Физический механизм формирования электронного энергетического спектра приэлектродной плазмы емкостного ВЧ разряда низкого давления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

; МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ^ ' •' имениМ.В. Ломоносова

—¡-С:-

V ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 533.9

СИНГАЕВСКИЙ ИГОРЬ ФЕДОРОВИЧ

ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ПРИЭЛЕКТРОДНОЙ ПЛАЗМЫ ЕМКОСТНОГО ВЧ РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ. (01.04.08—физика и химия плазмы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1998 г.

Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Александров А.Ф., кандидат физико-математических наук, доцент Савинов В.П.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук,

профессор Васильев А.Г.

кандидат физико-математических наук,

с.н.с. Кралькина Е.А.

Институт общей физики РАН (г. Москва)

Защита состоится ^^А^^/ь-Л ¡998 г. в ~на заседании Спе-

циализированного совета К.053.05.22 отделения Радиофизики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Во-

робъевы горы, МГУ, физический факультет, ауд._^_

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан 998 года.

Ученый секретарь Специализированного совета к.ф.-м.н.

.. О /

У В-А- Кубарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Современный этап научно - технического прогресса характеризуется быстро развивающимся комплексом высоких технологий, важное место в котором занимает применение различных видов плазменной среды. Достаточно упомянуть плазменную технологию; микроэлектронику; лазерную технику; плазмохимию, чтобы стала очевидной насущная потребность в создании новых источников плазмы с широким диапазоном изменения ее параметров. При этом важно изучение сильно неравновесной плазмы.

Широкое распространение в научно - технических областях получила плазма емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР) низкого давления. Поскольку скорости физических процессов в плазме определяются видом ее электронного энергетического спектра (ЭЭС), необходимо иметь о нем достоверную информацию. Расчет ЭЭС зачастую затруднен отсутствием данных о сечениях различных столкновений электронов с частицами газа. Поэтому важное значение приобретает экспериментальное определение ЭЭС плазмы.

В настоящее время имеется весьма ограниченное число экспериментальных работ, посвященных определению ЭЭС плазмы ЕВЧР. При этом исследовалась, в основном, плазма центральных областей разряда, а физический механизм формирования ЭЭС плазмы, в особенности приэлекгродной, остается малоисследованным.

Широкие возможности получения плазмы с существенно новыми свойствами открывает использование приэлекгродной плазмы ЕВЧР. Изучение процессов транспорта зарядов через приэлектродный слой пространственного заряда (ПСПЗ) приобретает здесь особое значение. Наличие приэлектродных высокоэнергетичных электронных пучков должно приводить к возникновению качественно новых эффектов, обусловленных взаимодействием плазма -пучок. При этом следует ожидать как обогащения ЭЭС плазмы пучковыми электронами с энергиями ге ~ еУ~ (V- - приложенное ВЧ напряжение), так и

дополнительного нагрева электронов СВЧ- полями плазма-пучковой неустойчивости. Обычно ЕВЧР исследуется при достаточно большой площади поверхности электродов, обусловливающей низкие плотности приэлектрод-ных электронных пучков Пеь и уменьшающей возможность возникновения пучковоплазменной неустойчивости. Кроме того, малые плотности Пеь не позволяют экспериментально изучать высокоэнергетичную часть ЭЭС плазмы. Эту трудность можно преодолеть, используя асимметричный ЕВЧР (АЕВЧР) с малой площадью активного электрода. При этом не исследованным экспериментально является временной ход физических процессов, формирующих ЭЭС приэлектродной плазмы. Это требует разработки экспериментальной методики для изучения приэлектродной плазмы ЕВЧР.

Целью работы является:

— экспериментальное определение ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР и его зависимости от рода газа (Не, Хе, воздух) и амплитуды ВЧ напряжения;

— экспериментальное изучение зависимости ЭЭС приэлектродной плазмы от геометрии электродов ЕВЧР;

— изучение временного хода физических процессов и вида ЭЭС в приэлектродной плазме ЕВЧР у заземленного электрода;

— изучение механизма формирования ЭЭС плазмы ЕВЧР низкого давления в присутствии плазма - пучкового взаимодействия;

— разработка модифицированной методики определения ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР с помощью энергоанализатора заряженных частиц.

Научная новизна. Экспериментально исследованы физические свойства плазмы ЕВЧР в окрестности заземленного электрода в условиях сильного проявления нелокальных эффектов в разрядном промежутке.

Впервые экспериментально исследовано влияние плазма - пучковой неустойчивости на процесс формирования ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР.

Обнаружена зависимость механизма поддержания ЕВЧР от геометрии электродов. В плазме симметричного ЕВЧР с плоскими электродами наблюдался ЭЭС с интервалом 0 < Ее < 50 еУ, а в резко асимметричном ЕВЧР — ЭЭС с энергетическим интервалом до нескольких кеУ.

Установлена и объяснена зависимость ЭЭС плазмы от рода газа.

Экспериментально исследован и объяснен временной ход ЭЭС при-электродной плазмы АЕВЧР с учетом динамики параметров электронных пучков и периодического коллапса ПСПЗ.

Получены и проанализированы высокоэнергетичные части ЭЭС плазмы асимметричного ЕВЧР, соответствующие измерениям в квазистационарном режиме и при фиксированных фазах периода ВЧ поля. Оценены характерные длительности гидродинамической и кинетической стадий плазма - пучковой неустойчивости в приэлекгродной плазме.

Практическая ценность работы: полученные экспериментальные результаты являются научной основой для разработки плазмохимического реактора, оптимизированного на конкретные технологические процессы; плазма с управляемым ЭЭС необходима для разработки систем лазерной техники и оптических источников с управляемым спектром излучения; на основе проведенных исследований возможно создание промышленных систем для обработки поверхностей различной площади электронными пучками с управляемыми энергиями и плотностями; наблюдавшийся нагрев электронов полями пучковой неустойчивости позволяет насыщать электронами области энергий, где лежат пороги диссоциации многих сортов молекул.

Результаты работы представляют интерес для решения фундаментальных проблем физики ВЧ разряда и сильно неравновесной плазмы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обнаружена наибольшая интенсивность излучения исследованного ЕВЧР в окрестности заземленного электрода, связанная с возбуждением газа электронным пучком от активного электрода.

2. Двумя независимыми методами измерены энергии приэлектродных электронных пучков в ЕВЧР, которые изменялись в диапазоне

100 еУ<ееЬ<2500 еУ.

3. Обнаружено явление возникновения в ЕВЧР электронных пучков с диэлектрических боковых стенок разрядной трубки с характерными энергиями

50 еУ < сеь < 300 еУ, обусловленное краевым эффектом ВЧ поля.

4. Разработана экспериментальная методика, позволяющая измерять квазистационарный ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР, ЭЭС для фазы ВЧ поля, когда ширина ЭЭС становится максимальной, а также исследовать временной ход физических процессов в плазме.

5. Экспериментально установлено, что в случае широкого ЭЭС приэлектродной плазмы граница "ПСПЗ - плазма" имеет протяженную структуру, а при узком ЭЭС эта граница резкая. Предложена модель механизма транспорта электронов плазмы на электроды ЕВЧР, согласно которой электроны переносятся через ПСПЗ в потенциальной яме один раз за период ВЧ поля.

6. Полученный ЭЭС плазмы симметричного ЕВЧР в Хе содержит электроны лишь относительно низких энергий (ее < 50 еУ.) Обнаружено, что при У_<600В в области энергий ее > Ю еУ ЭЭС аномально обогащен. Это объясняется нагревом электронов в СВЧ- поле плазма - пучковой неустойчивости, что можно квалифицировать как "вторичный СВЧ - пробой". При увеличении У_ количество «горячих» электронов резко уменьшается из-за эффекта Рамзауера.

7. Экспериментально изучена высокоэнергетичная часть квазистационарного ЭЭС плазмы асимметричного ЕВЧР в области энергий 50 еУ < ее < 2500еУ.

В полученных ЭЭС наблюдается как квазимоноэнергетичный, так и размытый по энергиям пучковый пик, что объясняется, соответственно, отсутствием или проявлением плазма - пучковой неустойчивости.

8. Экспериментально исследована высокоэнергетичная часть ЭЭС плазмы асимметричного ЕВЧР, соответствующего фазе ВЧ поля, когда энергия электронов пучка максимальна (ееь max)- При этом пучковый пик имеет минимальную ширину, обусловленную тепловым разбросом эмитгированных электродом электронов. Это указывает на отсутствие нагревающей электроны пучка неустойчивости.

9. Экспериментально обнаружена немонотонность характера движения высо-коэнергетичных электронов на электрод: в отрицательный полупериод ВЧ поля на него сначала поступает импульсный поток тепловых электронов с энергиями в несколько сот eV, а затем следует импульс пучковых электронов с более высокими энергиями geb ~ ееьтах- Это объясняется коллапсом ПСПЗ, срывающим плазма - пучковую неустойчивость, в результате чего прекращается нагрев электронов плазмы и рассеяние пучка на плазменных колебаниях неустойчивости.

10. Экспериментально установлено, что большую роль в возникновении плазма - пучковой неустойчивости и формировании ЭЭС плазмы играют диаметр электродов и длина разрядного промежутка, от которых зависят плотность электронных пучков п^, и характерная длина развития неустойчивости.

11. На основании полученных экспериментальных результатов предложена модель формирования ЭЭС приэлекгродной плазмы ЕВЧР низкого давления, включающая в себя механизмы ионизации газа и нагрева электронов за счет 1) ВЧ поля, 2) приэлектродных электронных пучков, 3) СВЧ - поля плазма - пучковой неустойчивости, а также периодический коллапс ПСПЗ.

Апробация работы. Научные результаты, полученные в настоящей работе обсуждались на заседаниях научного семинара кафедры физической электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, на семинарах ИНХС и ИОФ РАН, а также были представлены на XXIX научной конференции по физико - математическим и естественным наукам УДН им. Мик-лухо - Маклая (Москва, 1993 г); конференции «Физика и техника плазмы» (Минск, 1994 г); VII конференции по физике газового разряда (Самара, 1994 г); VIII и IX конференциях по физике газового разряда (Рязань, 1996, 1998 гг); ICPIG - XXII (Hoboken, USA, 1995); конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 1995); Международной научно - технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск, 1997 г); ICPIG - XXIII (Toulouse, France, 1997 г); NATO ASI Conference "Advanced Technologies Based on Wave and Beam Generated Plasmas" (Sozopol. Bulgaria. 1998); Научно - методической конференции «Учебный физический эксперимент и его совершенствование» (1998, Пенза).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, в котором сформулированы основные выводы, списка цитируемой литературы из 78 наименований. Содержание работы изложено на 170 страницах основного текста и проиллюстрировано 92 рисунками. Общий объем диссертации составляет 185 листов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность решаемой в диссертационной работе проблемы, сформулированы ее цели, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание работы.

В первой главе диссертации содержится обзор литературы об исследованиях кинетики электронов плазмы ЕВЧР низкого давления: рассматрива-

ются методы изучения ЭЭС плазмы ЕВЧР; приводятся известные физические механизмы формирования ЭЭС в ЕВЧР; представлены результаты расчетов квазистационарных и мгновенных ЭЭС плазмы ЕВЧР с учетом нелокальности формирующих электронное распределение процессов, средней энергии электронов <2е>, скорости ионизации <а,ис>; приводятся результаты экспериментальных исследований ЭЭС плазмы ЕВЧР. В конце главы сделаны выводы о современном положении дел по вопросу об ЭЭС плазмы ЕВЧР.

Во второй главе дано описание экспериментальной установки и использованных диагностических методов: энергоанализатора заряженных частиц, зондов Ленгмюра, спектроскопического, фотоэлектрического и фотографического.

Основным объектом изучения являлась плазма ЕВЧР у заземленного электрода в области давлений газа р < 10"1 Тор. Симметричный ЕВЧР возбуждался в цилиндрической трубке с диаметром электродов Б) =Б2 = 3.2 см, а асимметричный ЕВЧР — в конусообразной трубке и диаметрами электродов Б] = 0.58 см, = 5.8 см. Исследовался ЕВЧР в Не, Хе, воздухе с параметрами: 10"2 Тор < р < 1 Тор; 0.5 МГц < {■< 5 МГц; 300 В < V. < 1.8 кВ; 109 СМ'3 СПеСЮ" см"3.

Проведение исследований с симметричным и асимметричным ЕВЧР позволяло существенно изменять роль приэлектродных электронных пучков в механизме разряда. Благодаря малой площади активного электрода асимметричного ЕВЧР, значительно возрастали как энергии электронов пучков ееь тах и в особенности — их плотности Пеь, что создавало благоприятные условия для возбуждения плазма - пучковых неустойчивостей в разряде.

В связи с важной ролью нелокальных процессов, существенное внимание уделялось изучению пространственной структуры разряда. При этом исследовались продольные распределения квазистационарной интенсивности интегрального свечения 1(х) и отдельных спектральных линий 1х(х), амплитуд

осцилляций свечения на частоте ВЧ поля 1г(х) и ее второй гармоники Ь^х). Полученные распределения 1{(х), 12({х) показывают пространственную картину относительного вклада электронных пучков и ВЧ поля в возбуждение газа в исследованном ЕВЧР.

Осциллограммы потоков частиц на электроды показывают, что на протяжении периода ВЧ поля на них идет слабо модулированный поток положительных ионов, а электронные потоки носят импульсный характер. При этом в последних присутствуют переменные во времени потоки электронов различных энергий и различной степени направленности движения — пучковые электроны и тепловые электроны плазмы.

В исследованных условиях режим движения ионов в ПСПЗ был сдабо-столкновительным, а электронов — близок к бесстолкновительному. В литературе установлено, что движение ионов определяется начальной скоростью, фазовым углом вхождения в ПСПЗ и параметром

АеУ

а, = ,, 1,1, где У0 - разность потенциалов на ПСПЗ, 4 - толщина ПСПЗ.

М,а а1

Известно, что при а; > 0.5 ионы имеют широкий энергетический спектр на электроде, обогащенный частицами с энергиями в; > еУ0/2, что имело место в наших условиях.

В процессе анализа условий в ЕВЧР, обнаружена связь ЭЭС плазмы с характером переноса электронов из плазмы на электрод. При этом показано, что граница «ПСПЗ - плазма» пространственно протяженная и структурированная. Выдвинута гипотеза о том, что в ПСПЗ образуются потенциальные ямы, переносящие электроны дискретным образом (один раз за период ВЧ поля) от плазмы на электрод.

В центре внимания работы было выяснение роли пучков в формировании ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР. Новым моментом являлось то, что ранее на кафедре физической электроники исследовалась релаксация элек-

тронных пучков преимущественно за счет столкновений с нейтральными частицами, а сейчас — рассматривались условия с преобладающей ролью бес-столкновительных процессов взаимодействия пучков с плазмой.

С учетом краевых эффектов ВЧ поля у электродов ЕВЧР, было выдвинуто предположение о возможности существования электронных пучков от диэлектрических стенок разрядных трубок. Стеночные электронные пучки с энергиями порядка сотен электрон - вольт были в работе обнаружены экспериментально.

Глава третья содержит результаты экспериментальных исследований квазистационарного ЭЭС приэлектродной плазмы у заземленного электрода в симметричном и асимметричном ЕВЧР с помощью зондового метода и энергоанализатора заряженных частиц.

Согласно данным зондового метода, в приэлектродной плазме ЭЭС занимает широкий энергетический интервал и обнаруживает значительную анизотропию. При этом зафиксирован направленный от электрода в плазму поток электронов со средней энергией <8еь> > 200 еУ.

В основном измерения ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР в ксеноне, гелии и воздухе производились с помощью энергоанализатора. Полученные ЭЭС плазмы симметричного ЕВЧР в Хе, р = 0.1 Тор, Г = 1 МГц, V- = 600 В, 800 В, 1000 В, 1200 В представлены на Рис. 1 (а - д), соответственно.

Характерный ЭЭС плазмы симметричного ЕВЧР в Не, р = 0.1 Тор, £ = 1 МГц, V- = 600 В приведен на Рис. 2, а для СЕВЧР в воздухе, р = 0.1 Тор, £ = 1 МГц, V. = 600 В — на Рис. 3.

С увеличением ВЧ напряжения в полученных ЭЭС плазмы симметричного ЕВЧР прослеживаются известные тенденции: 1) расширяется энергетический интервал ЭЭС; 2) снижается значение средней энергии < ге > группы «медленных» электронов; 3) происходит трансформация ЭЭС с двумя группами электронов в единственную квазимаксвелловскую группу.

1 - эксперимент 2- Druvesteyen (Т.я=3.8беУ)

1- эксперимент

2- Druvesteyen (T,,„-=3.05eV)

3- Maxwell СТ., = 2.2 eV)

c,(eV)

Рис. 1. Функции распределения электронов по энергиям (Хе, р = 0.1 Тор, f = 1 МГц), при различных амплитудах ВЧ напряжениях : а) 600 В; б) 800 В; с) 1000 В; д) = 1200 В.

m

1

1-эксперимент , 2- Maxwell (Т„я=4.1беУ)

Рис. 2. Функция распределения элек- рИс. 3. Функция распределения элек тронов по энергиям (Не, р = 0.1 Тор, тронов по энергиям (воздух, f = 1.2 МГц, V. = 600 В). р = 0.1 Top, f = 1 МГц, V = 600 В).

\г

При этом аномальное обогащение ЭЭС приэлектродной плазмы в области энергий £е > (8 10) еУ обнаружено в Хе при относительно низких V-(Рис. 1а). С увеличением V- относительное количество «горячих» электронов быстро уменьшается (Рис. 16)^ д)). Обогащение ЭЭС плазмы электронами повышенных энергий в Не и воздухе было значительно слабее, чем в Хе.

С целью изучения высокоэнергетичной части ЭЭС плазмы и наблюдения проявления плазма - пучковой неустойчивости исследовался асимметричный ЕВЧР. В последнем плотность электронного пучка Пеь от активного электрода должна быть на 1 4- 2 порядка выше, чем в случае симметричного

Благодаря повышенным значениям Пеь и Ееъ, пучок достигал противоположного электрода и уверенно фиксировался измерительной системой.

Полученные характерные высокоэнергетичные участки ЭЭС для разряда в воздухе при давлении р = 0.1 Тор на частоте поля f = 1 МГц для ВЧ напряжений = 600 В и 750 В представлены на Рис. 4 и 5, соответственно.

Более детально эволюция высокоэнергетичной части ЭЭС с увеличением в АЕВЧР в воздухе, р = 0.07 Тор, Г= 1 МГц показана на Рис. 6а) н- д).

ЕВЧР.

Рис. 4. ФРЭЭ АЕВЧР, воздух, р = 0.1 Top, f = 1 МГц, V. = 600 В.

Рис. 5. ФРЭЭ, асимметричный разряд, (воздух, 0.1 Top, V_= 750 В, 1 МГц).

Рис. 6. Зависимость высокоэнергетичной части распределения электронов приэлектродной плазмы по энергиям от величины ВЧ напряжения в ВЧ разряде в воздухе при давлении р = 0.07 Тор и частоте поля f = 1 MHz а. V. = 850 V, Ь. 900 V, с. 950 V, d. 1000 V. <

Как видно из приведенных данных, в рассматриваемом асимметричном ЕВЧР, р = 0.1 Тор, V_ = 600В ЭЭС содержит плато, заканчивающееся квази-моноэнергетическим пиком (Рис. 4), положение которого соответствует энергии ееь шах = 2^2 V- (eV). С увеличением V- пучковый пик ЭЭС заметно расплывается по энергии и уменьшается по амплитуде (Рис.5). Несколько иная картина наблюдается в АЕВЧР при более низком давлении (Рис. 6). При этом пик на конце ЭЭС, оставаясь в окрестности значения энергии £е в ~ 2^2

смыкается более тесно с остальной частью ЭЭС и с увеличением постепенно затухает.

Качественно аналогичный приведенному на Рис. 5 ЭЭС был получен ранее теоретически для области на границе катодного падения и плазмы «отрицательного свечения» в тлеющем разряде постоянного тока.

В четвертой главе приводятся результаты исследований временной зависимости ЭЭС приэлекгродной плазмы ЕВЧР в течение одного периода ВЧ поля. Описывается экспериментальная методика, основанная на измерении потоков заряженных частиц на электрод с помощью энергоанализатора. Суть методики получения разрешенных во времени ЭЭС плазмы ЕВЧР вытекает из характерного вида осциллограммы тока на коллектор энергоанализатора ЦО (Рис. 7), где наблюдается острый максимум электронного им-

ЭЭС, соответствующие <р = Зтс/2, представляют наибольший интерес, т.к. именно в окрестности указанной фазы энергия электронного пучка активного электрода максимальна, а потенциальный барьер для электронов перед заземленным электродом — минимальный.

В работе также было показано, что получение осциллограмм потоков заряженных частиц на электрод может служить методическим приемом для

пульса. Положение последнего соответствует фазе периода ВЧ поля, близкой к фазе

Рис. 7. Осциллограмма потоков заряженных частиц на электрод (симметричный разряд, Хе, р = 0.1 Тор, {= 1.2 МГц, 1000В).

Ф = Зтг/2. Постепенно запирая анализирующим напряжением электронный импульс в окрестности острого максимума осциллограммы, можно получить кривую задержки и далее — ЭЭС.

изучения временного хода физических процессов в приэлекхродной области ЕВЧР.

Так, например, при измерениях в симметричном ЕВЧР наблюдался единичный импульс электронного тока из плазмы на электрод, однако, при подаче задерживающих электроны напряжений обнаружено, что данный импульс является сверткой 2-х импульсов. Каждому из возникающих при этом электронных импульсов соответствует отдельный поток электронов с отличными характеристиками их движения (энергия ее, степень направленности движения). . .

При наложении в диагностических целях на приэлектродную область ЕВЧР слабого магнитного поля один из вышеупомянутых электронных импульсов убирался, что указывало на пучковую природу составлявших его электронов. Амплитуда второго импульса слабо зависела от приложенного магнитного поля, что указывает на хаотический характер движения формирующих его электронов.

Сравнение квазистационарных и разрешенных во времени (<р = Зя/2) ЭЭС плазмы симметричного ЕВЧР показывает, что последние несколько

& смещены в область более вы-

соких энергий в соответствии с ожидаемым их поведением. Типичные разрешенные во времени (ср=Зл/2, середина отрицательного полупериода ВЧ поля) ЭЭС при-электродной плазмы асимметричного ЕВЧР в воздухе, р = 0.07 Тор, 1 МГц при различных амплитудах приложенного ВЧ напряжения представлены на Рис. 8.

Рис. 8. ЭЭС - соответствующие фазе ВЧ поля Зя/2 (электроны "хвоста" ФР) для разных напряжений ВЧ разряда. АБВЧР, воздух, р=0.07 Тор, £=1МГц.

Эти ЭЭС обнаруживают значительное сходство с квазистационарными. Максимальные зарегистрированные значения энергий электронов соответствовали теоретическим и были близки к величине

£етах = 2л/2еУ_ (еУ). Существенное различие между ЭЭС для фазы ср = Зтг/2 и квазистационарными заключается в том, что в первом случае пучковый пик ЭЭС близок к ква-зимоноэнергетическому, а во втором—размыт по энергии.

В пятой, заключительной главе диссертации на основе проведенного экспериментального изучения ЕВЧР и данных литературы анализируется роль различных процессов в формировании ЭЭС приэлектродной плазмы.

Обсуждаются известные физические процессы, составляющие механизм формирования ЭЭС плазмы центральных областей ЕВЧР.

Указывается на ряд специфических моментов в процессе формирования ЭЭС приэлектродной плазмы исследованного разряда: 1) почта 100% модуляция приэлектродных электронных пучков по плотности и энергии в течение периода ВЧ поля; 2) возбуждение пучковых неустойчивостей в плазме; 3) возникновение электронных пучков с диэлектрических стенок разряда; 4) коллапс ПСПЗ в ЕВЧР; 5) усиление эффектов плазма - пучкового взаимодействия в асимметричном ЕВЧР.

Анализируется взаимосвязь кинетики электронов приэлектродной плазмы с физическими процессами в ПСПЗ ЕВЧР. В основе рассмотрения лежит физическая система, состоящая из потенциального барьера, взаимодействующего с плазмой. Показывается, что граница "ПСПЗ - плазма" имеет пространственно протяженную структуру, отражающую ход электрического потенциала и характер ЭЭС плазмы.

Важным свойством вышеупомянутой системы должен быть дискретный по времени перенос электронов из плазмы на электрод в проходящих один раз за период ВЧ поля потенциальных ямах.

Определяет кинетику плазмы приэлектродный электронный пучок. Показывается возможность возбуждения плазма - пучковых неустойчивостей в исследованных условиях.

Анализируются результаты экспериментальных исследований в симметричном и асимметричном ЕВЧР. В первом случае обсуждаются ЭЭС низ-коэнергетичных электронов приэлектродной плазмы, пронизываемой электронными пучками низкой плотности. Во втором случае исследуются высо-коэнергетичные части ЭЭС в присутствии электронных пучков повышенной плотности.

Для выяснения механизма формирования ЭЭС плазмы составлены сводки физических параметров в ВЧ разряде в Не, Хе и воздухе. Соответствующие данные по разряду в Хе приведены в Таблице.

Таблица. Параметры физических условий в ЕВЧР в Хе, р = 0.1 Top, f = 1 МГц.

V. (В) п«* 10'® (cm"3) т„ (В) Те е£Г (В) Шр*«"8 (с1) v.no"8 (с1) KV,» ю-3 (С) V«,* ю-3 (С) б,*«"8 (с'1) «j* ю-8 (С) 6|/V, 5j/v. L,/d Wd

600 1.5 - 4.3 22 13 10 4.9 0.93 1.8 0.07 0.14 2.7 -

800 2.5 - 3.9 28 11 9 9.5 1.4 2.2 0.13 0.2 2 -

1000 3.5 1.6 3.5 33 10.5 8.2 15 1.9 2.7 0.18 0.25 1.7 -

1200 9 2.2 3.0 54 7.2 5.9 35 4.7 4.3 0.65 0.6 0.7 -

Обозначения: п,. - концентрация электронов плазмы; Tei - температура группы «медленных» электронов; Те eir= 2/3k<se>, k - постоянная Больцмана, <Se> - средняя энергия электронов; шр - электронная плазменная частота; ve - частота упругих столкновений электронов с атомами; к = 2m/M, m и М - массы электрона и атома; veei - частота электрон - электронных столкновений; 5] = £ор(Пеь/пе * c0p/ve)1/2, = ЮрСпсь^Пе)1'3 - инкременты столкновительно -диссипативной и бесстолкновительной пучковых неустойчивостей, соответ-

ственно; Ь] = и<;ь/§ь Ьг = иеы'бг - длины раскачки пучковых неустойчивостей, иеь - скорость электронов пучка; с! - расстояние между электродами.

Полученные экспериментальные данные подтверждают ряд свойств ЭЭС плазмы ЕВЧР, описанных ранее в литературе. Так, несмотря на существенно неравновесные условия и нелокальный характер энергетического распределения электронов, низкоэнергетичная часть ЭЭС в рамзауеровских газах (Аг, Хе) близка к распределению Дрювестейна, а в гелиевой плазме наблюдается квазимаксвелловская функция распределения. Обычно ЭЭС при-электродной плазмы обнаруживает избыток электронов повышенных энергий по сравнению с равновесными распределениями. С увеличением ВЧ напряжения наблюдается превращение двухгрупповых ЭЭС с наличием явно выраженных низкоэнергетичной и высокоэнергетичной групп в единое квази-максвелловское распределение.

Вместе с тем, в исследованном симметричном ЕВЧР установлен ряд существенных отличий в поведении ЭЭС по сравнению с известными фактами. В плазме в Хе при пониженных ВЧ напряжениях обнаружено аномальное обогащение ЭЭС электронами с энергиями ес > 10 еУ, причем с увеличением У_ количество электронов с повышенными энергиями резко сокращается. Последнее указывает на то, что основной причиной нагрева электронов плазмы в данном случае является не "стохастический нагрев", описанный в литературе. Показано, что в данном случае электроны нагреваются СВЧ - полями плазма - пучковой неустойчивости, причем с ростом ВЧ напряжения увеличивается отношение инкремента нарастания неустойчивости к частоте упругих столкновений электронов с атомами 5]/уе, что означает переход к бес-лхшкновительному режиму движения электронов в полях неустойчивости и ;нижению нагрева электронов, связанному с проявлением эффекта Рамзауэра ! Хе.

На основании полученных экспериментальных зависимостей ЭЭС от V-показывается, что формирование низкоэнергетичной части распределения определяется ВЧ полем у активного электрода. На процесс формирования "хвоста" ЭЭС влияет нагрев электронов плазмы полями плазма - пучковой неустойчивости.

Исследованный симметричный ЕВЧР с достаточно высокой температурой группы низкоэнергетичных элеюронов (Те! -3-6 eV) представляет собой разряд а- типа, в котором ионизационные процессы преимущественно определяются первичным ВЧ полем и вторичным СВЧ - полем пучковой неустойчивости. Данный ЕВЧР можно рассматривать как новую модификацию разряда - "ВЧ разряд со вторичным СВЧ - пробоем".

При исследовании асимметричного ЕВЧР основное внимание уделялось малоизученной высокоэнергетичной части ЭЭС. Проведен анализ ЭЭС плазмы разряда в воздухе для двух режимов (V_ = 600 В и 750 В) с квазимо-ноэнергетическим и размытым пучковым пиком, соответственно.

Оценки инкрементов неустойчивостей столкновительно - диссипатив-ной Si и бесстолкновительной д2 для разряда с V_ = 600 В показали, что выполняются соотношения

{ Si ~ §2 ~ ve.

Последнее означает неблагоприятные условия для развития неустойчивостей. Поэтому электронный пучок не должен заметно рассеиваться на ос-цилляциях поля данных неустойчивостей, а длина свободного пробега электронов пучка в газе превышает межэлектродное расстояние. Отсюда, пучок должен быть близок к моноэнергетическому, что и наблюдалось экспериментально.

С ростом ВЧ напряжения инкременты неустойчивости возрастают. При V_ = 750 В уже б] » ve и 82 » ve, так что должна эффективно возбуждаться

бесстолкновительная неустойчивость, приводящая к существенному нагреву электронов пучка.

Исследованная эволюция высокоэнергетичной части ЭЭС при увеличении ВЧ напряжения показывает, что пучковый пик энергетического распределения расплывается по энергии, а величина отношения амплитуды пучкового пика к амплитудам средней части ЭЭС монотонно уменьшается.

Проведен анализ временного хода процессов формирования ЭЭС при-электродной плазмы ЕВЧР внутри периода ВЧ поля.

В положительный полупериод ВЧ поля электроны плазмы заперты потенциальным барьером перед заземленным электродом. В начале отрицательного полупериода в окрестность заземленного электрода начинает поступать пучок от активного электрода. Поскольку частота развития плазма - пучковой неустойчивости на 2 - 3 порядка выше частоты ВЧ поля, то за весьма короткие времена т « Т=2я/а начинается нагрев электронов плазмы и пучка полями неустойчивости. Одновременно происходит снижение высоты при-электродного потенциального барьера, что приводит к интенсификации ухода электронов плазмы на электрод.

Обусловленное коллапсом ПСГО снижение плотности электронов плазмы приводит к уменьшению инкрементов 0\ и 62, возрастанию характерных масштабов развития неустойчивостей Ь] и Ь2, которые могут превысить межэлектродное расстояние. Следствием этих процессов является срыв неустойчивости.

При развитии пучково - плазменной неустойчивости электронный пучок расплывается по энергии и затухает. В отсутствие неустойчивости параметры пучка не изменяются. Это подтверждается экспериментально видом ЭЭС плазмы для фазы ф = 3я/2, когда пучковый пик достаточно велик по амплитуде и квазимоноэнергетичен.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы.

1. В целях изучения механизма формирования ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР экспериментально исследованы: ВАХ ЕВЧР; пространственная структура ЕВЧР; транспорт зарядов на электроды ЕВЧР; физические свойства приэлектродной плазмы; взаимосвязь ЭЭС приэлектродной плазмы и физических процессов в ПСПЗ ЕВЧР.

2. Экспериментально исследованы процессы формирования и релаксации приэлектродных электронных пучков по импульсу, подтвержден теоретический вывод литературы относительно максимального значения энергии пучковых электронов в асимметричном ЕВЧР eemax = 2^2 V_ (eV).

3. Обнаружено явление возникновения в ЕВЧР в радиальном направлении высокоэнергетичных электронных пучков с диэлектрических боковых стенок разрядной трубки, обусловленное краевым эффектом ВЧ поля.

4. Разработана модифицированная методика энергоанализатора заряженных частиц для определения квазистационарного и разрешенного во времени ЭЭС приэлектродной плазмы ЕВЧР.

5. Проведенные исследования ЭЭС плазмы симметричного ЕВЧР в Не и воздухе подтвердили имеющиеся в литературе данные. Вместе с тем, обнаружено, что при умеренных ВЧ напряжениях (V_ < 600В) ЭЭС плазмы ЕВЧР в Хе аномально обогащен в области энергий se > 10 eV. При увеличении V-количество «быстрых» электронов резко уменьшалось. Полученные результаты объясняются проявлением плазма - пучковой неустойчивости, а также - эффектом Рамзауера в Хе. Значительный нагрев электронов плазмы СВЧ- полем неустойчивости можно квалифицировать как «вторичный СВЧ- пробой» в ЕВЧР.

6. Экспериментально изучена высокоэнергетичная часть квазистационарного ЭЭС приэлектродной плазмы асимметричного ЕВЧР в области энергий 50 еУ < ее < 2.5 кеУ. Обнаружено качественное совпадение характера ЭЭС плазмы исследованного разряда с данными литературы относительно ЭЭС плазмы, граничащей с областью катодного падения в тлеющем разряде постоянного тока. В полученных ЭЭС пучковый пик был как квазимоноэнер-гетичным, так и значительно размытым по энергиям, что объясняется, соответственно, отсутствием или проявлением пучковой неустойчивости в различных режимах поддержания ЕВЧР.

7. Экспериментально получена высокоэнергетичная часть ЭЭС приэлектродной плазмы асимметричного ЕВЧР, соответствующая фазе периода ВЧ поля ф = Зп/2, когда электроны пучка имеют максимальное амплитудное значение энергии БеЬ шах. • Обнаружено, что пучковый пик в области энергий ееЬ = £еь шах имеет минимальную ширину, обусловленную лишь тепловым разбросом эмиггарованных активным электродом электронов. Это указывает на отсутствие нагревающей электроны пучка плазма - пучковой неустойчивости.

8. Исследован временной ход физических процессов в приэлектродной плазме. Обнаружено, что в отрицательный полупериод ВЧ поля на электрод сначала поступает импульсный поток тепловых электронов с энергиями в несколько сотен еУ, а затем следует импульс пучковых электронов с более высокими энергиями ееь2 ееьтах- Эта смена характера движения электронов объясняется коллапсом ПСПЗ, срывающим пучковую неустойчивость, в результате чего прекращаются нагрев электронов плазмы и рассеяние пучка на плазменных колебаниях неустойчивости.

9. Экспериментально установлено, что при фиксированной ВЧ мощности, вводимой в ЕВЧР, большую роль в возникновении пучковоплазменной неустойчивости и формировании ЭЭС плазмы играют диаметр электродов и

длина разрядного промежутка, которые определяют плотность электрон ных пучков и длину развития неустойчивости. 10. На основании полученных экспериментальных результатов предложен; модель физического механизма формирования ЭЭС плазмы ЕВЧР низкогс давления у заземленного электрода, главной особенностью которого является нелокальный и нестационарный характер физических процессов в разряде. Низкоэнергетичная область ЭЭС создается, главным образом, процессами ионизации, обусловленными ВЧ полем в окрестности активного электрода, а остальная часть ЭЭС — электронным пучком от активного электрода. В случае возникновения пучковой неустойчивости нагревают« дополнительно как электроны плазмы, так и пучка.

Основные результаты опубликованы в работах:

1. Ковалевский B.JL, Савинов В.П., Сингаевский И.Ф., Якунин В.Г Особенности динамики электронных потоков на электроды емкостного ВЧ разряда. Тез. докл.XXIX научн. конф. по физ.мат., естеств. наук. УДН им Миклухо-Маклая. ч.1. Физ.секц., с.16. Москва. 1993.

2. Ковалевский В.Л., Кондраков P.E., Савинов В.П., Сингаевский И.Ф ВАХ-метод диагностики параметров приэлектродных слоев и плазмы емкостного ВЧ разряда. Материалы конференции "Физика и техника плазмы" 1994г., Минск. Том 1. с.373-376.

3. Ковалевский В.Л., Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Краевой эффект генерации стеночных электронных пучков в емкостном ВЧ разряде. Тезисы докладов VII конференции по физике газового разряда. 1994 г. Самара. ч.1, с. 84-85.

4. Alexandrov A.F., Kovalevsky V.L., Savinov V.P., Singaevsky I.F. The edge effect of electron beam generation from the walls restricting the HF discharge. Contr. Papers XXIIICPIG, v.2, p.167-168. Hoboken, NJ USA, 1995.

5. Ковалевский B.JI., Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Пространственно - временная структура физических процессов в приэлектродных областях емкостного ВЧ разряда. Материалы конференции "Физика низкотемпературной плазмы", 1995, Петрозаводск, т.2, с.243-245.

6. Ковалевский В.Л., Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Особенности механизма возбуждения оптического излучения емкостного ВЧ разряда низкого давления. Сб. "Вопросы прикладной физики" п/р В.К.Свешникова, г.Саранск, Изд. Морд. Гос. Ун-та, 1996, с.14-18.

7. Александров А.Ф., Ковалевский В.Л., Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Электронный энергетический спектр приэлектродной плазмы емкостного ВЧ разряда низкого давления. Тезисы докладов VIII конференции по физике газового разряда. Рязань. 1996, ч.2, с.48-49

8. Ковалевский В.Л., Кондраков P.E.,Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Физический характер проводимости приэлектродных слоев емкостного ВЧ разряда. Тезисы докладов VIII конференции по физике газового разряда. Рязань. 1996, ч.2, с.60-61

9. Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Особенности транспорта заряженных частиц на электроды емкостного ВЧ разряда низкого давления. Тезисы докладов VIII конференции по физике газового разряда. Рязань. 1996, ч.2, с.81 -82.

10. Ковалевский В.Л., Кондраков P.E., Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Физические свойства одноэлектродного емкостного ВЧ разряда пониженного давления. Тез. Докл. Международной научно - технической конф. «Проблемы и прикладные вопросы физики». 1997. Саранск. С.36 - 37.

11. Александров А.Ф., Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Аномальный нагрев электронов приэлектродной плазмы асимметричного емкостного ВЧ разряда низкого давления в присутствии поперечного магнитного поля. Тез.

Докл. Международной научно - технической конф. «Проблемы и прикладны вопросы физики». 1997. Саранск. С. 37 - 38. |

12. Alexandrov A.F., Savinov V.P., Singaevsky I.F. The asymmetrical capacitive HF low pressure discharge near - electrode plasma electrone energy spectrum. Contrib. Papers of XXIIIth Intern. Conf. On Phenom. In Ionized Gases. Toulouse, France. 1997. V.l. P. 108 - 109.

13. Александров А.Ф., Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Зависимость ЭЭС приэлеюродной плазмы ЕВЧР низкого давления от рода газа. Тез. Докл. IX конф. По физике газового разряда. 1998. Рязань. 4.1., с. 100 - 101.

14..Ковалевский В.Л., Савинов В .П., Сингаевский И.Ф., Якунин В.Г. Относительная плотность приэлектродных электронных пучков в плазме емкостного ВЧ разряда. -Тез. Докл. IX конференции по физике газового разряда. Рязань. 1998, ч.1, с.102 - 103.

15. Alexandrov A.F., Savinov V.P., Singaevsky I.F. Beam - plasma instability effects supporting capacitive low - pressure RF discharges. Proc. of NATO Advanced Study Institute Conf. "Advanced Technologies Based on Wave and Beam Generated Plasmas". Sozopol. Bulgaria. 1998.

16. Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Методические особенности наблюдения эффекта «вторичного СВЧ - пробоя» в емкостном ВЧ разряде низкого давления. Тез. Научно - методической конф. «Учебный физический эксперимент и его совершенствование». 1998. Пенза.

17. Александров А.Ф., Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. Энергетическое распределение электронов в приэлеюродной плазме емкостного ВЧ разряда низкого давления. Вестн. Московского университета. 1998. Сер. Физика. Астрономия. N6^ С. -

ООП Физ.ф-та МПУ Зак. 129-70-98