люминофоров в осветительных лампах и др.
5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ ИЛ ЗАЩИТУ :
1. Экспериментально обнаружено, что возникающее вследствие суперпозиции приложенного ВЧ напряжения и поля зарядов в приэлектрод-ном слое пространственного заряда результирующее электрическое поле в
15
ПСГО емкостного высокочастотного разряда представляет собой импульсы постоянного поля. Изучены зависимости приэлектродной квазистацио-нарной разности потенциалов, близкой по величине к амплитуде приложенного ВЧ напряжения, от основных параметров ЕВЧР. Обнаружена зависимость данной величины от рода газа и материала электродов , объясняемая эмиссионными процессами на электродах, и установлен характер ее частотной зависимости, определяемой движением ионов в ПСПЗ.
Создан бесконтактный ме тод диагностики параметров ПСПЗ ЕВЧР, в котором слой рассматривается как электрическая емкость, образующая с последовательно соединенными емкостью изолирующего электрод слоя диэлектрика и вводимой диагностической емкостью эффективный емкостной делитель напряжения. Впервые с помощью данного метода измерены параметры ПСПЗ ЕВЧР с покрытыми диэлектриком электродами : приэлектроднын квазистационарный скачок потенциала, составлявший сотни Вольт и выше, толщина слоя, изменявшаяся в пределах 1 см , и энергии ионов на электроде порядка единиц и десятков эВ.
2. В отличие от традиционных модельных представлений об отсутствии электронов в ПСПЗ ЕВЧР, экспериментально установлено их постоянное присутствие . При этом движение электронов в ПСПЗ носит не колебательный, а импульсно - периодический характер : у - электроны в отрицательный полупериод поля ускоряются от электрода, а электроны плазмы в положительный полупериод идут к электроду.
3. Впервые в ЕВЧР обнаружены приэлектродные электронные пучки. Измерены плотности и энергии ПЭП. Показана возможность фокусировки ПЭП с помощью геометрии элекгродов. Экспериментально изучена пространственная релаксация ПЭП по импульсу и энергии и выяснены механизмы релаксации, обусловленные парными соударениями или пучково-плазменной неустойчивостью. Теоретически показано, что обогащение плазмы в окрестности электродов “быстрыми” электронами ПЭП при-
16
водит к увеличению скорости ухода зарядов, благодаря диффузии с эффективным коэффициентом , превышающим обычный коэффициент ам-биполярной диффузии в десятки раз.
Разработана бесконтактная методика изучения релаксации ПЭГ1 но импульсу с помощью исследования пространственного распределения амплитуды осцилляции свечения на частоте ВЧ поля.
Экспериментально обнаружено, что, вследствие краевого эффекта ВЧ поля, с диэлектрических боковых стенок разрядной трубки возникают стеночные электронные пучки с энергиями в сотни эВ.
Установлено существование универсального физического явления :
находящаяся пол ВЧ потенциалом поверхность любого материала в ионизованном газе становится источником электронных пучков.
4. Разработан бесконтактный метод измерения плотности эмитти-рованных электродами ЕВЧР электронов с помощью измерения абсолютных интенсивностей спектральных линий в ПСПЗ. Этим методом впервые измерена плотность эмиттированных электронов с поверхности диэлектрических покрытий внешних электродов, составлявшая 105 -Ю’слГ*.
5. Экспериментально исследован квазистационарный электронный энергетический спектр приэлектродной плазмы ЕВЧР с симметричными плоскими электродами в случае частых столкновений электронов с атомами и в условиях возбуждения пучково-плазменной неустойчиво-сти.Установлено обогащение ЭЭС электронами повышенных энергий , его зависимость от рода газа, а также - определяющий вклад в процесс ионизации газа высокоэнергетичных электронов НЭП, который может превышать 90% при значительной роли столкновительных процессов в плазме.
6. Методом энергоанашзатора изучены квазистационарный и имевший в определенной фазе периода ВЧ поля максимальную ширину ЭЭС плазмы асимметричного ЕВЧР с повышенными плотностями ПЭП. Установлено, что аномально широкий ЭЭС плазмы заканчивается пучковым
17
пиком, который в квазистационарном ЭЭС имеет как квазимоноэнергетич-ный, так и расплывшийся по энергии вид, но всегда является квазимоно-энергетичным в упомянутой выше фазе. Показано, что вид ЭЭС плазмы АЕВЧР существенно зависит от возникновения пучково-плазменной неус-точивости черепковского типа, периодически срываемой коллапсом ПСПЗ.
7. Экспериментштьно изучены параметры плазмы поперечного ЕВЧР среднего давления, поддерживаемого приэлектродными процессами, в результате чего установлено соотношение плотностей “быстрых" и
“медленных” электронов ^—КГ* -10"’, обнаружена аномально низкая
эффективная температура квазимаксвслловской группы электронов плазмы Г" ~ 0.2 - 0.5 эВ при их концентрации п. -10й-Ю1*«*“*, что указывает на решающий вклад в ионизационные процессы малочисленных высоко-энергетнчных электронов ПЭП.
8. Полученные экспериментальные результаты показывают, что помимо традиционного диффузионного механизма переноса электронов плазмы па электроды ЕВЧР в условиях его малой интенсивности возможен альтернативный дискретный механизм переноса электронов с помощью периодически перемещающихся от плазмы к электроду потенциальных ям в приэлектродном потенциальном барьере.
6. ВКЛАД АВТОРА
Личный вклад автора в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим.
7. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, двух приложений и списка цитированной литературы.
18
Во введении обсуждаются актуальность работы, цель и задачи исследования, защищаемые положения, научная новизна и практическая ценность работы,краткое содержание диссертации, публикации и апробация работы.
В первой главе диссертации, после краткого изложения пути развития исследований, рассматриваются полученные результаты экспериментального изучения характеристик электрического поля, квазисгационарно-го и переменного во времени, в приэлектродной области ЕВЧР, определяющих проявление граничных эффектов и механизм разряда в целом.
Описывается методика измерения напряженности ВЧ поля и ее пространственного распределения Е_(х). Экспериментальные результаты показывают падение почти всего приложенного ВЧ напряжения V. в при-элсктродных областях и слабую зависимость Е_ в центральной области разряда от V.. Следует отметить также обнаруженное и зафиксированное позднее другими исследователями снижение Е.. в непосредственной окрестности электрода, что подтверждает гипотезу автора диссертации о характере присутствующего там результирующего поля. Экспериментально подтверждаются теоретические литературные данные относительно специфики распределения ВЧ напряжения в асимметричном ЕВЧР.
Значительное место отводится описанию исследований квазиста-ционарных скачков потенциала и, в ПСПЗ, представляющих интерес для изучения механизма ЕВЧР, а также - для разработки технологических процессов модификации различных технических поверхностей.
Проводится анализ известных методов измерения величин и, - зондо-вого, с применением энергоаналнзатора заряженных частиц и внешнего электронного пучка, а также - их недостатков.
Приведено описание разработанного бесконтактного метода измерения скачков потенциала и5, применимого к изучению параметров ПСПЗ ЕВЧР как с внутренними, так и внешними электродами.
19
Даны рекомендации относительно экспериментальных методов управления скачком потенциала и, у электродов ЕВЧР. Приводятся полученные результаты экспериментальных исследований зависимостей скачка потенциала и„ от основных параметров ЕВЧР и анализируются механизмы этих зависимостей. Хорошо известно, что и, монотонно возрастает с увеличением V., однако, наши измерения показали, что при больших V. рост и, существенно замедляется. Это объясняется увеличивающимся влиянием электронно-эмиссионных процессов на электродах.
Сравнение экспериментальных данных с теоретическими литературными значениями и, показывает расхождение до 25-30%, что указывает на необходимость уточнения расчетных методик.
Полученные для различных режимов ЕВЧР величины и, достигали и превышали известные табличные значения напряжений нормального катодного падения в тлеющем разряде постоянного тока \'т.
В области низких давлений ( р < 1 Тор ) , зафиксированы значения и,,
соизмеримые с амплитудой напряжения V,.
В процессе экспериментального изучения ЕВЧР низкого давления в инертных газах (Не, Ие, Аг) обнаружена зависимость скачка потенциала II, от материала электрода и рода газа. Обсуждаются механизмы указанной выше зависимости. Показывается, что значения и, зависят от интенсивности процесса электронной эмиссии с поверхности электрода, различной для каждой пары «материал электрода-рабочий газ». Кроме того, величина и,, в соответствии с механизмом явления «ВЧ-детектирования», зависит от отношения масс электрона и иона рабочего газа. Установлены общие закономерности в поведении и, и Уа, в ЕВЧР и ТРПТ, соответственно, в зависимости от сочетания «материал электрода-рабочий газ».
20
Подробно анализируются результаты изучения экспериментально
исследованной зависимости и,(О от частоты поля [ = —. Имеющаяся в
2к
литературе теоретическая оценка частотной зависимости и4 относится лишь к специфической области физических условий в ЕВЧР. Обнаружено, что при монотонном увеличении ВЧ напряжения проявляются три типа зависимостей и,(г). С учетом характера взаимодействия ВЧ поля с плазмой и движения ионов в ПСПЗ ЕВЧР предлагаются механизмы, ответственные за установленную частотную зависимость и,(г). На основании предложенных модельных представлений получено выражение для гра-
I
еЕР
ничной частоты насыщения этой зависимости: Г, = —^ , где Е - на-
8М, )
пряжснность поля вблизи электрода, Р, - вероятность процесса перезарядки иона, дающее значения Г,, близкие к экспериментальным.
Благодаря разработанному бесконтактному методу, впервые удалось произвести измерения скачка потенциала и, в ЕВЧР с внешними электродами, а также толщину ПСПЗ с1, и энергию ионов с, на электроде в этом разряде. Полученные таким способом значения и,, Л, и е, оказались близкими по величине к таковым в ЕВЧР с внутренними электродами.
В конце главы на основании полученных экспериментальных результатов анализируется вопрос о мгновенном результирующем электрическом поле в ПСПЗ ЕВЧР, возникающем в результате суперпозиции внешнего ВЧ поля и суммарного поля поверхностных и объемных зарядов. Установлено в результате модельных построений и экспериментальных исследований, что результирующее поле в ПСПЗ приобретает вид униполярных импульсов постоянного поля с вектором напряженности Ё постоянно ориентированным в одном направлении. Таким образом, исследованный ЕВЧР как бы уподобляется ТРПТ с периодическим импульсным
21
катодным падением. Приводится целый ряд экспериментальных результатов, свидетельствующих в пользу такого модельного представления.
В соответствии с упомянутым выше характером поля в ПСПЗ, представляется некорректным введение амплитуды колебательного движения электронов в слое, скорее это движение является импульсным однонаправленным.
Вторая глава посвящена изучению процессов транспорта зарядов в ПСПЗ ЕВ11Р, знание которых важно как для выяснения физического механизма разряда, гак и для разработки эффективных плазменных технологий. Вначале анализируются функции, осуществляемые приэлектродными слоями в поддержании стационарного разряда. Констатируя явно недостаточную изученность данных областей ЕВЧР и стимулированный запросами технологии акцент на изучение поведения ионов в исследованиях других авторов, в работе концентрируется внимание на процессах с участием электронов. Имеющаяся в работе информация об ионах используется, в основном, для изучения процессов электронной эмиссии с поверхности электродов и формирования приэлектродных электронных пучков.
С целью экспериментального изучения влияния граничных условий на процессы в объеме ЕВЧР исследованы пространственные распределения концентрации п„(х) и температуры электронов Тс(х). При этом установлено, что в случае повышенных значений ВЧ напряжений распределение п4(х) в разрядном промежутке плоской геометрии приобретает существенно возмущенную, колоколообразную форму. В результате рассмотрения установлено, что последняя обусловлена целым рядом граничных процессов, среди которых главное значение имеют интенсивный уход ионов на электрод и обусловленный присутствием «горячих» электронов аномально высокий эффективный коэффициент амбиполярной диффузии.
Анализ физических условий в исследованном разряде с учетом данных литературы о характере движения ионов в ПСПЗ показал, что энерге-
22
тичсский спектр приходящих на электрод ионов должен быть широким и более половины ионов должны иметь энергию с. 2 еи, - I кэВ. В ЕВЧР имеется возможность с помощью изменения энергии ионов целенаправленно управлять электронно-эмиссионными процессами на электродах.
В отличие от бытующего в литературе до последнего времени модельного представления об отсутствии электронов в ПСПЗ ЕВЧР, автором неоднократно подчеркивалось, что, напротив, электроны присутствуют в указанных областях на протяжении всего периода ВЧ поля. При этом рассматриваются различные механизмы попадания электронов в ПСПЗ.
Важнейшим и совершенно неисследованным каналом попадания электронов в ПСПЗ ЕВЧР является их эмиссия с поверхности электродов.
Приводится описание разработанного оригинального спектроскопического метода измерения плотности эмитгированных электронов, определяемой с помощью выражения
«о и А *
где 1ю- абсолютная интенсивность спектральной линии; п,- концентрация атомов; - максимальное значение сечения возбуждения к-го уровня атома прямым электронным ударом; у<0- средняя скорость выхода эмит-тированных электронов; Ьи„ - энергия кванта с частотой излучения им; Л„- вероятность спонтанного перехода к ->і;ІАи- сумма вероятностей
спонтанных переходов с к-го уровня на все нижележащие уровни г.
Для данного метода, применимого в разрядах с внутренними и внешними электродами, предлагается также ряд его модификаций.
Полученные результаты экспериментальных исследований показали, что плотности эмитгированных электронов п„ в ЕВЧР и ТРПТ близки.
Несколькими независимыми методами проведено экспериментальное изучение поведения электронов в ПСПЗ ЕВЧР.
23
Впервые в ЕВЧР с помощью методики ориентированного ленгмю-ровского зонда обнаружены ириэлектродные электронные пучки , направленные от электродов к центру разрядного промежутка.
Проведено сравнительное изучение пространственных структур свечения ЕВЧР и ТРГТТ. Установлено, что в ЕВЧР у типа имеется ВЧ-апалог каждой пространственной области в структуре свечения ТРПТ. Структура свечения ЕВЧР и ТРПТ изменялась одинаковым образом при наложении постоянного магнитного поля. О наличии направленных потоков электронов в указанных разрядах говорит экспериментально установленный одинаковый пространственный ход степени поляризации излучения Р,(х).
Сверхскоростная фотосъемка приэлектродных областей ЕВЧР с помощью «лупы времени» показала импульсный характер свечения в этих областях, распространяющегося от электрода к центру разряда в течение отрицательного полупериода ВЧ поля, что дополнительно свидетельствует о присутствии импульсных ПЭП.
В результате, делается вывод об одинаковом характере движения электронов, эмитгированных электродом, в ПСПЗ ЕВЧР и области катодного падения ТРПТ.
Существенное внимание во второй главе уделяется неисследованному вопросу о свойствах границы «ПСПЗ-плазма», которая зачастую просто принимается резкой или порядка величины дебаевского радиуса. Автор же считает, что эта граница определяется взаимодействием при-электродного потенциального барьера и электронов плазмы с широким ЭЭС и, напротив, должна быть пространственно достаточно протяженной и структурированной. Кроме того, вследствие немонотонности ЭЭС на его конце, внутри потенциального барьера должны возникать потенциальные ямы («лакуны»), наполненные наиболее быстрыми электронами ЭЭС при-электродной плазмы.
24
Со сказанным выше тесно связан анализируемый в работе вопрос о механизме переноса электронов из плазмы на электроды ЕВЧР, что важно для выяснения механизма обеспечения баланса зарядов в разряде, разработки эффективной методики измерений с помощью энергоанатнзатора и определения ЭЭС приэлектродной плазмы. При этом исследуются различные режимы ЕВЧР, которым соответствуют предполагаемые альтернативные механизмы транспорта электронов.
В третьей главе диссертации представлены результаты экспериментального изучения вольт-амперных характеристик ЕВЧР низкого и среднего давления, включая одноэлектродиый разряд. При этом акцент делался на ранее недостаточно исследованных моментах, таких как методика корректного получения ВАХ, физический смысл и свойства ВАХ одно-элсктродного ЕВЧР, влияние на ВАХ геометрии разряда и внешних электродов, функционирование заземленного электрода, а также - диагностические возможности использования ВАХ ЕВЧР.
Отмечается, что в литературе, как правило, не анализируется физический смысл используемых ВАХ ЕВЧР с учетом возможного значительного различия степени замыкания тока между электродами разрядного промежутка в зависимости от значений емкостных токов утечки на «землю». В качестве примера нестандартных ситуаций приводятся: 1) симметричный ЕВЧР, представляющий на самом деле два автономных разряда, замыкающихся на окружающую «землю»; 2) одноэлектродный ЕВЧР, в котором второй электрод отсутствовал.
Описываются использованные методики корректного получения ВАХ ЕВЧР. Показывается, что надежно получить ВАХ ЕВЧР можно лишь в разряде с одним заземленным электродом. При этом детально исследованы ВАХ в цепях активного и заземленного электродов.
Приведены результаты измерений сдвига фаз между ВЧ напряжением и током в различных точках ВАХ ЕВЧР.
25
Исследована зависимость ВАХ ЕВЧР от межэлектродного расстояния (1 в целях выяснения условий перехода двухэлектродного разряда в одноэлектродный.
В процессе изучения скачкообразного перехода из а-разряда в у-разряд обнаружена и объяснена значительная зависимость характера этого перехода от рода газа.
Значительный объем экспериментальной информации получен о «нормальном» режиме ЕВЧР среднего давления. В частности, установлено, что с ростом межэлектродного расстояния (1 сокращается интервал токов «нормального» режима, таким образом, для конкретной разрядной трубки существует такое критическое расстояние что при б>(1 ,л «нормальный» режим не реализуется.
Исследован и объяснен характер изменения ВАХ ЕВЧР при монотонном уменьшении давления газа от средних значений до низких.
Проведено экспериментальное изучение зависимости ВАХ ЕВЧР от таких параметров разряда, как род и давление газа, частота поля, расстояние между электродами, материал и форма электродов.
Обнаружены особенности перехода «слаботочного» ЕВЧР среднего давления в «сильноточный» в цепях активного и заземленною электродов, связанные с зависимостью от рода газа
Исследована зависимость ВАХ ЕВЧР с внешними электродами от материала диэлектриков, сильно различающихся значениями диэлектрической проницаемости (е„^1П ** 5, еш, *= 2000).
Производились исследования ВАХ ЕВЧР с разной конфигурацией электродов - плоской, с различными радиусами кривизны и сетчатой.
Проведена классификация возможных видов ВАХ ЕВЧР.
В процессе получения семейства ВАХ ЕВЧР для различных межэ-лектродных расстояний обнаружено проявление «батарейного» эффекта в
26
разряде, которое было использовано для разработки оригинального метода диагностики асимметрии квазистационарных полей у электродов, а также - составляющих полного импеданса разряда.
В целях дополнительного выяснения физического механизма ЕВЧР, проведено сравнительное изучение ВАХ двухэлектродною и одноэлек-тродного разрядов. Экспериментально показано, что при достаточно больших межэлектродных расстояниях двухэлектродный симметричный ЕВЧР существует в виде двух независимых одноэлектродных разрядов.
Установлено, что а-ветви ВАХ двухэлектродного и одноэлектродною разрядов идентичны по своим свойствам, а у -ветвь двухэлектродного разряда принципиальным образом отличается от верхней ветви одноэлектродного разряда после скачка на ВАХ. Последняя отличается от а-ветви только углом наклона, определяемым величиной эффективной емкости разрядного промежутка, существенно возрастающей после возникновения одноэлсктродною ЕВЧР.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям физического явления возникновения электронных пучков с поверхностей, ограничивающих объем межэлектродного пространства ЕВЧР низкого давления. При этом основное внимание уделяется экспериментально обнаруженным приэлектродным электронным пучкам( ПЭГ1 ), как главному фактору проявления граничных эффектов в исследуемом разряде. Существенным моментом для продвижения в изучении этой составляющей механизма ЕВЧР явилось предсказание и экспериментальное обнаружение явления испускания электронных пучков диэлектрическими стенками полости, ограничивающей газоразрядный объем.
Описываются исследования характера движения электронов в при-электродной области ЕВЧР, выполненные целым рядом экспериментальных методов. С помощью ориентированною плоского зонда Ленгмюра обнаружена анизотропия функции распределения электронов по энергиям
27
и электронных потоков. В результате сравнительною изучения характера свечения в приэлектродной области ЕВЧР и области катодного падения ТРПТ при включении в этих областях постоянного магнитного поля установлена идентичность поведения свечения в обоих случаях, что указывает на одинаковый характер движения электронов в этих областях. Аналогач-ный вывод следует из исследований пространственно-временной структуры свечения ЕВЧР различными оптическими методами, включая сверхскоростную фотосъемку и поляризационную спектроскопию.
В итоге, на основании полученных экспериментальных данных установлено существование в ЕВЧР низкого и среднего давления ПЭП и выяснен механизм их формирования. Приведено описание экспериментов по обнаружению электронных пучков со стенок разрядной трубки, подтвердивших существование последних.
Описаны использованные методы измерения параметров электронных пучков в ЕВЧР - плотности псЪ и средней скорости у,ь электронов. Анализируется физический смысл параметров пучков, измеряемых различными методами. С помощью приложения продольного постоянною магнитного поля по величине измеренного ларморовского радиуса определялась средняя скорость стеночных электронных пучков. Измерения усредненных по времени и распределению в пучке скоростей ПЭП производились разработанным С. А. Казанцевым в ЛГУ методом, включавшем в себя измерительно-вычислительный комплекс Ф-36, по формуле
77 - 1.76 X М7Н хй-+-уд ,
2у0
где координата х„ отсчитывается от оси трубки, у0 -от электрода.
При повышенных энергиях ПЭП (сл 2 2кэВ) применялся упрощенный вариант упомянутого выше метода с использованием разрядной трубки особой конструкции. Информация о скоростях ПЭП \л получалась
28
также с помощью энергоанализатора заряженных частиц с тормозящим электростатическим полем, работавшим в квазнстацнонарном режиме и с разрешением по времени.
Подобные измерения как скоростей ул, так и плотности п,*, ПЭП, стали возможны благодаря использованию резко асимметричного ЕВЧР. Плотности пЛ измерялись в ЕВЧР низкого давления с помощью оригинального высокочувствительного спектроскопического метода.
Описываются результаты экспериментального изучения степени проявления ПЭП в зависимости от рода газа, материала и конфигурации электрода, выбора У0- или 10- режима разряда.
Упрощенным магнитооптическим методом измерены средние энергии 7^ электронов пучка в зависимости от амплитуды ВЧ напряжения в асимметричном ЕВЧР, получено хорошее соответствие эксперимента и теоретических литературных данных . Совместно с группой С.А. Казанцева из ЛГУ оптико-магнитным спектроскопическим методом измерены усредненные по времени скорости \'л ПЭП для значительно различающихся частот ВЧ поля - I МГц и 100 МГц и низких давлений ( р< 10*’ Тор ), когда при высоких частотах появляется дополнительный механизм ускорения «плазменных» электронов - стохастическое ускорение электронов осциллирующей границей ПСГ13, обогащающее группу низкоэнергетичных электронов в области повышенных энергий. Анализируется вклад различных физических механизмов в процесс формирования полученных зависимостей \'Л(У.). Приводятся также результаты измерения средних энергий электронных пучков, испускаемых диэлектрическими стенками разрядных трубок.
Анализ экспериментальных результатов показал близость параметров ПЭП ЕВЧР у-типа и характеристик электронных пучков в области катодного падения ТРПТ. В итоге, даны рекомендации для осуществления
29
форсирования параметров НЭП ЕВЧР с целью превращения последнего в пучково-плазменный разряд.
В целях определения характерного пространственного масштаба влияния граничных эффектов, формирующих приэлектродную плазму, экспериментально изучались процессы релаксации ПЭП по импульсу и энергии, для чего получались пространственные распределения интенсивности спектральных линий 1л(х) и их степени поляризации Рх(х).
Описывается разработанный оригинальный метод контроля процесса релаксации пучка по импульсу с помощью регистрации пространственного распределения амплитуды осцилляции интенсивности спектральных линий (или интегрального излучения) на частоте ВЧ поля 1*(х), в отличие от традиционной поляризационной методики, пригодный и при давлениях газа р >10'* Тор.
Приводятся результаты двух серий исследований релаксации ПЭП при повышенных (10'1 Тор й р £ 10Тор) и пониженных (10° Тор < р < 10 'Тор) давлениях.
Кривые зависимостей 1я(х), Рд(х),обнаружившие экспоненциальный спад сигнала, позволяют изучать процессы формирования и релаксации пучков, измерять характерную длину релаксации пучка по импульсу 1р.
Полученные экспериментальные данные позволили установить характерные сечения рассеяния ПЭП: порядка обычных газокннетических ~ 10"|6смг при повышенных давлениях и а »сг„ -10 й'см2 - при низких давлениях ( р<10 “ Тор ). В последнем случае аномально быстрая релаксация ПЭП объясняется возникновением в разряде черенковской пучково-плазменной неустойчивости ( ППН ), оценка инкремента д' которой дает разумные значения, удовлетворяющие условию 2Г Полученные в
эксперименте длины релаксации пучков [р близки к оцененным характерным длинам раскачки ППН.