ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 2, с. 167-173
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ =
УДК 533.9.01
ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННОГО ПОЛЯ НА ПРИЭЛЕКТРОДНУЮ ОБЛАСТЬ НЕОДНОРОДНОГО СВЧ-РАЗРЯДА В ВОДОРОДЕ
© 2014 г. Ю. А. Лебедев, И. Л. Эпштейн, Е. В. Юсупова
Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, Москва E-mail: lebedev@ips.ac.ru Поступила в редакцию 17.01.2013 г.
Методом эмиссионной спектроскопии изучено влияние постоянного электрического поля на приповерхностную плазму электродного микроволнового разряда (ЭМР) при давлениях 1—5 Тор в водороде. Получены вольт-амперные характеристики ЭМР по постоянному току, значения напряженности СВЧ-поля и его пространственные распределения в приэлектродном слое ЭМР. При положительном напряжении на электроде относительно камеры изменения в структуре разряда незначительны и при определенных напряжениях, зависящих от давления и СВЧ-мощности, происходит пробой слоя пространственного заряда у поверхности разрядной камеры. При отрицательном напряжении на электроде (режим СВЧ плазменного катода) изменяются структура и размеры разряда и при больших токах разряд гаснет.
DOI: 10.7868/S0040364414020136
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к исследованию плазмы, создаваемой электродным микроволновым разрядом (ЭМР) во внешнем постоянном поле, вызван рядом задач, таких, как обработка поверхностей, рост пленок на них, и плазменная аэродинамика. Изучение такого разряда дает возможность получения новых методов управления параметрами плазмы. Более того, было показано, что ЭМР может быть использован в качестве плазменного катода [1], поэтому возникает необходимость исследования его характеристик в присутствии внешнего постоянного электрического поля.
Ранее были проведены исследования электродного микроволнового разряда в азоте в постоянном электрическом поле [1, 2]. Было показано, что поле изменяет структуру и форму разряда. Были получены напряженности СВЧ-поля. Также было показано, что постоянное напряжение практически не влияет на колебательное распределение молекул азота в состоянии С3ПН.
В данной работе оптическими методами исследовалось влияние постоянного электрического поля на приэлектродную область электродного микроволнового разряда в водороде при давлениях 1—5 Тор. ЭМР в водороде без постоянного поля исследован в [3—7]. Основное отличие водорода в том, что главным механизмом возбуждения тяжелых частиц и ионизации в водороде является электронный удар [6], в то время как в азоте важна роль электронно-возбужденных молекул [2]. Исследование позволит определить влияние кинетики частиц плазмы на закономерности влияния постоянного поля на СВЧ-разряд.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Измерения проводились на установке, подробно описанной в [1, 2]. Разрядная камера представляет собой металлический цилиндр из нержавеющей стали диаметром 15 см. С торца верхней части разрядной камеры через вакуумный переход вводится электрод-антенна (медная цилиндрическая трубка с внешним диаметром 5 мм). В обычном режиме горения ЭМР электрод (антенна) закорочен на камеру и имеет тот же потенциал, что и заземленная камера. В настоящей работе электрод не имел гальванической связи с камерой. Чтобы не нарушать условия распространения электромагнитной волны в коаксиально-волно-водном переходе и предотвратить излучение СВЧ-энергии в окружающее пространство со стороны электрода, была разработана система с четвертьволновым СВЧ коаксиальным поршнем, обеспечивающим короткое замыкание по СВЧ-сигналу и разрыв по постоянному току. Внешняя цепь постоянного тока (балластный резистор 8 кОм, источник постоянного напряжения от —300 до +1200 В) позволяла изменять и измерять напряжение между электродом и заземленной камерой в пределах от —100 до +300 В и измерять ток.
Электромагнитная волна (падающая мощность до 180 Вт, поглощенная плазмой мощность РаЬ5 находились в пределах от 5 до 50 Вт, частота — 2.45 ГГц) в режиме непрерывной генерации вводилась в разрядную камеру с помощью коакси-ально-волноводного перехода. СВЧ-тракт включал в себя циркулятор, измерительную линию и измеритель падающей мощности Р1п. Измерительная линия использовалась для определения
А i ш
2
Рис. 1. Схема спектральных измерений: 1 — электрод, 2 — плазма, 3 — линза, 4 — коллиматор, 5 — световод, 6 — спектрограф.
1 Тор, 80 Вт
-200 В -100 В 0 В 100 В 150 В
о V и
-200 В -100 В 0 В 100 В 150 В
-200 В -100 В 0 В 100 В 200 В
V т W
-200 В -100 В 0 В 100 В 150 В
-200 В -100 В 0 В 100 В 150 В
1 Тор, 100 Вт
2 Тор, 80 Вт
2 Тор, 100 Вт
5 Тор, 100 Вт
Рис. 2. Фотографии ЭМР при разных давлениях и разных постоянных напряжениях.
коэффициента стоячей волны напряженности (КСВН) и отраженной от разрядной камеры мощности РгеГ .
Камера снабжена кварцевыми окнами для наблюдения разряда. ЭМР зажигается в окрестности конца электрода-антенны. Светящаяся область разряда представляет собой радиально-симметричную структуру с яркой приэлектрод-ной областью (область самостоятельного разряда) и шаровой внешней областью с резкой границей (область несамостоятельного разряда). Область, занимаемая светящейся плазмой, много меньше объема камеры. Для визуализации разряда и исследования спектров излучения в диапазоне 300— 700 нм установка оборудована спектрометрами Луа8рее-2048 (разрешение — 10 А) и Луа8рее-2048-4-ЯМ (разрешение — 1 А), наносекундной электронно-оптической видеокамерой К-008, работающей в режиме непрерывной регистрации. Кварцевый конденсор проектировал изображение плазмы в плоскости расположения входной апертуры подвижного световода (рис. 1). Световод мог перемещаться вдоль направлений, параллельных оси разрядной системы, совпадающей с
осью электрода, и в радиальном направлении (пространственное разрешение системы не менее 0.1 мм).
Исследование проводилось в проточной системе. Напуск водорода осуществлялся через канал в крышке камеры. Он контролировался и управлялся расходомером. Расход газа составлял 100 см3/мин при нормальных условиях. Давление в разрядной камере поддерживалось в пределах 1—5 Тор и измерялось баратроном (Baratron). Стабилизация давления осуществлялась регулируемым клапаном, включенным в систему автоматического управления.
Основное внимание в настоящей работе уделялось изучению приэлектродной области ЭМР.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Разряд в водороде имеет четко выраженную структуру: яркий приэлектродный слой, окружающую его внешнюю шаровую область (см. рис. 1) и темное пространство, простирающееся до стенок камеры. Размеры ЭМР в водороде уменьшаются при повышении давления и увеличиваются с ростом поглощаемой мощности (рис. 2). Структура разряда зависит от полярности и величины подаваемых постоянных напряжений. При положительных напряжениях на электроде относительно камеры структура и размеры разряда практически не изменяются. При отрицательных напряжениях (режим плазменного катода) структура разряда меняется, особенно в приэлектродной области, где он уменьшается в размерах и становится неоднородным (область большей интенсивности излучения концентрируется у торца электрода в его центральной области — см. рис. 2). При больших отрицательных напряжениях на электроде разряд гаснет. Напряжение погасания зависит от давления и СВЧ-мощности: оно растет при увеличении СВЧ-мощности и постоянном давлении и уменьшается при увеличении давления и постоянной СВЧ мощности. Разряд в азоте ведет себя аналогичным образом [1].
Получены вольт-амперные характеристики ЭМР по постоянному току (рис. 3). При положительных напряжениях на электроде относительно камеры постоянный ток слабо увеличивается с ростом напряжения (ток насыщения) и не превышает нескольких миллиампер. При больших положительных напряжениях ток резко возрастает (пробой плазменного слоя у стенки камеры). При отрицательных напряжениях на электроде ток резко увеличивается (см. рис. 3), достигает тока насыщения, зависящего от СВЧ-мощности и давления. При постоянных токах, когда ионизация в СВЧ-поле оказывается недостаточной для компенсации убыли зарядов дрейфом в постоянном поле, СВЧ-разряд гаснет. Ток погасания зависит от СВЧ-мощности.
3
4
5
z
Вольт-амперная характеристика ЭМР по постоянному току напоминает вольт-амперную характеристику (ВАХ) одиночного электрического зонда [8—11]. Можно предположить, что электрод (антенна), обладающий малой геометрической поверхностью по сравнению с поверхностью камеры, является аналогом измерительного зонда в однозондовой схеме, а камера играет роль проти-возонда. Однако в таком случае наблюдается несоответствие — ветвь, описывающая ионный ток насыщения, образуется при положительных напряжениях, а не при отрицательных, как в обычной зондовой системе. Объяснение этому несоответствию было найдено при одномерном моделировании разряда [1]. Суть его заключается в том, что область у СВЧ-электрода является активной областью разряда с большим числом свободных носителей заряда и, соответственно, с малым сопротивлением. Концентрация электронов падает при удалении от электрода. Из зондовой теории следует, что в неоднородной плазме соотношение эффективных поверхностей зонда и противозон-да, кроме прочего, зависит от соотношения концентраций в их окрестностях, и чем меньше концентрация электронов, тем меньше эффективная поверхность [12]. Поэтому приложенное постоянное напряжение концентрируется не у поверхности геометрически малого электрода (как в зондовой схеме), а у поверхности разрядной камеры. Другими словами, полученная вольт-амперная характеристика является действительно аналогом зондовой характеристики, однако она определяется слоем пространственного заряда у стенки разрядной камеры. Сходная ситуация известна, как зондовая схема с эмитирующим зондом, что ведет к увеличению эффективной поверхности тела малых размеров [13—16]. При больших положительных напряжениях на электроде (отрицательных относительно стенки) происходит пробой у поверхности камеры, постоянный ток начинает резко увеличиваться и камера становится катодом разряда постоянного тока. Такая ситуация наблюдается и при зондовых измерениях, однако этого режима стараются избегать, поскольку в э
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.