Введение
Цель работы – экспериментальное исследованиепараметров плазы емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР).
Задачи:
– изучить литературу по газовому разряду;
– провести наблюдения и эксперименты поопределению параметров плазмы ЕВЧР;
Объектом исследования является ЕВЧР в воздухе, аргоне.
Предметом исследования являются параметры плазмы тлеющегоразряда.
Данная работа состоит из введения, двух глав,заключения.
В первой главе изложены теоретические сведения обэлектрическом разряде в газах и подробно о емкостном высокочастотном разряде.Изложена теория метода зондов Ленгмюра.
Во второй главе рассказывается об описании экспериментальнойустановки, построении кривых Пашена для различных газов при разных частотах, определениипараметров плазмы (электронной температуры, концентрации и подвижностиположительных ионов), нахождение скачков потенциала в приэлектродном слоепространственного разряда в аргоне бесконтактным методом.
Актуальность исследования. Несмотря на трехсотлетнююисторию изучения газового разряда и его обширное применение, пока еще несоздана окончательная теория разряда, включающая в себя все виды, результатыкоторой удовлетворительно совпадали бы с экспериментальными фактами. Поэтомулюбое уточняющее исследования дает свой вклад в развитие этого направления.
Историческая справка
Само название разряд произошло от названиямедленно протекающего процесса потери заряда заряженными металлическими телами,расположенными на подставке из изолятора.
Кулон доказал, что заряд стекает с проводникачерез воздух, то есть имеет место газовый разряд. Разряд при низких давленияхвоздуха открыл и исследовал Фарадей – этот разряд стал известен как тлеющий. В конце XIX века исследованиепроводимости разреженных газов привело Дж. Дж. Томсона к открытию первойэлементарной частицы – электрона, а дальнейшие исследования физики газовогоразряда во многом послужили экспериментальной основой атомной и квантовойфизики [14].
Основателем физики газового разряда являетсяТаунсенд, создавший теорию пробоя газа и установивший закономерности ионизации.Весьма значительный вклад в физику газового разряда был внесен Ленгмюром,который ввел фундаментальное понятие – плазма, а также развил методыисследования плазмы, в частности, метод зондов.
Современная физика термин газовый разрядопределяет не только как процесс протекания тока через газ, но и любой процессвозникновения ионизации газа под действием приложенного электрического поля.При этом поле может быть не только постоянным во времени, но и быстропеременным– высокочастотным (ВЧ-разряд), сверхвысокочастотным (СВЧ-разряд) и дажеоптического диапазона (оптический разряд). В последнее время был открытпучково-плазменный разряд, загорающийся при прохождении электронного пучкачерез газ малой плотности вследствие возникновения в такой системе плазменныхколебаний СВЧ-диапазона [13].
1. Емкостной высокочастотный разряд
1.1 Общие сведения о газовом разряде
В обычных условиях воздух и другие газы являются хорошимиизоляторами. Если взять два металлических электрода, разделенных между собойнебольшим воздушным промежутком, и подключить их к источнику тока, то цепьокажется разомкнутой, но если в воздушном промежутке имеются заряженные частицы– ионы и электроны, то под действием электрического поля они двигаются кэлектродам.
Заряженные частицы могут образовываться вследствие фотоэффекта приосвещении электродов ультрафиолетовым светом, при прохождении через воздушныйпромежуток рентгеновских или космических лучей и т.д. Прохождение тока черезпромежуток между электродами происходит только в присутствии источника,вызывающего появление заряженных частиц. Такой разряд называется несамостоятельным.Он прекращается, когда убирают источник ионизации [8].
При достаточно высоком напряжении на электродах возникает самостоятельныйгазовый разряд. Под действием электрического поля между электродамизаряженные частицы в воздушном промежутке приобретают значительную кинетическуюэнергию, которую передают при упругих соударениях молекулам газа, а также электродам.В результате за счет энергии источника тока происходит разогревание газа иэлектродов. Число заряженных частиц в воздушном промежутке начинает резковозрастать за счет ионизации атомов и молекул и эмиссии заряженных частиц сэлектродов. Начавшийся газовый разряд сам поддерживает себя и не нуждается вовнешних источниках ионизации. Газ, имеющий высокую температуру и состоящий иззаряженных и нейтральных частиц, называется плазмой. При самостоятельномгазовом разряде между электродами всегда образуется плазма.
Для возникновения газового разряда достаточно приложить кэлектродам высокое напряжение. Для пробоя воздушного промежутка в несколькомиллиметров нужно напряжение около 10 кВ. Пробойное напряжение приатмосферном давлении растет с ростом ширины промежутка. Зависит оно также отформы электродов. Промежуток между остроконечными электродами пробивается приболее низком напряжении, чем промежуток между плоскими электродами [6].
1.2 Тлеющий разряд
Тлеющий разряд – это самоподдерживающийсяразряд с холодным катодом,испускающим электроны в результате вторичной эмиссии, главнымобразом под действием положительных ионов [7].
емкостныйразряд ленгмюр зонд
/>
Рис. 1. Тлеющий разряд
Его отличительным признаком является существование вблизи катодаслоя определенной толщины с большим положительным объемным зарядом, сильнымполем у поверхности и значительным падением потенциала 100–400 В и более. Ононазывается катодным падением. Толщина слоя катодного падения обратнопропорциональна плотности или давлению газа. Если межэлектродное расстояниедостаточно велико, между катодным слоеми анодом образуетсяэлектронейтральная плазменная область, где поле относительно небольшое.Серединную, однородную часть ее называют положительным столбом. От анодаон отделяется анодным слоем.
Положительный столб тлеющего разряда постоянного тока – наиболееярко выраженный и распространенный пример слабо ионизированнойнеравновеснойплазмы, которая поддерживается электрическим полем. В отличие откатодного слоя, без которого тлеющий разряд существовать не может,положительный столб не является его неотъемлемой частью. Если в результатеобразования катодного слоя промежуток между электродами оказывается исчерпанным,столба нет. Но если не хватает расстояния на формирование должного катодногослоя, тлеющий разряд не загорается.
1.3 Способы возбуждения высокочастотных разрядов
Подвысокочастотным (ВЧ) обычно понимают используемый в разрядной практике диапазончастот f= ω/2π~ 1 ÷ 100 МГц. Все виды ВЧ разрядов можноразбить на две большие группы, различающиеся способами возбуждения ВЧ поля вразрядном объеме: индукционные и емкостные [8].
Индукционныеметоды основаны на использовании явления электромагнитной индукции, в результатечего линии возбужденного электрического поля оказываются замкнутыми, а самополе – вихревым. При емкостном способе ВЧ напряжение от генератора подается наэлектроды, линии электрического поля начинаются и заканчиваются на них, а полеявляется с большой степенью точности потенциальным.
Простейшая и наиболее распространенная схемаиндукционного разряда показана на рис. 1.а.
/>/>
а) б) в) г) д)
Рис. 1 Основные схемы возбужденияиндукционного (а) и емкостных (б-д) разрядов: б – с плоскими оголеннымиэлектродами; в-с плоскими изолированными электродами; г – электроды вынесены запределы разрядной камеры; д – одноэлектродный разряд (вторым «электродом»служит земля).
Через катушку-соленоид, которая может состоять изнескольких 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, замкнутыелинии которого концентричны с первичным ВЧ током. Это электрическое поле можетвозбуждать и поддерживать разряд в газе. Для этого внутрь соленоида помещаютдиэлектрическую трубку или сосуд, наполненные исследуемым газом при нужномдавлении. Часто газ прокачивают по трубке, и тогда из нее вытекает плазменнаяструя. Индукционный разряд является безэлектродным.
Простейшие ишироко распространенные схемы емкостного разряда показаны на рис. 1 (б и в).В сосуд с исследуемым газом при определенном давлении помещают два плоскихпараллельных электрода и к ним прикладывают напряжение от ВЧ генератора.Электроды могут быть одинаковыми, могут быть разных площадей, что бываетполезным для практических целей. Поскольку для переменного тока электрическаяцепь проводников не обязательно должна быть замкнутой и может содержатьнепроводящие участки, электроды можно изолировать от проводящей разряднойплазмы диэлектриками, как показано на рис. 1.г.
Разряд между изолированными электродами (рис. 1.в,г)можно, как и индукционный, назвать безэлектродным в том смысле, чторазрядная плазма не соприкасается с электродами. Если интересоваться сущностьюфизических процессов, то между схемами электродного (рис. 1.б) и«безэлектродного» (рис. 1.в, г)емкостных разрядов нет принципиальнойразницы. В отношении определяющих процессов и металл, и диэлектрик,соприкасающийся с ионизированным газом ВЧ разряда, ведут себя одинаковымобразом.
Индукционный способ обычно используют дляподдержания ВЧ разряда при высоких давлениях (порядка атмосферного). Важнейшейобластью применения индукционных ВЧ разрядов является создание чистой плотнойнизкотемпературной равновесной плазмы типа дуговой с давлением Р~1 атм. и температуройT~10000К. Индукционный ВЧразряд используется для производства сверхчистых тугоплавких материалов,абразивных порошков и др.
Емкостный способ, как правило, применяют дляподдержания ВЧ разрядов при средних (Р~1÷100Торр) и низких (Р~10-3÷1Торр)давлениях. Плазма при этом получается слабо ионизированной, неравновесной, какплазма тлеющего разряда. ВЧ разряды среднего давления применяются длявозбуждения СО2-лазеров, а ВЧ разряды низкого давления – для ионноговоздействия на материалы и другой плазменной технологии.
К группеемкостных следует отнести и так называемый одноэлектродный или факельныйразряд. В этом случае в явной форме присутствует только один электрод, накоторый и подают ВЧ напряжение (рис. l.д). Около него зажигается разряд, который имеетвид плазменного факела. На самом деле в системе присутствует второй «электрод» –им служит земля или заземленные стенки камеры, с которыми факел, т.е. разряднаяплазма, связан емкостным (реактивным) током. Поле в системе электрод – землясильно неоднородное и подобно коронному разряду, который виден лишь у острия,где сконцентрировано поле. Разряд проявляется лишь в виде плазменного факелаоколо электрода.
1.4 Простейшая модель высокочастотного емкостногоразряда
Приэлектродныеслои пространственного заряда (ПСПЗ)
Пусть разрядгорит между плоскими электродами и поперечные размеры его 2R гораздо большемежэлектродного расстояния L, так что процесс можно считать одномерным. Будемотсчитывать координату Х от левого электрода, а электрический потенциал – отправого, заземленного. Высокочастотное напряжение подается на левый электрод.
В момент начального зажигания при подаче наэлектроды достаточно высокого напряжения, в газе происходит пробой и образуетсяплазма. Будем рассматривать стационарный разряд, в котором все процессыпротекают строго периодическим образом с неизменными во времени амплитудами.Даже при весьма низкой плотности электронов (/>)и характерной для разрядной плазмы электронной температуре Tе=1эВ дебаевский радиус rd=0,05сm много меньшемежэлектродных расстояний L~1÷5сm; поэтому в серединной части промежутка плазмаэлектронейтральна. Однако вблизи электродов электронный газ, совершая колебанияотносительно малоподвижных ионов, периодически то «заливает», то обнажаетположительные заряды. Это является первопричиной появления вблизи границприэлектродных слоев положительного пространственного заряда. Приэлектродныеслои это слои, когда металлические электроды изолированы от разрядной плазмыдиэлектриками.
Качественнаякартина изменения плотности зарядов, поля и потенциала
Будемсчитать, что плотность «неподвижных» ионов постоянна в пространстве, будучи одинаковой,в плазме и в приэлектродных слоях (в дальнейшем – просто в «слоях»). В однороднойплазме, очевидно, однородно и электрическое поле. Следовательно, электронныйгаз повсюду (как целое) колеблется с одинаковой амплитудой Aоколо среднего положения.Те электроны, которые в момент прохождения средней точки, отстояли отэлектродов на расстояниях, меньших амплитуды A, в результате первых жекачаний соприкасаются с металлом и навсегда уходят в него (а если электродпокрыт диэлектриком – необратимо прилипают к поверхности последнего). Припоследующих качаниях электроны лишь на мгновение касаются твердых поверхностей.
Такимобразом, в момент прохождения электронным газом положения равновесия по обестороны плазмы остаются слои некомпенсированного положительного заряда толщинойA. При этом газ в целом оказывается заряженным положительно. Картинакачаний электронного газа в предположении об отсутствии диффузионных потоковзарядов к электродам и диффузионного размытия границ между плазмой и слоямипоказана на рис. 2 через каждые четверть периода. Согласно уравнениюэлектростатики
/> (1)
Внутри слоев, где ne= 0, a n+ = const, мгновенное поле Елинейным образом зависит от х, а соответствующий потенциал
/>/>
Рис. 2 Схема качания электронного газа:штриховые линии – плотность ионов постоянна; сплошные – распределение ne (x, t) через каждые четвертьпериода
/> (2)
изменяется с х по параболическому закону.
В плазме, где Еот хнезависит, мгновенный потенциал изменяется в пространстве по линейному закону(рис. 3). Ток в плазме чаща всего в большей своей части является токомпроводимости, во всяком случае, в разрядах среднего давления. Следовательно,разрядный ток jбольшую часть периода направлен в ту же сторону, что и поле в плазме Ер.Это показано стрелками на рис. 3.
/>
Рис. 3 Распределение поля и потенциала междуплоскими электродами, соответствующие распределениям n+, ne (стрелками показанынаправления тока j)
Токи зарядов на электроды в приближениинеподвижных ионов, мгновенного касания плазмой электродов и отсутствияэлектронной диффузии, т.е. теплового движения, также отсутствуют.
В среднем по времени синусоидальный потенциаллевого электрода, так же как и потенциал заземленного правого, равен нулю.Потенциал же плазмы (относительно электродов) всегда положителен. Соответственно,в слоях поле в среднем направлено к электродам. Это объясняется тем, что впромежутке газ в целом заряжен положительно, а потому обладает в среднемпостоянным положительным потенциалом V. В отличие отрассматриваемой упрощенной модели в реальных условиях, из плазмы в слой всевремя поступает относительно небольшой тепловой поток ионов. В разрядах низкогодавления ионы проходят слой почти без столкновений и набирают под действиемполя энергию порядка постоянного потенциала плазмы. Она может составлять сотниэлектрон-вольт [15].
Системауравнений для определения параметров разряда
Рассмотримописанную выше картину, пользуясь уравнениями движения электронов в поле иэлектростатики. Обозначим через d1 и d2мгновенные толщины левого и правого слоев. Вотсутствие токов зарядов на электроды суммарные заряд и толщина двух слоевостаются неизменными:
en+d1+ en+d2 = const, и d1 + d2 = 2A (3)
Согласно (1)поля в левом (Е1) и правом (Е2) слоях распределены как
Е1= Ер – 4πen(d1 – x), E2 = Ep + 4πen [x – (L – d2)] (4)
Потенциалыплазмы относительно левого и правого электродов, т.е. мгновенное падениенапряжения в слоях, равны
V1= 2πend12, V2 = 2πend22(5)
Ep= V/L + 8πen (A/L) y, y = d1 – A(6)
Онопараметрическим образом связывает Ерсо смещением у левойграницы плазмы (равным также смещению любого электрона из среднего положения).С другой стороны, смещение подчиняется общему уравнению движения электрона. Приэтом υ = y’’, а под Еаsinωtследует подразумеватьполе в плазме Ер. Подставляя в общее уравнение движенияэлектрона поле Ер, взятое из (6), и используя выражение
ωр= 5,64*104 (ne)1/2 c-1 (7)
дляплазменной частоты, получаем уравнение для смещения электронов плазмы:
/> (8)
Дальше удобнее оперировать гармоническимивеличинами в комплексной форме. Пусть к электродам приложено напряжение V=Vaeiωt.Установившеесярешение уравнения (8) есть
/> (9)
Приравнивая действительную амплитуду смещения увеличине A,которой она равна по определению, имеем
/> (10)
Это – алгебраическое уравнение четвертой степениотносительно A.Корень уравнения, который имеет физический смысл, определяет амплитудуколебаний электронов в зависимости от амплитуды напряжений Vа, частоты ω иплотности плазмы п. Последняя входит в (10) через ωр ввиде неизвестного пока параметра.
Как известно плотность плазмы связана самплитудой поля в ней Ер, ауравнением баланса числа зарядов,например условием ионизационно-рекомбинационного равновесия (11):
υi, ВЧ (Еа) = υрек= βn(11)
Согласно (6) поле в плазме
/> (12)
Тем самым замыкается система уравнений модели,определяющая все параметры разряда. Уравнения (10) и (11) с амплитудой Ер,а, определенной из (12), образуют систему двух уравнений длянахожденияА и п в зависимости от приложенного напряжения (Vа и ω). Зная их,можно вычислить любые другие величины, например ток и импеданс разряда, а такжепостроить ВАХ.
Разрядныйток
Плотностьразрядного тока, т.е. тока, текущего во внешней цепи и, в частности, черезэлектроды, по определению равна скорости изменения плотности поверхностногозаряда qна левом электроде (с учетом выбранногонаправления оси х).Электрод можно считать идеальным проводником.Поля, а потому и тока смещения Е/4πв нем нет. Плотность отрицательногозаряда qна электроде совпадала бы по модулю с количеством положительногозаряда в левом слое на единице площади end1, если бы плазма была такжеидеальным проводником. В плазме имеется весьма заметное поле Eр, которое призваноподдерживать ток и, возможно, состояние ионизации. Согласно законамэлектростатики оно связано с плотностями поверхностного заряда равенством
/> (13)
Дифференцируя равенство (13) по времени, находим плотностьразрядного тока в видe
/> (14)
Величина jне зависит от х, будучиодинаковой, во всех сечениях разрядного промежутка. Первое слагаемоепредставляет собой плотность тока электронов (проводимости плюс поляризации),второе – «чистый» ток смещения. Появление последнего в выражении для сохраняющейсявеличины j– следствие несовершенства проводящих свойствплазмы. Именно по этой причине заряд в слое отличается по модулю от q, не успевая мгновеннореагировать на изменение заряда на электроде, который поступает из внешней цепи(или уходит во внешнюю цепь) под действием ЭДС источника питания. Подставив в(14) Ериз (6), придадим выражению для плотности тока вид
/> (15)
В отсутствие разряда (при п = 0) остаетсятолько второе слагаемое. Это реактивный ток, который течет через «вакуумный»конденсатор, образованный двумя электродными пластинами.
Зажигание разряда и появление первого слагаемого вэлектрическом отношении равносильно подключению параллельно конденсаторунекоего комплексного сопротивления (рис. 4), ибо согласно (9) первоеслагаемое также пропорционально напряжению V.
/>
Рис. 4 Схемы разрядного промежутка: а) вотсутствии разряда; б) соответствующая разрядному току (15)
Однако появление достаточно хорошо ионизированнойплазмы внутри конденсатора столь резко меняет характер электрической системы,что более адекватной, является эквивалентная электрическая схема споследовательным включением элементов.
«Импеданс»разрядного промежутка с плазмой.
Подставляя (9) в (15) и совершая небольшоепреобразование, запишем
/> (16)
/>
Величина Z имеет смысл импеданса(комплексного сопротивления) наединицу площади промежутка междуэлектродами с плазмой внутри. Здесь электрическая система является нелинейной,так как величины А и п в Z сами зависят отамплитуды напряжения, т.е. они определяются уравнениями (10) и баланса числазарядов. Если найти и подставить функции А(Va) и n(Vа) в (16), можно получитьзависимость jaот Vа, т.е. ВАХ разряда. Несмотря на то, что А ип в (16) зависят от V, выражению для Z полезно датьинтерпретацию так, как будто А и n – фиксированные величины, т.е. как будто Z – истинный импеданc электрической системы.
В пределе достаточно сильной ионизации, когдаωp2 >> ω2 и ωр2 >>ωυm(ωp2 ~ n), что и в самом делесвойственно ВЧ разрядам, интерпретация очень наглядна. В этом предельном случае
/> (17)
/>
Где σt – комплекснаяпроводимость плазмы.
Величина 1/(8πА)есть эквивалентная емкость (на единицу площади) двух последовательновключенных емкостей, соответствующих слоям. Каждая из них по отдельностименяется во времени, но эквивалентная емкость двух слоев неизменна. Такимобразом, в соответствии с (17) электрическую систему можно рассматривать какпоследовательное соединение емкостей слоев комплексного сопротивления плазмы(рис. 5).
/>
/>
Рис. 5Схемы ВЧЕ разряда, соответствующие импедансу (17):
а) слоипредставлены отдельными емкостями;
б) емкостислоев объединены.
1.5 Две формы существования высокочастотногоемкостного разряда
ВЧЕ разряды, как правило, горят в одной из двухсильно различающихся форм. Внешне формы различаются интенсивностями ираспределениями свечения по длине разрядного промежутка, по существу – ионизационнымипроцессами в приэлектродных слоях, механизмами замыкания тока на электроды [8].
Интерес к данным процессам связывался сприменением ВЧЕ разрядов среднего давления для создания активной среды СО2-лазеров.Примерно в то же время резко возрос интерес и к ВЧЕ разрядам низкого давления,в основном в связи с их успешными применениями в плазменной технологии. В нихтакже проявляются две формы горения разряда, однако в случае низких давленийразличия между ними не столь явно бросаются в глаза как при средних давлениях.
Средние и низкие давления
ВЧЕ разряды в этих диапазонах давлений имеютдовольно заметные различия. Граница между диапазонами, конечно, весьма размыта,она зависит и от конкретного признака, по которому наблюдается различие, и отконкретных условий: размеров, геометрии, рода газа, частоты. Но в общем,условно ее можно провести где-то в районе Р~ 1 Торр.
Приведем некоторые из наиболее резко бросающихсяв глаза различий:
- Вα-разряде при средних давлениях наблюдается эффект нормальной плотноститока, при низких – нет. Это значит, что в первом случае на достаточно большомэлектроде разряд занимает не всю площадь, а во втором покрывает электродполностью. Если параллельные плоские электроды имеют разные площади, в первомслучае это не сказывается на размере токовых пятен на каждом из электродов, т.е.сам разряд все равно симметричен относительно средней между электродамиплоскости. При низких давлениях, напротив, разряд стремится заполнить всюплощадь электродов, и, следовательно, в асимметричной системе ток тожеасимметричен.
- Вразряде среднего давления α- и γ-переход происходит скачком: резкоперестраиваются структура разряда и слои, резко меняется плотность тока наэлектроде и ВАХ. В разряде низкого давления скачков не наблюдается, и нанепрерывной ВАХ появляется лишь излом.
- Вγ-разряде среднего давления в средней части межэлектродного промежуткаплазма обладает довольно значительной электронной температурой, малоотличающейся от таковой в α-разряде. При низких давлениях электроннаятемпература в плазме γ-разряда исключительно низка: гораздо меньше, чем вα-разряде.
Эти различиясвязаны с особенностями протекающих в разряде процессов и их закономерностями.
Краткая теория метода зондов Ленгмюра
Метод электрических зондов Ленгмюра позволяетопределить основные параметры плазмы (концентрацию, температуру,макроскопический потенциал и электрическое поле в плазме, направленную скоростьносителей заряда), определить функцию распределения электронов по скоростям.Этот метод является основным методом диагностики плазмы. Электрический зондЛенгмюра представляет собой небольшое по сравнению с общими размерами плазмы иэлектродов металлическое тело, вводимое в плазму, на котором можетподдерживаться определенный потенциал. Используются различные зонды: плоские,цилиндрические, сферические и т.п. Потенциал зонда задается и отсчитываетсяотносительно некоторого опорного электрода, потенциал которого не изменяется впроцессе измерения. Параметры плазмы определяются по вольтампернойхарактеристике зонда [3].
Электрическийток на зонд складывается из тока электронов и тока ионов. Если зонд имеетпотенциал, положительный относительно потенциала пространства невозмущеннойплазмы, то ионы отталкиваются от него, а электроны притягиваются. В противномслучае картина становится обратной.
Теория метода зондов Ленгмюра основывается нанескольких предположениях [6].
1. Электроны в невозмущенной плазме имеют максвелловскоераспределение по скоростям:
/> (18)
/> (19)
2. В окрестности зонда, помещенного в плазму,образуется слой пространственного заряда, полностью экранирующего за внешнейграницей слоя возмущающее действие зонда.
3. Характерный размер зонда значительно большетолщины слоя.
4. В слое пространственного заряда электроны иионы не испытывают соударений с тяжелыми частицами – атомами и ионами.
5. Если VV, электроны находятся втормозящем поле и в пределах слоя пространственного заряда их концентрацияраспределена по закону
Больцмана. />,где п е0– концентрация электронов в
невозмущенной плазме. Используя этипредположения, можно получить аналитические выражения, описывающиевольтамперные характеристики зонда. Например, плотность хаотичного токаэлектронов на зонд равна,
/> (20)
Из (18) имеем
/>/> (21)
Электронный ток на зонд при VVoбудет равен:
/> (22)
При V>Vэлектронный ток достигаетнасыщения:
/> (23)
Здесь S– площадь собирающейповерхности зонда.
Если отталкивающие частицы – ионы, то для ионноготока можно получить аналогичные выражения путем замены Те=Тi, m=М, φе =-φе.Ионныйток насыщения равен:
/> (24)
С уменьшением Vотносительно Voможно достигнуть такогоположения, при котором ионный и электронный токи сравняются по абсолютнойвеличине и полностью компенсируют друг друга, так что суммарный ток на зондобратится в ноль. Потенциал зонда, при котором это осуществляется, обычноназывается «плавающим потенциалом».
Он определяется из выражений для электронного иионного токов.
/> (25)
Вклад ионного тока в суммарный ток зонда,очевидно, существен только при VVпл.
2.Экспериментальное исследование емкостного высокочастотного разряда
2.1 Описание экспериментальной установки
Экспериментделался на двух газоразрядных трубках цилиндрической формы, изготовленные изсвинцового стекла. Длина одной трубки 280 мм, ее диаметр 18 мм. Кторцам трубки припаяны электроды промышленного производства фирмы Engineering Glass Laboratories марки 8СМС. Каждыйэлектрод представляет собой металлический «стакан» цилиндрической формы (длина19 мм, диаметр 8 мм). В трубке находится еще третий электрод,изготовленный и имеющий те же параметры, что и два последних. Он помещен вцентре трубки и в эксперименте играл роль зонда Ленгмюра. Ко всем тремэлектродам наружу выведены два гибких контактных провода из никелевого сплавадиаметром 0.8 мм (рис. 6).
/>
В трубкенаходится неон при давлении 0.1 мм рт. ст. Данную трубку использовали наметоде зондов Ленгмюра при частоте 4 МГц.
Другая трубкасодержит два электрода, расстояние между которыми 31 см, диаметр трубки3,85 см. Для того, чтобы закачать воздух или аргон в трубку принеобходимом давлении использовали неоновый завод Daco.
/>
Рис. 7Газоразрядная трубка с двумя электродами
/>
Рис. 8Схема неонового завода Daco
/>
Рис. 9 Схема реального ВЧ генератора ссогласующим элементом и разрядной нагрузкой
2.2 Методика измерений
Зависимостьнапряжения зажигания трубки от давления газа
/>
Рис. 10Принципиальная схема установки
Экспериментальнополученные кривые Пашена для аргона при различных частотах:
/>P*d, мм рт. ст.*мм U, В 77,5 720 167,7 257 275,9 550 288,9 600 310 688
/>P*d, мм рт. ст.*мм U, В 155 550 311 228 508 600 553 713
/>P*d, мм рт. ст.*мм U, В 194 2180 232,5 1760 387,5 170 536 1560 591 2200
Экспериментальнополученные кривые Пашена для воздуха при различных частотах:
/>P*d, мм рт. ст.*мм U, В 207 2200 232,5 1750 311 300 387,5 1800 405 2260
/>
P*d, мм рт. ст.*мм U, В 137 1110 193 750 310 240 465 1200
/>
Р*d, мм рт. ст.*мм U, В 77,5 1710 108,5 1330 225 190 341 1400 370 1750
Зондовые характеристики емкостноговысокочастотного разряда
В работепроводились также зондовые характеристики, позволяющие определить температуруэлектронов и концентрацию заряженных частиц. Для этого разрядная трубкавключалась по схеме (11):
/>
/>
/>
Достоинством методаявляется возможность проведения локальных измерений и сравнительная простотанеобходимого оборудования. К недостаткам можно отнести сложность теории и, какследствие, большую погрешность измерений и трудность ее оценки.
К зондуприкладывался отрицательный по отношению к аноду потенциал. С помощьювольтметра и микроамперметра поточечно снимается вольтамперная характеристика зонда.По графику определяется плавающий потенциал, отвечающий условию />. В нашем случае он равен 8.8В. На участке с /> ионный ток невносит значительного вклада в суммарный ток на зонд. Эта часть вольтампернойхарактеристики строится в полулогарифмическом масштабе.
/>
Рис. 12 Экспериментальнаязондовая характеристика
/>
Рис. 13 Полулогарифмическаязондовая характеристика
Из (24) имеем
/> (26)
При наличии вплазме максвелловского распределения на полулогарифмическом графикеобнаруживается линейный участок тангенс угла наклона этого участка, равен />. Отсюда определяетсяэлектронная температура:
/> (27)
В знаменателеэтой дроби стоит угловой коэффициент, определяемый следующим образом: налинейном участке логарифмической зондовой характеристики выбирается малыйинтервал /> и отвечающий ему интервал />. Их отношение равнотангенсу угла наклона линейного участка кривой.
Формулу (27)можно переписать в виде
/> (28)
В (28) токвыражен в амперах, напряжение в вольтах, а температура в градусах Кельвина.
Найденнаятаким методом электронная температура в нашем эксперименте оказалась равна 16800К.
Подвижностьположительных ионов в неоне при давлении 0.1 мм рт. ст. />
Концентрацияположительных ионов определялась по формуле:
/>, (29)
Где /> — ток на катод (в нашемслучае />), е – заряд электрона, /> — напряженность поля околокатода, /> — подвижность положительныхионов.
Отсюда находимконцентрацию: />Параметр Значение Напряжение зажигания аргона при частотах (1 МГц, 2 МГц, 4 МГц), В 250 – 750; 220 – 720; 150 – 2300 Напряжение зажигания воздуха при частотах (1 МГц, 2 МГц, 4 МГц), В 300 – 2300; 225 – 725; 180 – 1800 Напряжение потухания аргона при частотах (1 МГц, 2 МГц, 4 МГц), В 200 – 700; 150 – 600; 100 – 500 Напряжение потухания воздуха при частотах (1 МГц, 2 МГц, 4 МГц), В 200 – 1500; 150 – 500; 100 – 1000 Напряжение горения аргона при частотах (1 МГц, 2 МГц, 4 МГц), В 1500–2000 Напряжение горения воздуха при частотах (1 МГц, 2 МГц, 4 МГц), В 1500–1800, Электронная температура, К 16800
Ток горения, /> 60
Подвижность положительных ионов, /> 15200
Концентрация положительных ионов, />
/>
Исследованиевысокочастотного разряда в аргоне бесконтактным методом
Емкостной ВЧразряд (ЕВЧР) возникает в разряженном газе (0,1–100 мм рт. ст.),находящемся в электрическом поле между плоскими электродами. При этом мгновенноезначение тока между электродами есть сумма двух слагаемых: тока «смещения» итока проводимости. Ток «смещения», согласно уравнениям Максвелла пропорционаленскорости изменения вектора электрического поля, т.е. пропорционален частотеэлектрического поля от внешнего генератора высокой частоты [2].
Токпроводимости – это ток, возникающий движением электронов и ионов в светящемсягазе. Если величина тока смещения в среднем значительно превышает величину токапроводимости, то разрядный промежуток может быть в первом приближениимоделирован как емкость, включенная в цепь высокой частоты, и вычисления могутпроводиться по соответствующим формулам электротехники. Поэтому такой разряд,который может быть приблизительно представлен схемой электротехнического тока,получил наименование емкостного высокочастотного разряда. Электроды могут бытьпроводящим металлом, соприкасающимся с газовой средой внутри промежутка, амогут быть внешними, т.е. отделенными от газа слоем диэлектрика. В первомслучае разряд называется электродным, во втором – безэлектродным. Плазма такихразрядов, как правило, слабо ионизирована, неравновесна и подобна плазметлеющего разряда.
Интерес кисследованию ЕВЧР возрос в течение последних 20–30 лет в связи с егоиспользованием для нанесения тонких покрытий металлов и диэлектриков(нанотехнологии), а также возможности создания лазеров с регулируемой частотойизлучения (нелинейная оптика). Особый интерес представляет исследование ЕВЧРдля синтеза и анализа некоторых веществ (плазмохимия) [11].
Исследованияпроводились с электродным и с безэлектродным разрядом при разных давлениях (от0,5 мм рт. ст. до 20 мм рт. ст.). Некоторые результаты такогоисследования представлены в настоящей работе.
/>/>
Рис. 15Разрядная камера с внешними электродами
Разряд горелв зависимости от давления при различных напряжениях порядка 500–1000В.
/>
Рис. 16Вид разряда в аргоне в камере с внутренними электродами.
Темныепространства аналогичны Фарадеевому пространству тлеющего разряда на постоянномтоке. В центре мы наблюдаем светящийся столб газа, аналогичный положительномустолбу тлеющего разряда. В отличие от тлеющего разряда на постоянном токе, гдеположительный столб примыкает к аноду, здесь с обеих сторон имеется темноепространство. Таким образом, в разрядной трубке в один полупериод ВЧ напряжениесоздается тлеющий разряд с катодом слева, а с анодом справа, а в другойполупериод наоборот. Между светящимся столбом и электродом промежутка имеетсяактивная область – приэлектродный слой пространственного заряда (ПСПЗ), котораяи является генератором основных явлений ЕВЧР.
Если давлениеменьше, то величина приэлектродного слоя увеличивается, и может достигать отдолей см. до 2 см., это связано с тем, что при уменьшении давленияувеличивается средняя длина свободного пробега электронов.
/>/>
а) б)
Рис. 17Вид разряда в аргоне в камере с внешними электродами
Былипроведены исследования по методике, предложенной в работе А.Ф. Александров,В.А. Рябный, В.П. Савинов, В.Г. Якунин «Бесконтактный метод изученияпараметров приэлектродной области ВЧ разряда». Новизной было то, что в опытекафедры электроники МГУ использовался гелий, а в нашей работе использовалсяаргон. Целью исследования было освоение новым методик по изучению ЕВЧР.
/>
Рис. 18Эквивалентная схема экспериментальной электрической цепи ЕВЧР
/>
Рис. 19 Принципиальнаясхема установки
В процессеэлектрического пробоя разрядного промежутка и формирования разряда образуютсяПСПЗ, которые обеспечивают выход ЕВЧР на стационарный режим. Как обнаруженоэкспериментально, в установившемся ЕВЧР за каждый период ВЧ поля (T/>10/>с) суммарныйэлектрический заряд, приходящий на электрод, равен нулю. Соответственно,квазистационарные параметры конденсатора ПСПЗ: емкость Cs, заряд qs и толщина слоя ds остаются постоянными.При этом заряд qs обеспечивает в ПСПЗ квазистационарную разность потенциалов Us, благодаря которой запериод ВЧ поля заряд поступающих из плазмы на электрод электронов компенсируетприносимый заряд положительных ионов и заряд эмитируемых с поверхностиэлектрода электронов.
В участкеэлектрической цепи ЕВЧР, состоящем из последовательно соединенных емкостей C01, C/>и Cs1, активным элементомявляется емкость C/>, заряд на обкладках которой q/> определяют физическиепроцессы в ПСПЗ.
При этомданный квазистационарный заряд q/> устанавливается во всехпоследовательно соединенных емкостях электрической цепи, в том числе и наизмерительной емкости />
Для измеренияквазистационарных напряжений U/>, U/> и U/> в экспериментальнойсхеме использовались вольтметры электростатической системы типа C-95. Таким образом,предложенный метод включает в себя измерение электрического напряжения нанескольких внешних элементах цепи ЕВЧР и вычисление искомых параметров поприведенным формулам с использованием известных конструктивных параметровэкспериментальной системы.
/> (30)
/> (31)
/> для квазистационарного напряжения
/>, /> — переменные напряжения,измеряемые приборами С-95
В ходе несложных математических преобразований получили:
/> (32)
/> (33)
/> (34)
/> (35)
/> (36)
емкостныйразряд ленгмюр зонд
/>=270 В
/>=300 В
/>=300 В
/>=200 пФ
/>=140 пФ
/>=18 В
/>=10 В
/>=20 В
/>=50 пФ
/>=70 пФ
Р=0,8 Тор.
U/>=134 В, U/>=136 В, d/>=0,19 см, d/>=1,4 см
Яркостьизлучения не одинакова вдоль длины промежутка из-за распределенной емкости наземлю, так как ток не одинаков в разных сечениях промежутка.
Мы получилискачки потенциала в приэлектродном слое пространственного разряда в аргоне. Попорядку величины они оказались схожими с теми, что получила кафедра электроникив МГУ. В дальнейшем предполагается провести исследования на более качественномсовременном оборудовании.
Заключение
В ходе выполненияданной выпускной квалификационной работы приобретены навыки экспериментальнойработы с приборами. Изучив и проанализировав литературу по теории газовогоразряда, экспериментально был исследован емкостной высокочастотный разряд придавлениях от 0.1 мм рт. ст. до 5 мм рт. ст. при различных частотах.
Изготовленаэкспериментальная установка для изучения плазмы методом зондов Ленгмюра.
Изготовленаэкспериментальная установка и проведен эксперимент по определению параметровплазмы методом зондов Ленгмюра. Получены вольтамперные характеристики разряда икривые Пашена при различных частотах, а также вычислены электронная температура(/>), концентрацияположительных ионов (/>) и ихподвижность (/>). Измеренныепараметры, представлены в таблице, удовлетворительно совпадают с теоретическимизначениями.
Проведеныисследования высокочастотного разряда в аргоне по статье А.Ф. Александроваи В.П. Савинова с целью освоения новых методик по изучению ЕВЧР. Мыполучили />скачки потенциала вприэлектродном слое пространственного разряда в аргоне бесконтактным методомU/>=134 В, U/>=136 В. По порядкувеличины они оказались схожими с теми, что получила кафедра электроники в МГУ.В дальнейшем предполагается провести исследования на более качественном современномоборудовании.
Хочетсявыразить особую благодарность Антонову С.Д., Бондаревой Т.В. восвоении нового оборудования и сборки экспериментальной установки и Петрову Д.В.в проведении эксперимента.
Литература
1. Александров А.Ф.,Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы.М.: Высш. шк., 1988.
2. Александров А.Ф.,Рябный В.А., Савинов В.П., Якунин В.Г. Бесконтактный методизучения параметров приэлектродной области ВЧ разряда.
3. БраунС. Элементарные процессы в плазме газового разряда М.: Наука. 1961 г.
4. Вопросытеории плазмы. М. 1967 г.
5. Жуков А.А. Искровойпробой газа. Хабаровск, 2000 г.
6. Кролл Н.,Трайвелпис А. Основы физики плазмы. М.: Мир, 1975.
7. Михайловский А.Б. Теорияплазменных неустойчивостей. В 2 т. М.: Атомиздат, 1975–1977. Т. 1, 1975; Т. 2,1977.
8. Райзер Ю.П.,Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостной разряд: Физика.Техника эксперимента. М.: Наука, 1995 г.
9. Трубников Б.А. Теорияплазмы: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1996.
10. Таблицы физическихвеличин. Справочник под ред. Кикоина И.К. – М.: Наука, 1976 г.
11. Физический энциклопедическийсловарь. / Под ред. Прохорова А.М. – М.: Советская энциклопедия, 1983 г.
12. Франк-Каменецкий Д.А. Лекциипо физике плазмы. М.: Атомиздат, 1968.
13. Чернетский А.В. Введениев физику плазмы. М. 1969 г.
14. Шпольский Э.В. Атомнаяфизика. М-Л., гостехиздат, 1950 г.
15. Энциклопедия низкотемпературнойплазмы. Вводный том. Ч. I–IV/ Под ред. В.Е. Фортова. М.: Наука, 2000.