ВЧ емкостной разряд: формы его существования и применение в лазерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ
|
Ященко, Николай Афанасьевич
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1992
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.08
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК НАУЧНОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «ИВТАН»
И ь I
На правах рукописи УДК 537.523.74
УЦСККв 1Гп:солгй Лфгнясмнич
54 ЕМКОСТНОЙ РАЗРЯД: ФОРМЫ ЕГО СУЩЕСТВОВАНИЯ II ПРИМЕНЕНИЕ В ЛАЗЕРАХ
Специальность 01.04.03 — физика и химия плазмы
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физкко-мзтеиапггеских на ух
Москва — 1992
Ра&яа ьыяаянезг s urasayit ярсблеи ысханякн Российской Аздяздмл Ksvï
Офндгалыкгз олвонгнп«
доггор тсх;шчгскцх шу»:, профессор Э.П.Асшюбодй
доктор физико-мзгенатичгсккх наук, профессор В.Н.Счккв
доатор физико-математических даук, Ю.САкшаез
Ведущал организаций:
Наущ^о^нсс/^яовагбльскка цешр ш технологически лазерам Российской Акадеыаа Наук
я , coTsèpjs
1992 г.
'. в час
Защатасосгоатса «t*-^ » на заседании спецзкЦЕзароваююк) совета Д 002.53.01 при Научном объедкасцЕй «ИВТАП» Российской Академии Наук, но адресу 127412, г.Мосхвз 11-412, ул. Пкорскаг, дом 13/19,
С д^хе^гйщей кажнэ ознакомиться в библиотеке Научного объединения «ИВТАН»
о ü V' i
.ЧЕторефератрозсслаа *с</ ! » 1992 г.
УЧи-лый секретарь сжциапхзнрованыого совгта, к£шд. фш.-ь»т. наук
\.Л_Хоыга1н
@ Научное объединение "ИЕТАН" Российской академии наук, 1992.
i. общая характеристика работы
Актуальность- Среди фундаментальных проблем, поставленных перед физикой электрического разряда в газах многочисленными его приложениями в пяазмохимнй. плазменной технологии, лазерной технике н др., выделяются своей значимостью и распространенностью следующие задачи: 2) о получении в заданных условиях плазмы с требуемыми параметрами и 2) об основных физических процессах, определяющих характер и условия замыкания разрядного тока на электроды.
И хотя указанные проблемы па протяжении длительного времени являются центральными б физике газового разряда, и им посвящен целый ряд обобщающих нонографий, количество "белых пятен" в этой области все еще очень велико. Например, современные представления о пространственной структуре тлевшего разряда постоянного тоха ко позволяют з обшей случае однозначно предсказать реализуемые на опыте параметры неограниченного боковыми стенками плазменного столба. Однако именно газовый разряд типа тлеющего со свободными боковыми границами находит сегодня все более широкое распространение во многих указанны:-: выше прилояэннях. что и определяет в первую очередь актуальность его изучения.
Опыт показывает, что из различных типоз самостоятельных электрических разрядов с холодными электродами, используемых в качестве источников плавны для решения как традиционных, и новых прикладных задач, высокочастотны,'! емкостной разряд < ВЧЕР > является одним из наиболее простьа, надежных и эффективных, а з ряде случаез и единственно приемлемый источником плазмы. Поэтому закономерен большой к нему интерес и все возрастающий поток публикаций, посвященных методам получения, исследования и использования ВЧЕР в широком диапазоне давлений газз от долей до сотен Горр и частот ВЧ-пояя от Ю® до 10^ Гц.
В данной работе показано, что ялазиа ЁЧ емкостного разряда э указанном диапазоне частот и давлений газа могет отличаться сильной неравновесностыэ, способность» заполнять большие объемы различно!! конфигурации при удельных энерговкладая в иехонтрпг ц-рованный плазменный столб до 100 Бт/см^ и вьет, возможностью управления ее параметрами путем изменения частоты ВЧ-поля и режима горения ВЧЕР.
Базнк?! для понимания особенностей пространственной структуры и механизма поддержания стационарного ВЧЕР оказалось осознание особо!) роли формирующихся в ВЧ-разрядэ приэяехтродных слоев про-
{
страистеенного заряда 1ПСГ.?) и связанных с ними вторично-эмиссионных процессов. Установлено, что существуют различные формы ВЧ емкостного разряда, которые отяичавтся явлениями, происходящими в ПСПЗ. Оказалось, что именно процессы в ПСПЗ ответственны за качественно разнуи пространственную структуру ВЧЕР при одних и тех ге внешних условиях: давлении и составе газа, величине иегэлектродного промежутка и ВЧ-напряжении на электродах. Таким образок реализуемая на опыте структура ВЧЕР не является однозначной функцией ВЧ-напряхения, приложенного к электродам. В частности, плотность разрядного тока при переходе из одной формы разряда б другую кожет изменяться на порядок и более, при этога величины напряженности электрического поля, концентрации электронов не только изменяются количественно, ко, что более интересно и сазшо. их распределение в мехэяектроднои промежутке становится качественно другим.
Приведенные факты свидетельствуют о больших потенциальных возможностях получения в ВЧ емкостном разряде плазмы с заранее заданными свойствами. Однако, для наиболее полной реализации всех отмеченных преимуществ ВЧЕР необходимо иметь ясиыэ физические представления о механизме формирования пространственно-временной структуры кагдой из наблюдаемых на опыте фор« стационарного ВЧ емкостного разряда, располагать сведениями об областя;: их существования и причинах перехода разряда из одной формы в другую-
Цель работ»:
- выявить основные факторы, определяощие физическуо природу реализующихся в эксперименте качественно различных типов стационарного ВЧ емкостного разряда, определить условия перехода иехду ними и возможность одновременного их сосуществования в едином иекзлектродном зазоре, выяснить роль диэлектрического покрытия электродов в различных формах ВЧЕР;
- найти причины неоднозначности параметров плазмы и при-¿лектродных слоев ВЧЕР при одинаковых внешних условиях (давлении и составе газа, частоте ВЧ-поля, ВЧ_напря*ении на электродах
а т 1.1;
определить области существования наблюдаемых на опыте форм ЬЧ емкостного разряда в зависимости от давления и состава газа, условий на поверхности электродов, частоты БЧ~поля, геометрия разрядного пронехутка и т д ;
предложить на основе анализа полученных экспериментальных
данных концепции и физические кэханнзш формирования пространственной структуры ВЧЕР б различных режимах горения, установить критерии перехода между возникающими в межэлехтродном зазоре формам« разряда, обосновать различие между ВЧ-разрядами среднего и низкого давления;
- изучить причины говкзенной устойчивости по отношении к контрагирозанио плазмы разряда е чнеокочастотном и комбинированном СВЧ + постоянной) полях;
- разработал, научные, основы рационального применения ВЧ емкостного разряда в технике газовых лазеров и других приложениях, например в: генераторах плазмы с малыми межэлектродными зазорами, плазменкьк технологических установках, датчиках механического перемещения и т. д.;
- показать возможность создания на основа ВЧЕР нового поколения прибороз квантовой электроники - щелевых газовых лазеров.
Научная иозизна работы заключается s том, что в ней:
- экспериментально доказано возникновение в газовом разряде среднего давления tр> 1 Topp), возбуадасмом синусоидальный ВЧ-напряжением, приэ^ктродных слоев пространственного заряда, постоянное напряжение на которых U0»VQ/e (где V& - электронная температура плазмы в эВ, е - заряд электрона), а их характерней толщина иного больше радиуса Дебая; ■>
- установлена саязь кеяду процесса?!'! размножения зторично-омиссиошшх электронов в ПСПЗ ВЧЕР и качественно различными формами существования БЧ-разряда: слабо- и сильноточной, причем пряными экспериментами показано, что при переходе ВЧЕР з сильноточную фориу активная проводимость ПСПЗ возрастает до величин, сравни ;ьк с проводимостью катодной области тлевшего разряда постоянного тока, а распределение концентрации электронов пе'к) и эффективного БЧ-поля (х - координата вдоль направления тока) в приэлектродных областях становятся подобными распределениям nQlx), Elx) в прикатодной зоне тлеющего разряда;
- обнаружены граишш области существования слаботочной фор?<ы ВЧ-разряда по давлению и величине кэаэлектродного прокпзутка при заданной частоте ВЧ-поля, составе газа и материале электрода и объяснены причины их появления;
- найден критерий перехода слаботочной формы ВЧ-разряда в сильноточный реюш, в основу которого положен пробой емкостных ПСПЗ с участием рторично-эмиссионных электронов; выявлен« прича-
ни и условия появления скачков на БАХ ВЧ-разряда при сиене режима горения Iформы существования) разряда, дано обоснование различия иекду емкостными ВЧ-разрядами икзхого и среднего давления;
развиты представления о физической природе обнаруженных эффектов нормальной (минимальной) плотности тока в слабо- и сильноточной формах разряда;
■ раскрыт механизм влияния частоты ВЧ-поля на характеристики обьеиной плазмы слаботочного ВЧЕР. объяснены немонотонный характер зависимости ВЧ-налряхения на электродах от давления газа при фиксированном энерговкладе и особенности стабилизирующего влияния ПСПЗ на объемный ВЧ-разряд з условиях, когда ток смещения превышает ток проводимости в слое;
- обнарукены и определены границы диапазона масштабирования в поперечном к току направлении объемной плазма сильноточного ВЧ-ра:¿ряда в зависимости от величины ывжэлектродного расстояния, т-е-найдена связь «ежду продольным и максимально возможным поперечны« размерами обьеиного плазменного столба сильноточного разряда;
- объяснено влияние материала и толщины диэлектрического покрытия электродов на характеристики ПСПЗ и плазмы ВЧ емкостного разряда; обнаружен а интерпретирован эффект нормальной плотности тска в ВЧ-гекераторах плазмы с диэлектрическим покрытием электродов;
экспериментально доказана возможность устойчивого стационарного горения сильноточного ВЧ-разряда в поднормальном режиме (по постоянной составляющей тока в ПСПЗ);
- получены данные о радиальной структуре ВЧ емкостного разряда; выявлено к объяснен явление одновременного сосуществования в единой иелэлектродно« промежутке различных форм разряда; пред-яокен механизм возникновения многоканальных разрядных структур в ВЧ-электрйЧёСком поле плоского конденсатора;
- обнаружена зависимость величины постоянной ЭДС, возникаю-еей иезду электродами БЧ емкостного разряда среднего давления, от режима его горения;
- экспериментально установлены причины повышенной устойчивости к контрагировакию коибинированного разряда в постоянной и БЧ-злектрических полях;
развиты новые представления о принципиальных особенностях использования БЧ£Р для ссьдания активно!! среди газовых лазеров на молекулярных, атомарных н ионных переходах в келевых зазорах разного поперечного сеченыя плоских, коаксиальных и профилирован-
нет, в том числе, выполненных в виде двух или более пересенаш-лх-ся в центре щелей;
- предложена методика управления пара?летрани плазменного столба со свободными боков: гш границами в разряде типа тлеющего.
Научная и практическая цанкость полученных в диссертации результатов и сделанных обобщений состоит в той, что сии позволили разработать концепцию формирования пространственно» структуры ВЧЕР и на ее основе выявить основные закономерности поведения ВЧ-разряда, что привело к создания нового поколения приборов квантовой электроники - щелевых газоразрядных лазеров с ВЧ-возбукде-нием, б частности, действуюшх образцоз малогабаритных целевых С02~ н СО- лазеров без быстрой проканкн рабочего газа мосзгастьв до 1 кВт. Это направление развития лазерной техники привлекает к себе повышенное вникание и у нас в стране и за рубегом. например: в Великобритании. ФРГ. США, Канаде, Израиле и др. проиыоленно развитых странах. Кроме того, полученные данные по пространственной структуре ВЧЕР доказывает возможность и целесообразность разработки щелевых лазеров и на других активных средах.
Подход, развитый в диссертации для анализа пространственной структуры ВЧЕР, позволил предложить и реализовать на опыте ието-дику стабилизации ВЧ-разряда с характеристиками, пронекуточишт между его слабо- и сильноточной формами, что представляет ¿обой реальный путь существенного расширения диапазона управления параметрами плазмы, а следовательно, и характеристиками устройств, в которых такая плазма попользуетел. например: плазнохнмическиии реакторами, установками для плазменной технологии и др. Поэтому погдого лазерной техники, полученные результаты могут наЯти применение:
- в современной плазменной технологии (при производстве СБИС в микроэлектронике и др. > поскольку именно в условиях ВЧЕР благодаря токам смещения в приэлектродных областях существенно расширяется диапазои управления параметрами ппазны ВЧ-разряда и ионными потоками в ПСПЗ;
- в плазмохимии для реализации к оптимизации ноихретиых химических процессов, требуощих применения плазмы с определенными характеристиками, поскольку ВЧ-разряд, как показано в диссертационной работе, является более гибкой газоразрядной системой по сравнение с разрядами постоянного тока;
- в приборостроении при создании датчиков: механического
перемещения» состава газа и др. из основе БЧ емкостного разряда;
- в физической гксперименте для возбухдения пяазкы с заданными свойствам;?, в том числа при разработке источников света с требуемый спектром излучения и интенсивностью.
Знание условий возбуждения той или иной форыы БЧЕР для решения указанных Еыше прикладных задач является принципиальным т.е., согласно результатам диссертация, дахе при одинаковых условиях опытов й меаэяектроднок зазоре могут быть реализованы качественно различные распределения параметров плазмы и ПСПЗ.
Автор вмкосит на защиту следующие основные положения:
- концепции и механизм формирования пространственной структуры ВЧ емкостного разряда среднего давления, т.е. разряда при pXJjM/V^p, где С^-0,2 ,-1,5 Торр-см - табулируемая константа, определяемая родом газа к материалом электрода, и = 2пГ - частота ВЧ~ поля, Удр - скорость дрейфа электронов в плазме;
- экспериментальное доказательство существования приэлек-тродних слоев пространственного заряда (ПСПЗ) ео ВЧЕР среднего давления и качественно различную их природу в двух формах разряда: слабо- и сильноточной;
- обнаружение и объяснение условий появления границ области существования слаботочной формы БЧЕР по давление и ме»электродному расстоянии в зависимости от частоты ВЧ-подя, состава газа к материала электродов или покрывающего их диэлектрика;
- экспериментальное доказательство и обоснование возможности стационарного горения сильноточного ВЧЕР в поднормальном режиме (по постоянной составляющей тока в ПСПЗ);
- методики определения активной проводимости ПСПЗ и результаты экспериментов, позволившие отождествить прпэлектродные зони сидызоточкого БЧЕР с катодной область» таегщего разряда постоянного тоха, repare б тех se условиях;
- раскрытие дехашзна и выявление условий перехода слаботочной форыи ВЧ еыксе-iüOi'Q разряда в сильноточный реаии горения;
- представление, о фцзкчаской природа обнаруженного эффекта нормальной (минимальной) плотности тока а слаботочном ВЧЕР;
- объяснение механизма влияния частоты на характеристики объемной плазмы слаботочного ВЧЕР;
- обоснование немонотонной зависимости ВЧ - напряжения на электродах от давления газа ври фиксированном экерговкладе в плазму и специфику стабилизирующего влияния ПСПЗ на плазменный
столб слаботочного ВЧЕР;
- выявление эффекта нормальной плотности тока в сильноточной форме ВЧЕР и его физическую интерпретации;
- обнаружение ограничения диапазона масштабирования объемной формы плазменного столба сильноточного ВЧЕР в зависимости от величины нежэлектродпого расстояния (нахождение связи между продольным к максимально возможным поперечным размерами пространственно однородного плазменного столба);
- объяснение влияния диэлектрического покрытия электродов на характеристики ПСПЗ и плазмы ВЧ емкостного разряда, обоснование эффекта нормальной плотности тока в ВЧ-генераторах плазмы с диэлектрическим покрытием электродов;
- установление критерия появления скачков на ВАХ ВЧЕР при сиене режима горения (формы существования) разряда;
- обнаружение и интерпретацию явления одновременного сосуществования в едином разрядном промежутке различных форм ВЧЕР;
- методику и результаты исследования радиальной структуры ВЧЕР; механизм возникновения многоканальных разрядных структур г ВЧ-электрическом по: г плоского конденсатора;
- выявление причин и условий возникновения постоянной ЭДС между электродами ВЧЕР среднего давления;
- постановку и путь репения задачи о повышенной устойчивости к контрагированп» комбинированного разряда в постоянном и 34-электрических полях;
- концепции рационального использования ВЧ емкостного разряда в лазерной технике;
- разработку научных основ и создание нового поколения приборов квантовой элег.трокикч - щелевых газовых лазеров;
- способ формирования профиля лазерного луча в блинней зоне щелевого газового лазера;
- методику управления параметрами плазменного столба со свободными границами в стационарном' тлеющем разряде.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: XX Международной конференции по явлениям в ионизированных газах (Пиза, Италия, 1991); XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград,1991); XI Европейской конференции по атомный и молекулярный процессам в ионизованных газах (С.Петербург,1992); Всесоганых конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 3979; Ленинград, 1983; Минск,
1891); Всесоюзных конференциях но физике газового разряда (Киез, 1S86; Махач::а;:з, 1933; Омск, 1930: Казань, 1S92); Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы (Каунас, 1886; Новосибирск,1989); III Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве" (Шатура, 1939); VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград. 1990); I и II Всесоюзных симпозиумах по радиационной плазмоданаишее (Джан-Туган,1933; Кацивелла,1991); II Всесоюзном совещании г.о физике электрического пробоя газов 'Тарту, 1984); Всесоюзных совевдкиях "ВЧ-разряд в волновых полях" (Горький, 1987; КуйбшегДЭЗЭ); Научном сонете АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика" (Москва, ИЗТаН,1379); секции "Лучевые способа сварки'1 Научного совета ГКНТ СССР по проблеме "Новые процесса сварки и сварные конструкции" (Киев, ИЗС им. Е.О.Патана, 1989); секции "Спектроскопия плазмы я процессы ионизации" Научного совета АН СССР по комплексной проблеме "Физика низкотемпературной плазмы" (Ленинград, ЛГУ, 1930); ХП конференции молодых исследователей ИТФ СО АН СССР (Новосибирск, 1978); Всесоюзных семинарах: "Теория машин и механизмов АН СССР" (Каунас, КИИ, 1987); "Лазерная техника и технология" (Вильнюс, ЙФ Литовской АН, 1938); "Высокочастотный пробой газов" (Тарту, ТГУ, 1989); II Межотраслевом семинаре "Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике" (Харьков, ХГУ, 1991); "Получение, исследование и применение низкотемпературной плазмы" (Москва, ИНХС АН СССР им- А.В.Топчиэва, 198В); "Физика разрядов и взаимодействия лазерного излучения с веществом" (Москва, НПН АН СССР, 1980, 1984, 1986, 1987, 1988, 1991); научных конференциях МФТИ в 1972, 1976, 1977, 1933гг.; научных семинарах ФИАН им. П. Н.Лебедева б 1989, 1990гг.; НИЦТЛАН СССР в 1988, 1992; ШШ РАН и на других конференциях и совещаниях.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано свыше 50 работ, включая и авторские свидетельства на изобретзиия, список основных иэ которых приведен в конца автореферата.
Вклад автора. Личный вклад автора в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, яаляется определявшим.
Объем работы. Диссертация состоит кз введения, сени глав, краткого приложения и заключения. Она содержит 370 страниц машинописного текста, в той числе 109 рисунков на 64 стр. и список литературы из 224 наименований.
II. СОДЕРЖАНКЕ РАБОТУ
Во сведении обосновывается актуальность темы диссертации сформулированы цель и загачи исследования, дано краткое содержание работы по глава!?, излоуенн основные положения и результаты, выносимые на защиту.
Первая глава дяссер*ац"и является вводной в предмет исследования- В ней показывается место БЧ емкостных разрядов среди других методов получения объемной низкотемпературной плазмы. Кллвстрируится наиболее характерные особенности ВЧЕР, которые предоставляют ему безусловные преимущества перед разрядами постоянного тока, обеспечивают возможность белее гибкого управления параметрами плазмы и ПСПЗ а тем самым расширяют область практического применения такого типа разряда в диапазоне давлений газа от долей Торра до атмосферного и частот БЧ-полл от единиц до сотен МГц. Лаются обгцие представления о формах существования ВЧ емкостного разряда. Обсуждается неодяоаьачпость параметров плазмы и ПСПЗ БЧЕР при близких условиях возбуждения. В частности, приводятся экспериментальные данные свидетельствуйте о том, что при одинаковых внешних -словиях - составе и давлении газа, геометрии и величине мэжэлектродного зазора, частоте ЗЧ-поля и ВЧ-напряже-нии на электродах, в мехэлехтродном промежутке могут быть реализованы качественно разные формы ВЧЕР, названные условно сяафо- и сильноточной- Отличаются они при прочих одинаковых условиях величинами плотности разрядного тока активными сопротивлениями Ла1>>Д„2, различными распределениями свечения плазмы и т.д. '•V Йа1 и йа2 ~ ппоткость тока и активное сопротивление ВЧЕР в слабо- и сильноточной формах).
Показывается, что указанная неоднозначность наблюдаемых на опыте форм ВЧЕР связана с физикой процессов в прнэлектродньж областях. В слаботочной форме ВЧ разряда влияние вторично-эмиссионных электронов на структуру' ПСПЗ и прилегающей к ним плазмы незначительно. Напротив, в сильноточном ВЧЕР именно процессу, ионизационного размножения вторичных электронов определяют структуру и свойства ПСПЗ и соседних с ншш областей плазмы. Экспериментально найдено, что толщина ПСПЗ сильноточного ВЧЕР а^ практически не зависит от частоты ВЧ-поля V?, но обнаруживает сильную зависимость от давления газа и материала электрода
сгсл2 « сг/п = с1/1р{т0/т))! (1)
где константа, определяемая составом газа и материалом э.тек-
о
трода получанная при З^-ЗОО К, Т - температура газа в ПСПЗ, N -плотность газа. Толщина ПСПЗ в слаботочном ВЧ-разряде напротив, слабо зависит от давления и материала электрода, "но сильно от частоты БЧ поля
где У^р- скорость дрейфа электронов в плазменном столбе, которая определяется составом газа и величиной приведенного электрического поля в плазме
Анализ полученных в работе типичных вольт-амперных характеристик !ВЛХ) разряда совместно с другими данными о его пространственной структуре позволил установить, что слаботочная форма ВЧЕР реализуется в диапазоне плотностей тока а сильноточ-
ная - при ¿гЧй^пр (-'н1' ^н2~ минимальные (нормальные) плотности тока в слабо- к сильноточной формах, максимальное значение при котором наблюдается переход ВЧЕР в сильноточный режим). ВЧ-разряд с JПr)<J<Jr2 на голых электродах невозможен.
Обнаружено, что если сила разрядного тока в слаботочном ВЧЕР /вч1 такова, что ^ц^н^зл' где £эл- площадь электрода, то наблюдается уменьшение поперечного сечения плазмы и ПСПЗ разряда 5пл3 до тех пор, пока па выполнится равенство: То
ае самое справедливо и для сильноточной формы, но с другой плотностью тока Таким образом обеим формам ВЧЕР присущ эффект нормальной плотности тока, т.е. эффект, при котором плотность разрядного тока не зависит от величины полного тока.
Предлагается механизм перехода слаботочной формы ВЧЕР в сильноточну». В основу его положены представления о пробое емкостных ПСПЗ слаботочного ВЧЕР с участием вторично-эмиссионных электронов, когда при определенной ВЧ-напрякении на ПСПЗ толщиной в них выполняется условие, подобное критерий Таунсенда для пробоя газовых промежутков в постоянном электрическом поле
здесь у - коэффициент вторичной эмиссии электрода, являющегося катодом, сс - коэффициент объемной ионизации, Е - напряженность электрического поля в ПСПЗ-
Особо выделена проблема постоянного потенциала плазмы и' относительно электродов в разрядах, поддерживаемых синусоидальным
(2)
7 <3>
Ю
быстроперемешшм полем. Критически проанализированы известные результаты по данному вопросу особенно при средних давлениях. Сделано это по двум причинам. Во-первых наличие высоких UQ»Te/e iTQ- электронная температура в плазме, е-ззряд электрона) является прямым доказательством суцествования в пространственной структура ВЧЕР призлектродкг-: слоев пространственного заряда, что необходимо для понимания физики рго горения и процесса перехода неаду слабо- и сишюточньш форами. Во-вторых корректная информация о величине UQ важна при решении задач современной плазменной технологии (микроэлектроники п т.д.), диагностики плазмы и др. Показывается, что независимо от давления гага, величина постоянного потенциала плазмы UQ определяется ВЧ-напряжением на приэлектродных слоях, которые неизбежно возникает в стационарных ВЧ емкостных разрядах из-за большой разницы в массах электронов mQ и положительных ионов М^. Действительно, условие стационарности ВЧ-разряда требует, чтобы число элек—ганов и ионов, выпадающих на каздый электрод за период БЧ-поля, было одинаковым- Но при V<*i это возкожно только при появлении ПСПЗ-
В последних двух параграфах главы рассматриваются наиболее распространенные применения ВЧЕР: в лазерной технике - для повышения порога контракции плазмы разряда постоянного тока, в плазменной технологии, в приборостроении и др.
Вторая глава посвящена условиям проведения экспериментов и основным методам исследования пространственной структура ВЧ емкостного разряда. В ней сформулированы требования, предъявляемые к экспериментальной установке я- дано ее описание. Показана специфика использования резонансных свойств цепей согласования ВЧ-генератора с разрядной камерой в условиях неоднозначности параметров ВЧЕР от величины ВЧ-напряхения на электродах, обсуждены возникающие при этом гистерезисныэ явления-
Эксперименты проводились в а тог,гарных (кг, Не, Не- Хе) и молекулярных газах (СО,COg,Hg.Og.CCl^,воздухе и др.), а такяз их смесях в диапазоне давлений 1-föOO Topp- БЧЕР возбуждайся в стационарном И импульсном режимах между водоохлаждаемыми электродами различной геометрии (плоской, коаксиальной, со • сложным профилем, в том числе и с переменным межэлектродным зазором)-, выполненными из алюминиевых, медных, никелевых и железных сплавов. В ряде опытов электроды покрывались диэлектриком толщиной 5. Применялись и жидкие диэлектрики. Межэлектродное расстояние h могло изменяться <с точностью Ю"2 см) от 0 до 50 см. Площадь электрода S достигала
о р
10° см , а наибольший линейный размер 2 м. Максимальная колебательная мощность ка выходе ВЧ-генератора составляла 6 кВт в диапазоне частот от 1 до 81 МГц.
Измерялись основные электрофизические характеристики ВЧЕР: мгновенные я эффективные значения ВЧ-напряжения на электродах Увч, плазменном столбе #пл, ЮЗ üQn< ВЧ-тока Iß4 к его плотность J, фазовые соотношения между 'и Гвч, тепловой поток q ка электроды. Обращается внимание на трудности получения корректных ВАХ ВЧ-разряда в цело« и его отдельных частей. Предлагается методика измерения ВЧ-напрменая на плазме слаботочного ВЧЕР Ü путем компенсации ЬЧ-капрягения на ПСПЗ Ucn за счет введения в разрядную цепь дополнительной индуктивности. Тщательно проанализирована!; возможные методические овибки при измерении в ВЧ полях постоянного потенциала плазмы. Описывается результаты специально поставленных экспериментов по выяснению влияния на точность измерения UQ паразитных емкостей зонда и блокирующего его элемента, которые не позволяли раньве зафиксировать в ВЧ-разряде среднего давления высокие значения ¡/0-
Подробно рассмотрен батарейный эффект в емкостной ВЧ-разряде и его использование для подтверждения существования высокого постоянного потенциала плазмы относительно электродов (стенок разрядной камеры под электродами) при р>1 Topp.
Значительное внимание уделено во второй главе разработанный е диссертации методикам активного зондирования ВЧЕР постоянным электрическим током, применение которых позволило однозначно решить вопрос о механизме протекания разрядного тока в ПСПЗ ВЧ-разряда vi получить надежную информацию о пространственной структуре стационарного ВЧЕР, величинах активной проводимости ПСПЗ и плазменного столба в различных формах разряда, толщинах слоев асл1* ^сд2 и т"д' привлекательность метода активного зондирования постоянным электрическим током именно ВЧ-разряда обусловлено простотой разделения разрядного Гвч и зондирующего Гд тока путем использования частотно-зависимых элементов (конденсаторов, катушек индуктивности). При этой возможно пропускание зондирующего тока Г3 как вдоль направления протекания 1т (ПСПЗ и плазма включены последовательно по отношении к зондирующей цепи), так и во взаимно перпендикулярных направлениях (ПСПЗ и плазма включены параллельно). Предложенным методом удалось измерить в обоих формах ВЧЕР ь-'личину активного сопротивления ПСПЗ йсл=С7з5пл/'^з постоянное напряжение приложенное к ВЧ-электродам), а также пол~
ный импеданс слоев ^л'^-цц^цу/ отнесенные к единице площади ПСПЗ, и вычислить эффективную толщину ПСПЗ в каждом режшле горения
<гсл=ссо"/(1/2сл-1/4,1/2' <4'
где ео=8,85-10 ~ Ф/к; с=1. Уменьшение влияния плазменного столба на точность измерений обеспечивалось выбором минимально возможного межэлектродного расстояния 1П, при котором еще можно было реализовать требуемую форму горения ВЧЕР. С другой стороны отмечается, что контролируемое изменение К особенно при условии поддержания неизменными температуры газа Т и плотности разрядного тока ./вч позволяет использовать метод зондирования ВЧЕР постоянным электрическим током и для измерения параметров плазменного столба.
Анализируются методики экспериментального доказательства существования эффекта нормальной плотност" тока в обоих формах ВЧЕР и степени влияния электронных пучков на параметры приэлектроднон плазмы. Описываются оптические методы исследования пространственно-временной структуры ВЧ-разрядов.
В конце главы рассмотрена оригинальная невозмущавщая разряд методика экспериментального анализа поперечной структуры ВЧЕР.
В третьей главе диссертации представляются результаты изучения слаботочной формы ВЧЕР, т.е. ВЧ-разряда, в котором процессами ионизационного размножения вторично-эмиссионных электронов з приэлектродных слоях можно пренебречь.
Обнаружено, что конкретные значения минимальной (нормальной) плотности тока в слаботочном ВЧЕР зависят от состава и давления р газа, величины мекэлектродного промежутка ?г, частоты ВЧ-поля «, толщины 5 и диэлектрической проницаемости с„ материала, покрывающего электроды, а такие условий охлаждения разряда. При этом увеличивалась с ростом р, К и, с^/3 и интенсивности охлаждения. Обсуждается предложенный на основе анализа полученных опытных данных механизм формирования пространственной структуры слаботочного ВЧЕР, приводящий к эффекту нормальной плотности тока. Показывается, что ПСПЗ, всегда возникающие в ВЧ емкостном разряде, имеют при растущую ВАХ, тогда как ВАХ плазменного
столба ./) самостоятельного ВЧЕР в большинстве случаез падающая и мокет быть аппроксимирована при средник давлекнх вырагениеи
ГЗ
здесь с1пл=(1~2с£сл1- дыша пяазнэикого столба; С, а - величины, определяемые составом газа, причем ав1- Зто приводит к немонотонной зависимости ВЧ-напряяения на электродах U U) от плотности разрядного тока J, появлению у нее мшпшума который
оеализуется при некотором J-JHl
¿нгЫЛп^А^гТ^. (6)
Выражение (Б) мохет быть получено и путем анализа на устойчивость системы: ПСПЗ - плазменный стол б, причем iKj соответствует 1,:;:ни-калыюй плотности разрядного тока, при которой возмогло устойчивое стационарное- горение слаботочного ВЧЕР- Режимы горения ВЧЕР с J< J.^ на опыте не реализуются, т.к. они неустойчивы и требуют больших При /uis3JI наблюдается уменьшение поперечного
сечения разряда от S^ до Sm> при котором Л;15ш1=1вч'
Обсуждается важный для многих приложений ВЧЕР факт ограничения области существования слаботочного ВЧ-разряда по давление и нехэлектродному расстоянии, установленный в данной работе. Приводятся экспериментальные результата, которые показывают, что при превышении предельных (граничных) значений по давлении р или по величине ы&хэлектродного расстояния h стационарное существование слаботочного ВЧЕР становится невозможным. Устанавливается, что данное явленна вызывается: 1) ограничением сверху ВЧ-напрякения на ПСПЗ 0'сл значением с/Пр=^пр^др/сеои2, прн КОТ°РОМ выполняется И) и происходит пробой слоя с участием вторично-эмиссионных электронов; 2) монотонным увеличением с ростом р или h (6), которое является следствие« самоорганизации устойчивого стационарного состояния в системе ПСПЗ - плазменный столб ВЧЕР и влечет за собой возрастание минимального ВЧ-напряжения на ПСПЗ. Получено выражение, определяющее границы области существования слаботочного ВЧЕР по давлении и величине зазора
се (ßifi 2V
<i*>KP = -faff- * lP-Р ■ <7)
Предлагаются возможные пути расширения области существования слаботочного ВЧЕР, например: за счет покрытия электродов диэлектриком, изменения ВАХ плазменного столба и др.
Подробно исследуется механизм влияния частоты ВЧ-поля на основные параметры плазменного столба и ПСПЗ слаботочного ВЧ емкостного разряда- Демонстрируется, что проводимость плазкы ВЧЕР »пл и величина концентрации электронов «е в ней определяются на
толысо локальным ионизационный балансом заряаепннх частиц, но и пространственной структурой разряда, в особенности условиями замыкания разрядного тока ка границе плазма - электрод, где формируются ПСПЗ с частотно-зависимыми свойствами. Найдено, что на фиксированной частоте В11-поля можно путем изменения ВЧ-напряжения яа электродах регулировать ле в плазменной столбе слаботочного ВЧЕР в диапазоне
(8)
где гСЛН1=^Н1/ссои; -пр=;пр/ссо"; 'V подвижность электронов, Епл1* электрические поля з плазменном столбе при минималь-
ном и максимальном значениях п„.
е
Пользуясь представлениями о слоевой структуре слаботочного ВЧЕР, включающей емкостные ПСЯЗ и плазменный столб, удалось обосновать зависимость от частоты ВЧ-поля минимального ВЧ-напряжения на электродах в слаботочном ВЧЕР и найти ее величину
(ь>)
1
!И(П1 * ~
Г4СГ "¡1/2
¿Е-рсЦ . (9)
есо
В этой же главе выявляется причина немонотонной зависимости БЧ-напряжения на электродах от давления газа ^ВЧ<Р> при фиксированном энерговкладе в плазму и определится значения давления газа Р„ для разни;: частот ВЧ-поля, при которых функция (р) достигает минимума. В рамках слоевой модели слаботочного ВЧЕР получено
11/2
р » Д.
ш
,пл 1В.
с:
(10)
где е=Вп/р,
Представлены экспериментальные данные сб энергетических характеристиках слаботочного режима горения, з том числе и о потерях электрической мощности в ПСПЗ прл различных ь>.
Обсуждаются особенности стабилизирующего влияния емкостных гфпэлектродных слоев на плазменный столб слаботочного ВЧЕР. Устанавливается, что с увеличением плотности разрядного тока отрицательная обратная связь' а системе ПСПЗ - плазменный столб становится более глубокой, т.е. стабильность разряда возрастает.
Четвертая глава полностьп посзядаяа сильноточному режиму горения. 3 ней приводятся экспериментальные результаты по измерз* на» активной проводимости ПСПЗ в данной форме разряда 0"сл2> коюрая оказалась аномально высокой по отное-энкв х проводимости
ПСПЗ слаботочного ВЧЕР ссл]. но сравнимой с проводимостью катодной области тлещего разряда постоянного тока <г„, горящего в тех
¿V
хе условиях. Приводятся результаты экспериментов, которые впервые позволили выявить в пространственной структуре ВЧЕР (его сильноточной форма), переходные области между ПСПЗ и положительным столбом, отличающиеся низкими электрическими полями, но повышенной концентрацией заряженных частиц (аналогов тлеющего свечения к фарадеева темного пространства), чей характерный размер вдоль тока <3П2 существенно превышает толэдну ПСПЗ сильноточного ВЧЕР йстр при прочих одинаковых условиях. Представлены опытные данные по влиянии на величину <2П? пучков быстрых электронов с энергией ~еУсп2' Формируемых б ПСПЗ, а также диффузии электронов из области тлеющего свечения. Заметим, что с пространственной структуре слаботочного ВЧЕР также моено выделить переходные области мегду ПСПЗ и плазменным столбом. Однако, как показывает опыт, их характерный размер вдоль направления тока сЗп1-с!сл1, а напряженность БЧ-поля е них превосходит соответствующую величину в плазменном столбе.
Обсугдается природа обнаруженного эффекта нормальной плотности тока в ПСПЗ сильноточного ВЧЕР. Дается объяснение факту превышения минимальной (нормальной) плотностью тока в ПСПЗ сильноточного ВЧЕР Jк2 величины нормальной плотности тока обычного глеюсе-го разряда ,/к при одинаковых условиях - давлении, составе газа и материале электродов. Находится выражение для нормальной плотности тока JV2 в сильноточном ВЧЕР
•>н2 " +
где С1, С^- табулированные константы определяемые составом газа и материалом электрода, полученные при Го=300 К, и - ВЧ~напряжение на 11СПЗ сильноточного ВЧЕР, величина которого также зависит от состава газа, материала электрода и близка к катодному падении потенциала в тлеющем разрде постоянного тока.
Приводятся опытные данные и соответствующий анализ условий исчезновения постоянной эдс между электродами асимметричного ВЧЕР и, напротив» обсуядаптся причины появления эдс в ВЧ емкостном разрлде с одинаковыми электродами.
Изучается обнаруженный в экспериментах эффект влияния величиям металектродного расстояния Л на максимальный поперечный раз-Гл-р пространственно-однородного плазменного столба сильноточного
се„ и « о_к
б'1б'2р( у а-
(ш
ВЧЕР в отсутствии стенок, ограничивающих разряд. Установлено, что увеличение тока через неограниченный боковыми стенками сильноточный ВЧЕР приводит к соответствующего увеличению поперечного сечения плазменного столба только до определенного диаметра <2хр. При дальнейшем увеличении 1т тлеющее свечение продолжало расширяться, а плазменный столб терял однородность в поперечном к току направлении и превращался в шнур. Экспериментально определено, что с2нр зависит от давления и величины зазора Н. Обсуждается механизм этого явления.
Тщательно исследуются особенности сильноточного ВЧЕР с электродами, покрытыми непроводящим материалом. Выявляется и объясняется эффект нормальной плотности тока в ВЧ-генераторах плазмы с диэлектрическим покрытием электродов, устанавливается зависимость величины нормальной плотности тока от толщины покрытия, его диэлектрической проницаемости и частоты ВЧ-поля.
В пятой главе подробно рассматривается процесс перехода между слабо- и сильноточной формами БЧ емкостного разряда.
Сопоставляются полученные в работе экспериментальные результаты, свидетельствующие о качественно разных механизмах формирования ПСПЗ в слабо- и сильноточной формах. В частности, приводятся опытные данные, доказывающие появление вблизи ПСПЗ сильноточного ВЧЕР областей с максимальными л2 и практически нулевыми электрическими полями, что позволило сделать вывод о разном механизме формирования ПСПЗ в слабо- и сильноточной формах. В первом случае активная проводимость слоя <г ! и само его существование обеспечивается ионизационными столкновениями плазменных злетроноз в переходной области ПСПЗ - плазменный столб. В сильноточном ВЧЕР активная проводимость о"СЛ2 и баланс заряженных частиц в ПСПЗ поддерживается за счет ионизационного размножения вторичных электронов в самом слое т.е., в фазе пространственного заряда, а переходная область сгп2 появляется как и., следствие, аналогично фарадееву пространству в тлеющем разряде постоянного тока. Поэтому неудивительно, что исключение переходной области й^ из межэлектродного промежутка при сближении электродов не приводит к погасанию ВЧЕР, как это имеет место в слаботочной форме.
В этой же глава представляются экспериментальные дашшэ со интегральных характеристиках ПСПЗ в различных режимах горения ВЧЕР. Объясняются причины снмеиия устойчивости слаботочной форгщ ВЧЕР по отношению к переходу з сильноточный режим при уменьшении частоты ВЧ-поля. Обосновываются преимущества и недостатки слабо-
точного ВЧЕР по сравнение с тлеющим разрядом постоянного тока и сильноточной формой ВЧ-разряда. Изучается влияние температурного режима электродов, толщины их диэлектрического покрытия на характеристики ПСПЗ и условия перехода ВЧЕР в сильноточный регам.
Особо следует отметить обнаруженный в работе факт, что наличие диэлектрического покрытия электродов определенной толщины позволяет получить на опыте параметры ПСПЗ, идентичные поднормальному режиму катодной области тлеющего разряда постоянного тока, который, как. известно, 51е реализуется при средних давлениях ни в самостоятельном разряде постоянного тока, ш; в ВЧ-разряде с "голыми" электродами из-за падающей ВАХ ПСПЗ в условиях, когда баланс заряженных частиц обеспечивается ионизационными процессами в слоях. Ценность этого результата в том, что он раскрывает механизм влияния толщины диэлектрического покрытия электродов во ВЧЕР среднего давления г.а параметры ПСПЗ и характеристики неограниченного стенками плазменного столба.
Лается сравнительный анализ предложенного в данной работе критерия перехода ВЧЕР в сильноточную форму и критериев, введенных позднее другими авторами. Экспериментально показывается, что характер перехода (плавный или скачкообразный* зависит при проча:: одинаковых условиях (состав газа, материал электрода к т.д.) от соотношения между давлением газа и частотой ВЧ-иояя. Установлено, что существует р", такое что при веек р*р* переход мггду формами БЧЕР плавный, а при р>р - скачкообразный, причем
р*=иСхтюТ0 . (12)
Соотношение <12) имеет простой физический смысл - при его выполнении сгсл1=асл2. Ясно, что при р<р* - ЙСЛ1<ЙСЛ2- В это?.: случае пробой емкостных слоев толщиной с?сл1 затруднен из-за уменьшения числа ионизаций вторично-эмиссионными электронами в пределах ПСПЗ Iситуация аналогична пробою в постоянном электрической поле на левой ветви кривой Пасена), ко вклад пучков быстрых электронов, порождаемы): ПСПЗ, в ионизации за пределами слоев возраста ..г. Показывается, что указанные особенности кинетики ионизации вторично-эмиссионныш электронами определяют физическую сущность различия «екду ВЧЕР низкого Iр<р ) и среднего <р»р > давлении.
Обсуждается установленная экспериментально возможность одновременного сосуществования в едино« медэлгктродном зазоре обеих ферм ВЧЕР, если П&ч л Гсч удовлетворяют условия«
1 о
^inl^einZ (13)' V^V'Ä • О4)
Здесь üain2 - минимальные Um на электродах, соответствую-
щие -нормальным слабо- и сильноточной формам ВЧЕР.
Если (13) не выполняется, а -вч<^н25эл' то эксперимент показывает, что переход от проводящей области тлеющего свечения сильноточного ВЧЕР к нейтральному газу происходит через промежуточные* состояния - ПСПЗ и плазненку» зону слаботочного ВЧЕР.
Находятся причины возникновения упорядоченных многоканальных структур в ВЧ емкостном разряде.
Показываются преимущества генерации плазмы в узких щелевых зазорах с ВЧ-всзбувдением за счет расширения диапазона управления параметрами плазмы ВЧЕР.
Выясняются возможности управления ионными потоками на границе ВЧЕР - твердое тело (жидкость). Отмечается, что путем независимого изменения частоты ВЧ-поля и ВЧ-напряжения на ПСПЗ ^сл> можно селективно влиять на параметры ионного потока - его энергию и плотность ионов в нем.
В шестой главе основное внимание уделено стационарному разряду в комбинированных <ВЧ+лостоянное) полях. Обсуждаются способы и особенности возбуждения комбинированного разряда во взаимно перпендикулярных и параллельных ВЧ и постоянных электрических полях. Приводятся вольт-амперные характеристики комбинированного газового разряда, снятые при разных уровнях вкладываемой в плазму ВЧ-мощности.
Подробно рассматриваются причины изменения длины аналога фарадееза темного пространства в нормальном и аномальном режимах сильноточного ВЧЕР. Анализируется влияние на данный процесс диффузии заряженных частиц вдоль разрядного промежутка и быстрых электронов, рождающихся в ПСПЗ. Выявляется эквивалентная схема сильноточного ВЧЕР и на ее основе предлагается интерпретация ВАХ комбинированного разряда.
Особое внимание уделяется изучению условий подавления контракции тлеющего разряда постоянного тока при наложении на него внешнего ВЧ-поля. Показывается, что известный эффект повышения порога контракции в комбинированном разряде во взаимно перпендикулярных полях, обусловлен не столько ьзаш'поИ ориентацией векторов напряженности постоянного и ВЧ-подей, сколько высокой устой-чивостьо по отношению к контрагировашго собственно БЧ емкостного разряда при малом межэлектродном зазоре.
1 9
Седьмая глава целиком посвящена приложениям ВЧ еькостного разряда, причем акцент сделан на использовании ВЧЕР для создания активной среды газовых лазеров. Обсуждается причины, приводящие к необходимости использования ВЧ-разряда в лазерной технике несмотря на: 1) более сложные источники питания по сравнению с разрядами постоянного тока, 2) проблемы согласования ВЧ-генератора с разрядом, 3) экранировку окружающего лазер пространства от ВЧ-подей.
Дается сравнение методов возбуждения газовых лазеров разрядом постоянного тока (PET) и ВЧЕР. Указываются преимущества и недостатки ВЧ-возбукденпя рабочей среды газового лазера. На основании полученных б работе данных о пространственной структуре ВЧ емкостного разряда формулируются рекомендации по выбору режима горения ВЧЕР дья решения конкретных задач лазерной физики.
Особенно подробно рассматриваются СС^лазеры с БЧ-накачкой рабочей среды и диффузионным охлаждением. С учетом полученных в диссертации данных о пространственной структуре ВЧЕР анализируются экспериментальные результаты по влиянию на характеристики активной среды С05-ла?ероз частоты ВЧ-поля, величина ¡^электродного расстояния, геометрии электродов и их диэлектрического покрытия е разных режимах горения ВЧЕР. Изучаются наиболее яркие представители семейства газовых лазеров с ВЧ-накачкой - целевые и многоканальные газовые лазеры, появление которых стадо возможным благодаря новым данным о формах существования ВЧЕР. Принцип действия щелевого лазера прост. Малый размер щелевого зазора определяет удельные (интенсивные) параметры активной среды, а два других размера задают его интегральные (экстенсивные) характеристики, напрнкер, мощность излучения. При этом отсутствие боковых стенок ведет к новому качеству: 1) исключается влияние стенок. на ионизационный баланс в плазме л 2) уменьшается диффрахционная расходимость лазерного луча (по крайней мере в одном направлении).\
Устанавливается, что выходная мощность газового лазера с накачкой БЧЕР (в том числе и "целевого) не является пр.. прочих овднаковых условиях однозначной функцией мощности, вкладываемой в разрядный промежуток, и частоты ВЧ-поля, а определяется еще и режимом горения ВЧЕР (слабо- или сильноточным). Показывается возможность использования сильноточной формы ВЧЕР для накачки С0£ лазгрой с диффузионным охлаждением. Анализируются необходимые для этого условия.
Найдена, что предельная мощность ВЧ-поля, поглощаемая в
го
слаботочном ВЧЕР '»'/(/), возрастает с увеличением частоты при фиксированных остальных параметрах, при этом большая часть ;V(/) (до 90%> выделяется в плазме разряда, а ле в ЛСПЗ, как это нмеот место в сильноточном БЧЕР при налах межэлэктроднкх зазорах. Киеино это обстоятельство и позволяет создавать активну» среду газового лазера на атомарных либо молекулярных переходах (например COg-лазера с диффузионным охлаждением) в узких щелевых зазорах, причем особенность» газовых лазеров с щелевым межэлектродным зазором является возможность резкого (з Ю+Ю0раз) увеличения их выходкой мощности при малых габаритах и кассе излучателя, широкий спектр допустимых конструктивных решений, простота управления выходными параметрами лазерного луча, возможность отказа от быстрой прохачки активной среды в мошшх ^-лазерах к т. д.
Обосновывается вывод о tq;s, что цэлевые лазеры представляют собой новое поколение мощных (Х^-лазеров для технологии и других применений. Показывается возможность получения в щелевых СО^-лазерах мощности генерации, отнесенной к единице поверхности электрода, до 2 Вт/см^ при относительно малых потерях электрической мощности в приэяектродных областях, высокой устойчивости плазмы ВЧЕР по отношению к контрагировамш и низком ВЧ-напряжении на электродах (150 т 300 В).
Обсуждается такая важная особенность слаботочного ВЧЕР в узком целевом зазоре, как возможность заполнения плазмой межэлектродного зазора слояного профиля, з том числе и с различной величиной межэлектродного промежутка. Эта особенность позволяет управлять формой лазерного луча щелевого лазера в ближней зоне излучения и на ее основе осуществить новый способ реализации маркировки.
Отдельный раздел главы посвящен результатам изучения оптических характеристик целевого СС^-лазера. Обнаружено, что щелевая элехтродно-волноЕодная система С^-лазера с диффузионным охлаждением активной среды позволяет не только увеличить мощность лазерного излучения за счет нарадаания объема активной среды, но и приводит к новому качеству - уменьшении угловой расходимости излучения, связанного с больший размером если.
Описываются конкретные действующе образцы щелевых СО^-лазе-ров мощностью до 1 кВт, габариты излучателя которых составляют около 150x150x500 т^, а масса ~Ю кг. Спи разработаны на основе развитых в работе представлений о формах существования ВЧЕР.
Обсуждаются особенности применения ВЧ емкостного разряда для накачки быстропрогочиых СС^-лазеров, а такге газовых лазероз с
рабочими средами отличными от COg. в частности, щелевых СО и г е я ни - н а о и о е ¡л:-: лазеров-
В конце главы на основе полученных в диссертации результатов о пространственной структуре ВЧЕР выявляется механизм возникновения полезного сигнала в электронно-механических преобразователях линейных перемещений (механотронах), что позволило увеличить чувствительность механотрона и дало возможность влиять на форму его выходной характеристики.
В приложение к диссертации вынесены оригинальные результаты, полученные при исследовании особенностей пространственной структуры неограниченного стенками тлеющего разряда (НСТР)> возбуждаемого от источника постоянного тока. Доказывается возможность управления в стационарном режиме КСТР параметрами плазменного столба со свободными границами, длиной фарадеева темного пространства и т.д.
Обсуждается пространственная структура автоколебательного режима КСТР, условия его возникновения и формы реализации.
III. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДУ
Полученные в диссертационной работе экспериментальные результаты и их анализ позволили разработать концепции формирования пространственной структуры высокочастотного емкостного разряда, в основу которой положена идея самоорганизации устойчивых стационарных состояний в системе: ПСПЗ-плазменный столб. Таким образом фундаментом всей работы являются представления о слоевой структуре ВЧ емкостного разряда, которые приводят к простому решении многих неразрешимых ранее задач физики ВЧ емкостного разряда и его многочисленных приложений.
Основные итоги настоящей работы могут быть кратко сформулированы следующим образок.
Разработаны и апробированы экспериментальные методики исследования пространственной структуры ВЧЕР, позволившие впер ыа:
1) получить опытные данные о высоком постоянном потенциале плазмы ВЧ емкостного разряда относительно электродов при р»1 Topp, т.е. доказать, что б стационарном ВЧЕР у поверхности электродов или сопряженных с ними стенок разрядной камеры всегда формируется приэлектродные спои пространственного заряда, причем независимо от давления газа величина порождаемой Г.СПЗ постоянной разности потенциалов между плазыей БЧЕР и каждым из электродов (стенкой) иохет во много раз превышать "плавающий" потенциал,
определяемый электронной температурой плазмы;
2) установить пряными экспериментами, что ВЧ емкостной разряд с холодными электродами реализуется на опыте в качественно различных формах: слаботочной, когда вторично-эмиссионные процессы практически не влияют на структуру приэлектродных слоев и прилегающей к ним плазмы (характерная толщина ПСПЗ в этом случае с?сл1=7др/и, а активная проводимость °"СЛ1<<<ГК> где <г% - проводимость катодного слоя тлеющего разряда, горящего в тех же условиях) и сильноточной, в которой именно процессы ионизационного размножения вторично-эмиссионных электронов в пределах слоев определяют характеристики ПСПЗ, приближая их по своим свойствам к катодным частям тлеющего разряда постоянного тока (толщина ПСПЗ
асл2аС1/р и <гсл2К0кк
В обеих формах ВЧЕР (слабо- и сильноточной) обнаружен эффект
нормальной плотности тока со значениями „/н1, ^^ соответственно. Выявлена физическая природа указанного эффекта в каждой из форм разряда, установлены зависимости ./н1, ЛН2 от давления и сорта газа, частоты ВЧ-поля, материала электрода и величины межэлектродного зазора. Показано, что помимо уравнивания числа электронов и ионов, выпадающих на каждый электрод за период ВЧ поля в стационарном ВЧЕР, есть другая не менее важная функция ПСПЗ, заключающаяся в стабилизации плазменного столба ВЧ-разряда с падающей ВАХ» что собственно, и приводит к эффекту нормальной плотности тока в слаботочной форме.
Предложен и экспериментально обоснозаи механизм перехода слаботочного ВЧЕР в сильноточный реыш, в основе которого лежит пробой ПСПЗ с участием вторично-эмиссионных электронов при достижении ВЧ-напряяением на приэлектродных слоях определенной езличи-нч V . Найден критерий скачкообразного, либо непрерывного изменения пространственной структуры ВЧ-разряда а процессе его переход?!, кз одпсй формы стационарного гопиня в другую. Выявлено влипла диоптрического покрытия электродов иа характер переходи. Показана зозиоаность стабилизации з этом случае падающей ВАК ПСПЗ при нх пробое. Зто позволяет реализовать на опыте стационар-низ Осраы ВЧЕР з поднормальной режима горения по иоиюй составля-КЕй тока з слоях ч самым существенно (з сотни раз и более> расширить область управления величиной плотности разрядного тока, а тзкяз ''очного потока на поверхность сопряженного с электроде:) диэлектрика. Лапа :штерпретация эффекту нормальной плотности тоха з ВЧ-гснераторах плазмы с диэлектрическим покрытием эяазстродоз.
Найдены области существования по давление и величине межэлектродного расстояния каждой из форм ВЧЕР в зависимости от рода газа, материала электрода, частоты ВЧ-подя. На основе представлений о слоевой структуре ВЧ-разряда дано объяснение указанному явление н обсукдены пути расширения областей существования конкретных режимов горения разряда.
Предложен механизм влияния частоты на характеристики объемной плазмы БЧ емкостного разряда. Найдены причины немонотонной зависимости ВЧ-напряхекня на электродах от давления газа при фиксированной энерговкладе в слаботочный ВЧЕР и обоснована зависимость минимального напряжения горения такого типа разряда от частота ВЧ-поля.
Обнаружен диапазон возможного масштабирования плазменного столба сильноточного ВЧЕР в зависимости от состава и давления газа, величины мехэлектродного зазора. Предложена экспериментальная методика исследования радиальной структуры ВЧ емкостного разряда. Установлены причины возникновения многоканальных разрядных структур б ВЧ электрическом поле плоского конденсатора. Предлояен новый подход к проблеме повышенной устойчивости к контрагированию комбинированного разряда в постоянное (низкочастотном) и ВЧ электрических полях.
Экспериментально доказана возможность одновременного сосуществования в единой разрядном промежутке обеих форй БЧ емкостного разряда. Определены условия возникновения такого эффекта и дана его интерпретация. Указаны отрицательные последствия игнорирования яы! лия сосуществования двух форм ВЧ-разряда при использовании ВЧЕР п лазерной технике и плазменной технологии.
Вскрыты причины и условия появления постоянной эде между электродами ВЧ емкостного разряда среднего давления. Объяснен механизм получения полезного сигнала в автоматических детекторах газа и электронно-механических преобразователях линейных перемещений с применением ВЧ-разряда, что позволило качественно улучшить характеристики последних.
Разработана концепция рационального применения ВЧЕР в лазерной технике, генераторах плазмы и др. Обоснован выбор режима горения В4-разряда в зависимости от типа активной среды лазера. 3 частности показана целесообразность и эффективность использования Е лазерных системах щелевого типа на молекулярных и атомарных переходах слаботочной фориы ВЧЕР- Впервые созданы малогабаритные излучатели СС^-лазеров моаностьо в сотни Ватт с диффузионным
охлаждением, активная среда которых возбуждалась в плоских и профилированных щелевых зазорах слаботочным ВЧ емкостным разрядом. Показано, что возможность возбуждения ВЧЕР в щелевых зазорах сложного профиля не только позволяет наращивать мощность лазера путем развития охлаждаемой поверхности электродов, но и управлять в ближней зоне формой лазерного луча, что необходимо во многих приложениях.
Основное содержание, результаты, выводы и рекомендации диссертации отражены в следующих публикациях автора:
1. Матохин В.Д., Яценкс H.A. Установка для исследования пяазмохимических процессов. // Труды МФТИ. Сер. "Общая и молекулярная физика". И.: МФТИ, 1972. - С. 72-76.
2. Козлов Г.И., Яценко H.A. Исследование усиления в CÛ2"лазерах, возбуждаемых высокочастотным емкостным разрядом. // Труды МФТИ- Сер. "Радиотехника и электроника". - Долгопрудный: МФТИ. 1977, - С. 185-189.
3. Яценко Н.А- О существовании двух режимов горения высокочастотного электродного разряда- // Труди МФТИ. Сер. "Общая и молекулярная физика". - Долгопрудный: МФТИ, 1978 - С. 166-170.
4. Яценко H.A. Ö высоком постоянном потенциале плазмы ВЧ-разряда- // Труды МФТИ. Сер- "Общая и молекулярная физика" Долгопрудный: ЩИ, 1978. - С. 226-2295- Козлов Г-Н-, Яценко Н-Л. Комбинированный разряд с высокочастотной ионизацией. // Письма в ОТ. - 1978. - Т. 4, Выг..7.
С. 422-424.
6- Яценко Н- А. Сильноточный ВЧЕР среднего давления. // 5ТФ. 1980. - Т. 50, ЛП. - С. 2480-2482.
7. Нышенков В-И., Яценко НА- Исследование контракции емкостного ВЧ разряда и устоЛчивость комбинированного разряда, поддерживаемого постоянным и ВЧ электрическими полями- // Препринт IfflU АН СССР. - № 167, - П.: 1980. - 36с.
8. Яценко Н-А- Связь высокого постоянного потенциала плазмы с режимом горения ВЧЕР среднего давления. //ЯТФ. - 1981.- Т. 51, а В. - С. П95-3204.
9. Мышенков В.И., Яценко H.A. Перспективы использования высокочастотного емкостного разряда п лазерной технике./,' Квантовая электроника. 1981. - Т. 8. Я 10. • С. 2121-2129.
10. Мшенков В. Я-. Яценко H А. Влияние межэлзктродного расстояния на иаки1м;«лыш|| поперечный уээмер пространственно одно-
г s
родного плазменного столба. // КТФ. - 1981- - Т. 51, Ii 10. -С. 2055-2060.
11. Яценко H.A. Исследование интегральных характеристик при-элэктродных слоев в емкостном ВЧ разряде среднего д?вления. // ТВТ. - 1982.- Т. 20, »6. - С. 1044-1051.
12. Ньшешсов В. iL, Яденко H.A. Исследование устойчивости комбинированного разряда, поддерживаемого постоянным и ВЧ электрическими полями. 1. Об особенностях сильноточного ВЧ емкостного разряда. // Физика плазмы. - 1032. -Т. 8, й 3. - С. 543-549.
13. Иыаепков В.И., Яценко H.A. 0 механизме стабилизируощего действия ВЧ-поля на положительный столб разряда постоянного тока. U Физика плазмы. - 1932. - Т. S, Й 4. - С. 704-711.
14. Яценко H.A. Эффект нормальной плотности тока в ВЧЕР среднею давления. // ЖТФ. - 3S82. - Т. 52, № 6. - С. 1220-1222.
15. A.c. 998847 (СССР). Электронно-механический преобразователь линейных перемещений. // Зыслии Ю. М., Яценко Н-А- Опублик. в БИ 1983. - » 7. - С. 22416. Яценко Н. А. Исследование структуры неограниченного
стенками стационарного газового разряда типа тлеющего. // В кн. VI Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы. -Л.: 1383. " 'Г. 2. - С. 51-53:
17. Яценко Н-А. 0 влиянии давления газа и величина иегэяектродкого зазора на загкгашш объемного разряда при высоких давлениях. // В кн. Возникновение к развитие разряда при высоких давления};. - Тарту: 1984. - Ч. 2.- С. 342-344.
18. Яценко H.A. Изменение структуры приэлектродных областей ВЧЕР при переходе в сильноточный режим горения. // В сб III Всесовзн. конференция по физике газового разряда. - Тез. докл. -Киев: 1985- - Ч.1.- С- 143-145.
19. Яценко ¡I.A. Влияние диэлектрического покрытия электродов на характеристики ВЧ-генераторов плазмы. // В кн. Генераторы низкотемпературной плазмы. - Минск: 1988. - Ч. 2.- С. 63*69.
20. Яценко H.A. 0 радиальной структуре ВЧ-разряда в электрической ноле плоского конденсатора. // В сб. Всесоозк. совещ. Высокочастотный разряд в волновых поляк. - Тез. докл. - Горький: 1937. - С- 22.
21. Яценко К. А- Использование высокочастотного разряда в злгктрозшэ-кеханачесш: преобразователях линейных перемещений. // В сб. Семинар по теории машин к механизмов АН СССР (Каунасский филиал: "Измерение переведений в динамическом ремне". - Тез.
докл. - Каунас: 1937. - С. 35-38.
22. Яценко H.A. Пространственная структура ВЧЕР и перспективы его применения в лазерной технике. // Препринт ИПМ АН СССР
- й 333. - Ы.: 1S88. - 44 с-
23. Яценко Н.А- Механизм формирования пространственном структуры ВЧЕР // КГФ. " 1988. - Г- 58. Я 2. - С- 294-301.
24- Витрук П.П., Яценко H.A. Целевые лазеры с ВЧ-возбузде-ниен. В cö. Лазерная технология. - Вып. 6. - Вильнос: 1988. - С. 171-172.
25. A.c. 1644269 (СССР) Газовый лазер с ВЧ-возбуждеиием. Витрук П.П., Яценко H.A. Опубликован в БИ - 1991. - $ 13.
26. A.c. 1644270 (СССР) Лазерная технологическая установка // Витрук П.П., Яценко H.A. Опубликован в БИ - 1991. - й 15.
27. Райзег 8.11., Шнейдер 'i. ¡I., Яценко II. Л. Эксперимент и теория о двух формах существования самостоятельного ВЧЕР. // В кн- Физика газового разряда- - Махачкала. ДГУ. - 1990. - С. 128-132.
28. Витрук П.П., Яценко H.A. Малогабаритный щелевой волко-водный СС^-лазер средней мощности с ВЧ-возбуждэнием. // Письма в ЕТФ. - 1939. - Т. 15. TÍ 5 - С. 1 -529. Яценко H.A. Газовые лазеры с высокочастотным возбукдэ-
нием. // Препринт ИПМ АН СССР. - » 331. - Ц.: 1989. - 35с.
30. Яценко Н. А. Причина возникновения многоканальных разрядных структур в ВЧ-злектрическом поле плоского конденсатора- // В сб. II Всесоюз. совец. "Высокочастотный разряд в волновых полях". - Тез. докл. - Куйбышев: 1989-- С. 13.
31. Витрук П.П., Яценко Н-А- Щелевыа технологические лазери с ВЧ-воз<5ухдением. // Препринт ИПМ АН СССР. - J6 41)2. - }.!.: 1989.
- 24 с.
32. Яценко И-А. Особенности структуры и перспективы применения ВЧЕР. //В сб. Всесоюзный семинар по высокочастотному пробои газов.- Тез. докл.- Тарту: 1989. - С- 180-182.
33. Яценко Н. А. Причины и '/словил возникновения постоянной ЭДС в ВЧЕР среднего давления- //В сб. "ВсесосзныИ семинар по ВЧ пробов газов".- Тез. докл. - Тарту: 1983. - С. 2Q8-210.
34. Яценко Н-А. Эффект нормальной плотности тока в ВЧ-гане-раторах плазмы с диэлектрическим покрытием электродов. // В ки. Генераторы низкотемпературной плазмы. 4.1. - Новосибирск: 1989-
С- 125-126.
35. Яценко Н Л Уаарние ьолны в плазме ВЧ-разряда. // В ки.
хг.
•f-ыЯ Бсесовз- симпозиум по радиационной плазиодинаиике. 4.1. -И.• Энергоатониздат. - 1389- - С- 84-86.
35. Яценко îi.A. Достижения л проблемы использования ВЧЕР в технике газовых хззерсв. // В кв. Применение лазеров в народном хозяйстве. III Всесоози. хокф. - Тез- дог;д. - Шатура: НИЦТЛАН 1989. - С. 11-13.
37- Яценко Н-А. Влияние частоты накачки ка параметры газовых лазеров с ВЧ-аозйул.'нэниеа. // Препринт ИШ АН СССР- ■■ J& 465. - H. : 1990 - 22 с.
38. Витрук П-П., Яцекко H.A. Оптические характеристики излучения щелевого ьолноводного COg-лазера с ВЧ-возбукдекаек. // В сб. VI Бсесовз. кокф. "Оптика лазеров".- Тез. докл.- Л-: 1990. • С. 182.
39. Яценко И. А- Механизм влияния частоты «а характеристики плазмы объемного ВЧЕР. // В сб. V Всесспз. конф. по физике газового разряда. - 1ез. докл.- Омск: 1990- Кн. 1.- С- 140-141.
40. Yatsenkc N. к. Evolution of the RF-Capacitive Discharge During the Process of Transition to U¡e High-Current Regime. // XX Int. Conf. on Phema. in Ionized Gases. Pisa: 1S91. - Contrib. Pepes. - Vol.5.- P. 3159-1160.
41. Яценко il. А. !Ьлееыё ' газовые лазеры // В ки. XIV Международная конф. по когерентной и нелинейной оптике. Л.: 1991. -Т. 2. - С. 52-53.
42. Яценко H.A. Критерий появления скачков ка волътамперной характеристике ВЧЕР. // В кн. Фазикэ низкотемпературной плазмы-Натериг. .ы VIII Всесою. конф. - Минск: 1991. - Ч. 2.- С. 125-123.
43. Яценко H.A. Щелевые генераторы плазмы и их применение. // В кн. II Всесоаз. симпозиум по радиационной плазмединамике- Ч-3. Ü: МГТУ - 1991. - С- 45-4S.
44. Яценко H.A. Исследование пространственной структуры В' ешсостного разряда. И Инл.-физ. «уряал- - 1992.- Т. 62, Ä5. ■ С.739-752.
45. Яценко II. А. Эффект сосуществования в едином межэлектрод иоы зазоре двух различных фора ВЧ емкостного разряда. // В сб. V конф. по физике газового разряда. - Тез. докл. - Казань: 1992Ч. 2. - С- 119-120.
46. Yatsenlio H.A. Radio-Frequency Capacitive Discharge i Lov- and High-Current Combustion Mode Coexistence. // XI Europe? Conf. on the Atomic and Molecular Physics of Ionised Gas« St.Petersburg: 1942. - Vol. iSF. - P. 330 -3Q{.
