Экспериментальное исследование параметров плазы емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР) (стр. 5 из 6)

Ток проводимости – это ток, возникающий движением электронов и ионов в светящемся газе. Если величина тока смещения в среднем значительно превышает величину тока проводимости, то разрядный промежуток может быть в первом приближении моделирован как емкость, включенная в цепь высокой частоты, и вычисления могут проводиться по соответствующим формулам электротехники. Поэтому такой разряд, который может быть приблизительно представлен схемой электротехнического тока, получил наименование емкостного высокочастотного разряда. Электроды могут быть проводящим металлом, соприкасающимся с газовой средой внутри промежутка, а могут быть внешними, т.е. отделенными от газа слоем диэлектрика. В первом случае разряд называется электродным, во втором – безэлектродным. Плазма таких разрядов, как правило, слабо ионизирована, неравновесна и подобна плазме тлеющего разряда.

Интерес к исследованию ЕВЧР возрос в течение последних 20–30 лет в связи с его использованием для нанесения тонких покрытий металлов и диэлектриков (нанотехнологии), а также возможности создания лазеров с регулируемой частотой излучения (нелинейная оптика). Особый интерес представляет исследование ЕВЧР для синтеза и анализа некоторых веществ (плазмохимия) [11].

Исследования проводились с электродным и с безэлектродным разрядом при разных давлениях (от 0,5 мм рт. ст. до 20 мм рт. ст.). Некоторые результаты такого исследования представлены в настоящей работе.

Рис. 15 Разрядная камера с внешними электродами

Разряд горел в зависимости от давления при различных напряжениях порядка 500–1000В.

Рис. 16 Вид разряда в аргоне в камере с внутренними электродами.

Темные пространства аналогичны Фарадеевому пространству тлеющего разряда на постоянном токе. В центре мы наблюдаем светящийся столб газа, аналогичный положительному столбу тлеющего разряда. В отличие от тлеющего разряда на постоянном токе, где положительный столб примыкает к аноду, здесь с обеих сторон имеется темное пространство. Таким образом, в разрядной трубке в один полупериод ВЧ напряжение создается тлеющий разряд с катодом слева, а с анодом справа, а в другой полупериод наоборот. Между светящимся столбом и электродом промежутка имеется активная область – приэлектродный слой пространственного заряда (ПСПЗ), которая и является генератором основных явлений ЕВЧР.

Если давление меньше, то величина приэлектродного слоя увеличивается, и может достигать от долей см. до 2 см., это связано с тем, что при уменьшении давления увеличивается средняя длина свободного пробега электронов.

а) б)

Рис. 17 Вид разряда в аргоне в камере с внешними электродами

Были проведены исследования по методике, предложенной в работе А.Ф. Александров, В.А. Рябный, В.П. Савинов, В.Г. Якунин «Бесконтактный метод изучения параметров приэлектродной области ВЧ разряда». Новизной было то, что в опыте кафедры электроники МГУ использовался гелий, а в нашей работе использовался аргон. Целью исследования было освоение новым методик по изучению ЕВЧР.

Рис. 18 Эквивалентная схема экспериментальной электрической цепи ЕВЧР

Рис. 19 Принципиальная схема установки

В процессе электрического пробоя разрядного промежутка и формирования разряда образуются ПСПЗ, которые обеспечивают выход ЕВЧР на стационарный режим. Как обнаружено экспериментально, в установившемся ЕВЧР за каждый период ВЧ поля (T

10 с) суммарный электрический заряд, приходящий на электрод, равен нулю. Соответственно, квазистационарные параметры конденсатора ПСПЗ: емкость C_s, заряд q_s и толщина слоя d_s остаются постоянными. При этом заряд q_s обеспечивает в ПСПЗ квазистационарную разность потенциалов U_s, благодаря которой за период ВЧ поля заряд поступающих из плазмы на электрод электронов компенсирует приносимый заряд положительных ионов и заряд эмитируемых с поверхности электрода электронов.

В участке электрической цепи ЕВЧР, состоящем из последовательно соединенных емкостей C₀₁, C

и C_s1, активным элементом является емкость C , заряд на обкладках которой q определяют физические процессы в ПСПЗ.

При этом данный квазистационарный заряд q

устанавливается во всех последовательно соединенных емкостях электрической цепи, в том числе и на измерительной емкости

Для измерения квазистационарных напряжений U

, U и U в экспериментальной схеме использовались вольтметры электростатической системы типа C-95. Таким образом, предложенный метод включает в себя измерение электрического напряжения на нескольких внешних элементах цепи ЕВЧР и вычисление искомых параметров по приведенным формулам с использованием известных конструктивных параметров экспериментальной системы.

(30)

(31)

для квазистационарного напряжения

, - переменные напряжения, измеряемые приборами С-95

В ходе не сложных математических преобразований получили:

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

емкостный разряд ленгмюр зонд

=270В	=300 В	=300 В	=200 пФ	=140 пФ
=18 В	=10 В	=20 В	=50 пФ	=70 пФ

Р=0,8 Тор.

U

=134 В, U =136 В, d =0,19 см, d =1,4 см

Яркость излучения не одинакова вдоль длины промежутка из-за распределенной емкости на землю, так как ток не одинаков в разных сечениях промежутка.

Мы получили скачки потенциала в приэлектродном слое пространственного разряда в аргоне. По порядку величины они оказались схожими с теми, что получила кафедра электроники в МГУ. В дальнейшем предполагается провести исследования на более качественном современном оборудовании.

Заключение

В ходе выполнения данной выпускной квалификационной работы приобретены навыки экспериментальной работы с приборами. Изучив и проанализировав литературу по теории газового разряда, экспериментально был исследован емкостной высокочастотный разряд при давлениях от 0.1 мм рт. ст. до 5 мм рт. ст. при различных частотах.

Изготовлена экспериментальная установка для изучения плазмы методом зондов Ленгмюра.

Изготовлена экспериментальная установка и проведен эксперимент по определению параметров плазмы методом зондов Ленгмюра. Получены вольтамперные характеристики разряда и кривые Пашена при различных частотах, а также вычислены электронная температура (

), концентрация положительных ионов ( ) и их подвижность ( ). Измеренные параметры, представлены в таблице, удовлетворительно совпадают с теоретическими значениями.