Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 13
1.1. СВЧ устройства, применяемые для получения плазмы 13
1.2. Моделирование СВЧ разрядов 21
1.3. Моделирование электродного СВЧ разряда 31
1.4. Выводы к Главе 1 34
ГЛАВА 2. Описание разработанных моделей электродного СВЧ разряда 36
2.1. Введение 36
2.2. Геометрия задачи (расчетная область) 36
2.3. Основные уравнения 38
2.4. Выводы к Главе 2 47
ГЛАВА 3. Влияние диэлектрического покрытия антенны и малых добавок азота на свойства плазмы электродного СВЧ разряда в водороде 48
3.1. Влияние диэлектрического покрытия антенны на свойства электродного СВЧ разряда 48
3.2. Влияние малых добавок азота на СВЧ-разряд пониженного давления в водороде. Моделирование 57
3.3. Выводы к Главе 3 64
ГЛАВА 4. Влияние малых добавок аргона на сильно неоднородный СВЧ разряд (электродный СВЧ разряд) пониженного давления в водороде 65
4.1. Введение 65
4.2. Экспериментальная часть 66
4.3. Модель 68
4.4. Результаты и обсуждение 70
4.5. Выводы к главе 4 81
ГЛАВА 5. Влияние внешнего постоянного электрического поля на свойства неоднородного микроволнового разряда в водороде при пониженных давлениях 83
5.1 Введение. 83
5.2. Самосогласованная 2D модель разряда. 83
5.3. Экспериментальная установка 84
5.4. Результаты и обсуждение
5.5. Выводы к главе 5 98
Заключение 100
Благодарности 102
Литература
- Моделирование электродного СВЧ разряда
- Основные уравнения
- Влияние малых добавок азота на СВЧ-разряд пониженного давления в водороде. Моделирование
- Экспериментальная установка
Введение к работе
Общая характеристика диссертационной работы
Диссертационная работа посвящена изучению влияния малых газовых добавок и постоянного электрического поля на параметры сильно неоднородного СВЧ разряда пониженного давления на основе результатов численного одно и двумерного самосогласованного моделирования. В качестве объекта исследования выбран пространственно неоднородный неравновесный электродный СВЧ разряд в водороде при давлениях порядка 1 Торр. Самосогласованные модели построены на основе совместного решения уравнений для СВЧ поля, уравнения Больцмана для свободных электронов, уравнения Пуассона и кинетических уравнений для концентраций заряженных и возбужденных частиц.
Актуальность работы
Низкотемпературная плазмы широко используется для решения различных научных и прикладных проблем. Она применяется в плазмохимии, газоразрядных источниках света, аналитической химии, для решения экологических проблем, в медицине и т.д. [1]. В настоящее время для получения плазмы используются все типы электрических разрядов. СВЧ разряды не являются исключением. Несмотря на то, что имеется большое количество оригинальных и обзорных публикаций по СВЧ разрядам (см, например, [2-20]) многие вопросы физики и применения таких разрядов остаются не исследованными.
Важной задачей является исследование неоднородных разрядов. Она обусловлена, во-первых, тем, что большинство электрических разрядов, если не принимать специальных мер, являются пространственно неоднородными по одному, или нескольким параметрам (напряженность электрического поля, концентрации возбужденных частиц и т.д.). Для целенаправленного управления свойствами таких разрядов необходимо знать основные закономерности и механизмы влияния неоднородности разряда на параметры плазмы. Во-вторых, сильная неоднородность разряда может приводить к проявлению новых физических явлений, в частности, различию физико-химических процессов в разных частях разряда [20].
Примером таких сильно неоднородных разрядов является электродный микроволновый разряд пониженного давления (ЭМР), возбуждаемый у торца микроволновой антенны и в котором напряженность генерирующего плазму СВЧ поля сильно меняется в объеме плазмы как из-за геометрии разряда, так и из-за присутствия областей плазменного резонанса [20]. Интерес к ЭМР вызван рядом его отличительных особенностей, таких, как малая мощность поддержания разряда, возможность создания
неравновесной плазмы в широком диапазоне давлений, возможность создания компактных плазменных структур, возможность генерации активных частиц в больших камерах, возможность создания плазмы в требуемой точке пространства, возможность генерации плазмы в приповерхностных слоях тел различной формы. ЭМР позволяет исследовать и реализовать плазмохимические процессы и интенсифицировать физико-химические процессы в газовой фазе, включая процессы горения, исследовать взаимодействие плазмы с поверхностью, поведение тел с приповерхностной плазмой в потоках газа, взаимодействие плазменных структур с потоками газа.
Поэтому именно ЭМР является объектом исследования.
Другой важной проблемой физики газовых разрядов является исследование влияния различных воздействий на разряд с целью поиска путей управления его параметрами. Такой подход, например, реализуется в комбинированных разрядах, когда плазма создается источником энергии одного частотного диапазона (например, СВЧ диапазона), а управление ее параметрами осуществляется электрическими полями другого частотного диапазона (например, ВЧ диапазона). Эффективным путем управления однородностью высокочастотного разряда, энергией ионного пучка на обрабатываемую поверхность и его плотностью является использование двух отличающихся частот одного диапазона. К эффективным воздействиям относится и наложение внешнего магнитного поля или постоянного электрического поля.
В диссертации будут приведены результаты по изучению влияния внешнего постоянного электрического поля на структуру и параметры ЭМР на основе моделирования стационарного неравновесного ЭМР в водороде. Это является продолжением работ, выполненных ранее в ИНХС РАН. Были проведены исследования ЭМР в азоте в постоянном электрическом поле (постоянное напряжение прикладывалось между СВЧ антенной и заземленной камерой) [21-23]. Было показано, что постоянное поле изменяет структуру и форму разряда. Также было показано, что постоянное напряжение практически не влияет на колебательное распределение молекул азота в состоянии С3Пu. Эта же задача экспериментально исследовалась применительно к ЭМР в водороде и объяснение полученных результатов на основе моделирования содержится в диссертации.
Еще одной задачей, связанной с изучением возможностей управления свойствами плазмы, является исследование влияния малых газовых добавок на структуру и параметры ЭМР. В этой части диссертация продолжает цикл исследований, проведенных ранее в ИНХС РАН [24-26]. Было изучено влияние малых добавок аргона и водорода на ЭМР в азоте. В работе будет изучено влияние малых добавок аргона и азота на ЭМР в водороде.
Цели диссертационной работы
-
Разработка моделей для описания неоднородного неравновесного СВЧ разряда в водороде пониженного давления, позволяющих исследовать влияние малых добавок азота и аргона, а также внешнего постоянного электрического поля на параметры плазмы.
-
Исследование влияние малых добавок (до 5 об. %) азота и аргона на параметры сильно неоднородного электродного СВЧ разряда в водороде на основе разработанных моделей.
-
Исследование влияние внешнего постоянного электрического поля на параметры электродного СВЧ разряда в водороде на основе разработанных моделей.
-
Сопоставление полученных результатов с результатами измерений.
Научная новизна
-
Впервые исследован механизм влияния малых добавок азота и аргона на параметры сильно неоднородного электродного СВЧ разряда в водороде на основе разработанных одно и двумерных моделей. Показано, что в сильно неоднородном разряде в разных его частях механизмы влияния добавок различны. Так, при добавлении азота в разряд в водороде в приэлектродной области изменение параметров связано с изменением ионного состава плазмы, а в области удаленной от него (сферическая область разряда) влияние связано с измерением функции распределения электронов по энергиям.
-
Впервые исследовано влияние внешнего постоянного электрического поля на параметры электродного СВЧ разряда в водороде на основе двумерной модели разряда. Показано, что внешнее постоянное поле изменяет потоки заряженных частиц на поверхность антенны (электрода), что приводит к изменению необходимого для поддержания разряда СВЧ поля и, тем самым, к изменению всех параметров разряда.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработанные одно и двумерные самосогласованные модели неоднородного
неравновесного электродного СВЧ разряда для решения задач анализа возможностей
управления параметрами разряда с помощью малых газовых добавок и внешнего
постоянного электрического поля.
2. Результаты исследования с помощью разработанных моделей влияния малой (до 5
об.%) добавки азота и аргона на параметры и структуру неоднородного СВЧ разряда в
водороде при давлении 1 Торр. Результаты находятся в согласии с известными экспериментальными данными.
3. Результаты исследования с помощью разработанных моделей влияния внешнего постоянного электрического поля на параметры и структуру неоднородного СВЧ разряда в водороде при давлении 1 Торр. Результаты находятся в согласии с известными экспериментальными данными.
Достоверность результатов
Достоверность результатов подтверждается тщательным анализом механизмов, включенных в кинетическую схему процессов, а также сопоставлением с полученными в лаборатории плазмохимии и физикохимии импульсных процессов ИНХС РАН экспериментальными результатами. Фактически в работе реализован расчетно – экспериментальный подход к исследованию плазмы электродного СВЧ разряда. Этот подход позволил получить сведения о механизмах процессов в плазме, которые невозможно получить каждым из этих подходов в отдельности.
Практическая ценность результатов
Полученные результаты могут использоваться в задачах управления физико-химическими процессами в неравновесной неоднородной СВЧ плазме с помощью малых газовых добавок к основному плазмообразующему газу и внешнего постоянного электрического поля. Эти факторы дают дополнительные возможности, например, управления химической активностью плазмы. Кроме того, результаты, полученные в смесях водорода с малой добавкой аргона важны при анализе возможностей применимости такого метода диагностики плазмы, как оптическая актинометрия. Было показано, что даже малые добавки, вводимые в плазму для диагностики могут изменять ее параметры.
Личный вклад автора
Все представленные в работе результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автором выполнены все расчеты, обработаны и проанализированы полученные результаты. Также им проведено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.
Публикация и апробация работы
Результаты исследования опубликованы в 4-х статьях в журналах (3 из которых содержатся в списке журналов ВАК, 3 индексируются в базе данных Scopus и 2 индексируются в базе данных Web of Science), а также представлены на конференциях: XLI Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС. 10-14 февраля 2014 г.; Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2014. Казань, 20-23 мая 2014.; Strong Microwaves and Terahertz waves: Sources and Applications, 9-th Int. Workshop, N.Novgorod-Perm-N.Novgorod, July 24-30, 2014.; VII Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, 3-7 сентября 2014 г., Плес; The 18th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2016), 27.06.-01.07. 2016, Kaohsiung, Taiwan; XLIV Международная конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 13-17 февраля 2017 г. г. Звенигород; Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы» (ФНТП-2017), Казань, 5-9 июня 2017 г.
Структура и объем диссертации
Моделирование электродного СВЧ разряда
Существующие модели описания переноса электронов могут быть разделены на три типа: 1 – кинетические модели, основанные на использовании метода прямого статистического моделирования Монте-Карло (МК), который может трактоваться как численное решение уравнения Больцмана [22-27]; 2 - жидкостные модели [28-30]; 3 гибридные модели [28-34]. Метод МК основан на представлении газа множеством дискретных частиц (каждая из которых представляет собой большое количество реальных частиц). Процесс счета делится на две фазы. Сначала частицы двигаются в фазовом пространстве под действием электрического поля, как постоянного, так и СВЧ. Время движения, определяемое с помощью датчика случайных чисел, не должно быть больше времени свободного пробега. В дальнейшем происходят процессы парного столкновения частиц. Для электронов учитываются процессы упругих и неупругих соударений. Обычно для счета требуется знание полного набора дифференциальных сечений. Тип соударений определяется случайным образом с вероятностью, зависящей от сечения процесса. Макропараметры течения вычисляются осреднением параметров частиц за достаточно большое количество временных шагов. Партнеры по столкновению для каждой частицы выбираются только в пределах одной ячейки. Временной шаг должен быть меньше времени между столкновениями, размер ячейки должен быть меньше длины свободного пробега, число частиц в ячейке должно быть достаточно велико, чтобы вероятность повторных столкновений (когда две частицы сталкиваются друг с другом два раза подряд, не столкнувшись с другими частицами) была мала. Модели, основанные на методе МК, позволяют наиболее точно рассчитывать перенос заряженных частиц в самосогласованном поле, хотя требует много времени. Жидкостные модели это альтернатива кинетическим моделям, описанным выше. В жидкостных моделях только макроскопические свойства определяются, т.е. плотность, средняя скорость и средняя энергия. Соответствующие уравнения это уравнение непрерывности, уравнение переноса импульса и переноса энергии. Эти уравнения получаются как моменты уравнения Больцмана в пространстве скоростей и описывают изменение концентраций заряженных частиц, изменение их импульса и энергии. Однако в эти уравнения входят величины, не определяемые непосредственно через концентрацию заряженных частиц, скорость и энергию. Например, константы процессов ионизации, и возбуждения под электронным ударом, коэффициенты диффузии и подвижности электронов. Последние величины могут быть получены из функции распределения по энергиям для электронов, которые могут быть определены из уравнения Больцмана. Альтернативой решению уравнения Больцмана является задание определенного вида для функции распределения. Раньше часто для функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) использовалась функция Максвелла. Это хорошая аппроксимация для ФРЭЭ, когда условия разряда близки к термодинамическому равновесию, либо при степенях ионизации 10-3 ,т.е. когда ФРЭЭ в основном формируется за счет е-е соударений. Однако для СВЧ разрядов это условие обычно не осуществляется. Также раньше использовалась аппроксимация ФРЭЭ в виде двух максвеллов [35,37]. Сейчас для расчета ФРЭЭ часто применяется однородное уравнение Больцмана, записанное в локальном двучленном приближении [38,39]. В локальном приближении предполагается, что ФРЭЭ в данной точке и в данный момент времени соответствует однородному электрическому полю со значением электрического поля равным значению в данной точке в данный момент времени..Для численного решения такого уравнения Больцмана сейчас чаще всего используется программа BOLSIG+ [39,40]. В этой программе уравнение для ФРЭЭ представляется в виде конвекционно-диффузионного уравнения и решается численно с помощью экспоненциальной схемы, часто используемой для такого рода задач. Условие локальности неявно предполагает что прирост энергии за счет поля уравновешивается потерей энергии за счет столкновений в данной точке и в данный момент времени. Значения сечений взаимодействия электронов с различными молекулами приведены например, в базе данных [40].
Нелокальность ФРЭЭ проявляется в случае, когда характерная длина релаксации энергии электронов превышает характерные размеры плазмы [41]. В диффузионном режиме разряда [5] длина релаксации и , где коэффициент амбиполярной диффузии, - средняя доля потери электронами в одном столкновении, - эффективная частота столкновений электронов с тяжелыми частицами. При давлении 1 Тор в водороде сек-1, , см2/сек и мм. При характерном размере разряда мм, и условие локальности ФРЭЭ выполняется. При больших давлениях условие локальности выполняется тем более. Подобное рассмотрение справедливо для любых молекулярных газов. Данные оценки также показывают, что изотропизация ФРЭЭ происходит на масштабах много меньших 1 мм, что обосновывает применимость использования двухчленного разложения ФРЭЭ по сферическим гармоникам. Отметим, что еще одно ограничение применения локального двухчленного приближения уравнения Больцмана является величина параметра Е (E/N). При больших значениях Е (E/N) практически все столкновения электронов с тяжелыми частицами становятся неупругими и ФРЭЭ становится сильно анизотропной. В инертных газах нижняя граница давления смещается в область больших давлений из-за большей длины релаксации энергии, которая в основном происходит при упругих соударениях. Так в аргоне . Поэтому при давлении в 1 Торр условие локальности ФРЭЭ не выполняется.
В гибридных моделях, низкоэнергетичные электроны описываются в рамках жидкостных моделей, а высокоэнергетичные электроны, ответственные за ионизацию или за возбуждение, описываются методом Монте-Карло. Например, в работе [33] при моделировании тлеющего разряда в аргоне в уравнениях непрерывности для ионов и электронов источниковый член, отвечающий за ионизацию, определяется с помощью метода Монте-Карло. Гибридная модель обеспечивает более точное вычисление высокоэнергетичной части функции распределения электронов и, следовательно, более точный расчет констант ионизации или возбуждения, даже для больших изменений электрического поля на расстоянии длины свободного пробега электронов. В гибридных моделях совмещается численная эффективность жидкостных моделей с точностью кинетических моделей. В тоже время эти модели менее требовательна, чем полная модель элементарных частиц, потому что, как правило, надо описать точно только высокоэнергетичные электроны, ответственные за ионизацию электронным ударом или за возбуждение.
В случае выполнения условия локальности ФРЭЭ константы различных процессов под электронным ударом определяются, как функции от Е/N или от Е, а также от других параметров, которые влияют на ФРЭЭ. Например, в инертных газах ФРЭЭ зависит от е-е соударений и, следовательно, от концентрации электронов. При счете эти константы могут быть заранее затабулированы. Нелокальность ФРЭЭ в рамках жидкостных моделей приближенно учитывается с помощью решения уравнения для энергии электронов. В этом уравнении учитывается перенос энергии за счет диффузии и дрейфа. Нагреваются электроны за счет микроволнового поля, а охлаждаются в столкновениях с тяжелыми частицами. Константы процессов под электронным ударом определяются как функции энергии электронов [42,43]. Вместе с уравнением для энергии электронов решается уравнение для концентрации электронов, записанное в диффузионно-дрейфовом приближении [42].
Основные уравнения
Одним из достоинств СВЧ разрядов считается отсутствие электродов в разрядной камере, которые могут приводить к загрязнению плазмы продуктами их эрозии. Поэтому до последнего времени для получения плазмы использовались именно безэлектродные СВЧ системы: волноводные, резонаторные, системы с генераций поверхностных волн и др. [1]. Однако существую условия, когда для получения СВЧ плазмы необходимо введение электрода. Это относится, в первую очередь, к инициированным разрядам, когда СВЧ поле от внешнего источника оказывается недостаточным для возникновения и поддержания разряда и для создания разряда требуется увеличение локального значения поля с помощью дополнительных электродов [15]. Кроме того, существует целый класс СВЧ устройств, в которых плазма инициируется с помощью электромагнитных вибраторов разных конструкций [16, 116-118]. Такие устройства используются как для получения плазмы пониженного давления [17, 119, 120], так и атмосферного давления [16, 117, 118]. К ним можно отнести и широко распространенные коаксиальные СВЧ плазменные горелки [121-123]. Применяются антенные системы и для генерации плазмы в объеме жидкости [124-127].
В этих случаях возникает проблема загрязнения объема продуктами эрозии металлических электродов. Представляется, что возможность загрязнения плазмы материалом электродов в СВЧ устройствах, по крайней мере, при малых мощностях, преувеличена. В [89] в электродном СВЧ разряде в условиях, характерных для осаждения алмазов (смесь водорода с малой добавкой метана, давление порядка 15 Тор, при нагреве подложки, расположенной на расстоянии 1.5 см от электрода, до 1000 оС) методами ЭСХА и Оже-спектроскопии не было обнаружено даже следовых количеств материала электрода в осажденном материале. Это связано с тем, что в СВЧ плазме бомбардировка поверхности электрода высокоэнергетическими ионами отсутствует. В ВЧ разряде, например, такие ионы появляются в результате их ускорения в значительных постоянных полях, существующих в двойном электрическом слое у электрода из-за выпрямления приложенного ВЧ напряжения (-100-300В) на нелинейности двойного слоя. В СВЧ плазме концентрации электронов достаточно высоки ( 10 см" ) и толщина приэлектродного слоя мала. В этих условиях импеданс слоя носит емкостной характер, выпрямление СВЧ сигнала, хотя и существует, но не является фактором, приводящим к возникновению ионов высоких энергий. Именно поэтому СВЧ-разряд, как правило, является разрядом с преобладающей объемной ионизацией (а-форма разряда) и вторичной ионизацией (у-процессы) можно пренебречь. Тем не менее, в энергонапряженных режимах, когда температура электрода становится большой, возможно плавление и даже взрыв металлических электродов [17, 120] и, соответственно, перенос вещества электродов в газовую среду. Термическая эрозия электрода наблюдается и СВЧ разрядах в жидкостях [128, 129].
Одним их методов устранения влияния материала электрода является покрытие его высокотемпературным диэлектриком, как это было сделано, например, в [129]. В связи с этим возникают вопросы о степени влияния такого покрытия на параметры плазмы. К факторам, с которыми может быть связано влияние, относятся: осаждение зарядов на поверхности диэлектрика в плазме, изменение электродинамических свойств газоразрядной системы, а также изменение каталитических свойств поверхности (замена металла на диэлектрик) и связанное с этим изменение влияния поверхности на концентрации частиц тяжелой компоненты плазмы. Все эти факторы проанализированы в этом на основе самосогласованного моделирования электродного СВЧ разряда (использованные модели описаны в Главе 2) в водороде при давлении 1 Тор.
В качестве покрытия электрода использовались диэлектрики с диэлектрической проницаемостью = 1, 2, 3 и 4 с толщинами d = 1, 2, и 3 мм.
Граничные условия для заряженных частиц плазмы, описываемых балансными уравнениями, заданы выражениями для потоков на стенку диэлектрика, покрывающего центральный электрод и дальнюю стенку камеры: р-п -ри1Та- Е-п Потоки электронов и ионов /-го сорта на стенку состоят из двух составляющих: диффузионной, и дрейфовой. Здесь ите и и тр - тепловые скорости электронов и ионов на стенке, п - единичный вектор, перпендикулярно направленный к поверхности электрода (нормальный вектор). Соответствующая температура электронов на стенке была вычислена с помощью уравнения Больцмана, а температура ионов на стенке равна газовой температуре. Коэффициент , если вектор постоянного поля Е направлен в сторону стенки, т.е. Е- п и , если Е- п . На поверхности диэлектрика со стороны плазмы решается уравнение, описывающего накопление поверхностного заряда а: — . Граничные условия для потенциала ср, описываемого уравнением Пуассона, следующие: на поверхности диэлектрика є V сг, наружная стенка рабочей камеры заземлена.
Концентрация всех нейтральных возбужденных частиц плазмы на стенке полагалась равной нулю. Поток на стенку невозбужденных атомов водорода в плазме равен тепловому (диффузионному) потоку, умноженному на вероятность их рекомбинационной гибели rr: п-п -yr\evT.
Вероятность рекомбинационной гибели атомов водорода уг на медном электроде принималась равной 0.05. Эта величина лежит в диапазоне значений (0.02-0.1), приведенных в [132]. Вероятность рекомбинационной гибели атомов водорода на диэлектрической поверхности, покрывающей электрод (для определенности диэлектрик считался кварцем), принималась равной 0.01 [133]. Вероятность рекомбинационной гибели атомов водорода на стенках камеры из нержавеющей стали принималась равной 0,1 [134]. Расчеты проводились при давлении водорода 1 Тор и температуре газа 600 К, которая в соответствии с результатами экспериментов [135] считалась постоянной во всем объеме.
Влияние малых добавок азота на СВЧ-разряд пониженного давления в водороде. Моделирование
В ряде работ было показано, что даже небольшое количество газовых добавок к плазмообразующему газу может сильно изменить свойства плазмы. Это связано, в частности, с возможностью с помощью добавок влиять на процессы ионизации и возбуждения частиц и следовательно, на напряженность электрического поля, которая в плазме самостоятельных разрядов определяется балансом числа заряженных частиц. Подробно влияние газовых добавок будет рассмотрено в четвертой главе. В этой главе мы остановимся на влиянии добавок молекулярного газа на разряд в водороде. В работах [58, 59] экспериментально (методом оптической эмиссионной спектроскопии) и с помощью численного 1-D и 2-D моделирования было исследовано влияние малых добавок водорода на электродный СВЧ-разряд пониженного давления в азоте. Показано, что неоднородность разряда приводит к тому, что характер влияния добавки водорода (0-30% по расходу) на интенсивности полос излучения азота различен в разных частях разряда. Наблюдается и различное влияние водорода на колебательные распределения молекул азота в состоянии С3Пив разных частях разряда. При повышении уровня добавки водорода изменяется ионный состав плазмы: основной ион N/ в сферической области сменяется более лёгким ионом N2lf. Квазистатическое одномерное моделирование показало, что при этом имеет место рост напряжённости СВЧ поля в области сферической части разряда, что, как предполагалось, приводит к изменению интенсивности излучения системы 2+ в азоте. Результаты 2-D моделирования [58] в основном совпадают с результатами 1-D моделирования [59]. Основное влияние добавки водорода на параметры разряда связано с изменением ионного состава плазмы.
В этой главе мы остановимся на исследовании влияния добавок азота к разряду в водороде. Наряду с использованными ранее процессами в водороде (см. Гл.2) и процессами в азоте ([140], Таблицы 1, 2) в кинетическую модель были включены процессы тушения метастабилей азота водородом и реакции конверсии ионов водорода в ион #2 (Таблица 3).
В приэлектродной области сильного СВЧ поля заметно небольшое ( 0.5%) превышение значений ne для случаев с добавками по сравнению с ne для чистого водорода. В шаровой области плазмы (протяженная область, прилегающая к узкой области сильного СВЧ поля, где СВЧ поле порядка 100 В/см, см рис.3.4b) значения ne для случаев с добавками наоборот ниже значений ne для чисто водородной плазмы. Что касается профиля СВЧ поля, то оно растет во всей области плазмы в случае добавки азота (рис.3.4b).
Чтобы выяснить причину изменений характеристики электронной плотности при введении в разряд добавок, было проведено несколько расчетных тестов. При введении добавки в плазмообразующий газ изменяется ФРЭЭ. Для выявления влияния этого изменения на профиль электронной плотности был проведен расчет для смеси с добавкой 5% азота, но с ФРЭЭ, рассчитанной для плазмы чистого водорода. В результате профиль электронной плотности вне приэлектродной области сильного СВЧ поля практически везде совпал с профилем ne для разряда в чистом Н2 (рис. 3.5, фиолетовые эллипсы). Это означает, что изменение ФРЭЭ за счет вносимой добавки влияет на характеристики плазмы в шаровой области, где величина СВЧ-поля небольшая. Рис. 3.5. Радиальные профили электронной плотности для разряда: из чистого водорода - синяя линяя; с 5%-ой добавкой азота – красная линия; с добавкой 5% азота, но с ФРЭЭ, рассчитанной для плазмы чистого водорода – вертикальные фиолетовые эллипсы; с добавкой 5% азота, но с кинетической схемой, исключающей появление иона N2H+ – горизонтальные оранжевые эллипсы. I – область сильного СВЧ поля, II - шаровая область плазмы.
При внесении добавки азота основным ионом является ион N2H+ (рис. 3.6). Этот ион гораздо тяжелее иона H3+ - основного иона для разряда в чистом Н2. Тяжелый ион N2H+ менее подвижен как в процессе диффузии, так и в дрейфовом движении в поле разделения зарядов. И это может являться причиной изменений профиля электронной плотности и других характеристик плазмы.
Для понимания этого эффекта был произведен расчет для смеси с добавкой 5% азота, но с кинетической схемой, исключающей появление иона N2H+. Соответствующий профиль показан оранжевыми эллипсами на рисунке 3.5. В области сильного поля профиль электронной плотности совпал с профилем ne для чисто водородного разряда, тогда как остальная часть профиля совпадает с профилем, рассчитанным для 5%-ой добавки без внесенного изменения. Данный тест показал, что наличие иона N2H+ оказывает влияние только в области сильного СВЧ поля, вблизи поверхности электрода-антенны. Рис. 3.6. Радиальные профили плотности ионов для разряда в водороде с 5%-ой добавкой азота: коричневая линия - ион N2H+; темно-зеленая линия - ион Нз ; голубая линия - ион Н2+; розовая линия - ион N4+.
Чтобы выяснить, как присутствие иона N2H+ влияет на транспортные свойства электронов, а именно: диффузия или дрейф в постоянном поле разделения зарядов вносит основной вклад в формирование профиля пе, были проведены следующие два численных теста для смеси с добавкой 5% азота. В первом тесте зависимость коэффициента диффузии электронов De от напряженности постоянного (Ьс) и СВЧ(СВЧ) поля бралась из расчета для плазмы чистого водорода, а коэффициент подвижности /ле(Евс, -ЕСВЧ) рассчитывался для смеси водорода с 5% азота. Во втором тесте, наоборот, из расчета для плазмы чистого водорода брался коэффициент подвижности /4(Dc, СВЧ), а коэффициент De (.Ьс, СВЧ) брался для смеси водорода с 5% азота. Первый тест не обнаружил заметных отличий полученного профиля пе, от расчета для смеси водорода с 5% азота, а во втором случае профиль заметно приблизился к профилю пе для плазмы чистого водорода. Последнее означает, что именно изменение подвижности электронов в связи с появлением добавки азота влияет на профиль электронной плотности.
Как показали расчеты в области плазмы значение постоянного поля разделения заряда порядка 1-3 В/см. При этих значениях коэффициенты /ле выше ( 0.1-0.3%) для случая с 5%-ой добавкой, чем коэффициенты /4 для плазмы чистого водорода. Поскольку поле разделения зарядов всегда направлено от центра камеры к электродам, то электроны дрейфуют в этом поле к центру разряда. Дрейфовый поток электронов к центру плазмы уменьшает диффузионный поток электронов на электроды, что приводит (рис. 1a) к сужению профиля электронов по сравнению с профилем ne для плазмы чистого водорода.
Моделирование влияния диэлектрического покрытия металлического электрода (изменение электродинамики разряда, осаждение зарядов на поверхности диэлектрика, изменение каталитических свойств поверхности антенны) на параметры плазмы СВЧ разряда в водороде при пониженном давлении показали, что: (а) использованием диэлектрического покрытия разной толщины и разной диэлектрической проницаемости можно управлять пространственным распределением напряженности микроволнового поля у антенны. (б) изменение электродинамики и осаждение зарядов на поверхности диэлектрика оказывают влияние только на приповерхностную область разряда и практически не влияют на характеристики плазмы в объеме плазмы (например, на максимальное значение концентрации электронов), (в) каталитические свойства поверхности диэлектрика сильно влияют на максимальное значение концентрации атомов водорода в случае преобладания их гибели в процессах диффузии и рекомбинации на поверхности, (г) осаждение зарядов на поверхности диэлектрика приводит к возрастанию потенциала поверхности относительно плазмы, но пространственное распределение потенциала практически не изменяется, а также приводит к смешению области плазменного резонанса к поверхности электрода. Можно ожидать, что с увеличением роли объемной рекомбинации атомов водорода, роль основного фактора влияния диэлектрического покрытия на параметры плазмы будет малой.
При исследовании влияния добавки азота на параметры микроволнового водородного разряда в рамках одномерной модели было показано, что на профили концентраций электронов и СВЧ-поле уже при 5% добавке азота влияют изменение ФРЭЭ, изменение ионного состава плазмы и изменение транспортных свойств электронов. ФРЭЭ оказывает влияние в шаровой области разряда (вдали от электрода): увеличение подвижности электронов приводит к уменьшению размеров плазменного образования. Коэффициент диффузии электронов практически не изменяется. Изменение ионного состава плазмы (основным ионом становится ион N2H+ ) влияет на структуру плазмы у поверхности электрода.
Экспериментальная установка
Исследование возможностей управления параметрами неравновесной низкотемпературной плазмы является важной проблемой физики плазмы. Без ее решения невозможна реализация всех направлений развития физики плазмы и ее применений, перечисленных в дорожной карте [177]. Управление параметрами плазмы осуществляется изменением энерговклада и давления, подбором состава плазмообразующего газа. Перспективным направлением является использование внешних магнитных и электрических полей разных частот. Использование комбинированных разрядов оказывается эффективным, если требуется использовать положительные свойства каждого из разряда, если необходимо получать разряд при уровнях мощности, недостаточных для поддержания разряда или реализовывать разряд в более широком диапазоне внешних параметров, увеличивать стабильность плазменных систем и т.д.
Так, внешние магнитные поля используются для улучшения согласования разрядного устройства с микроволновым генератором [178]. Неоднородные магнитные поля вызывают ускорение плазмы и транспорт частиц плазмы в направлении уменьшающегося поля [179]. Это используется для интенсификации воздействия плазмы на обрабатываемые образцы [180 - 182]. Магнитные поля позволяют защищать стенки реактора и диэлектрические окна от воздействия плазмы [183]. Уменьшение потерь заряженных частиц на стенках позволяет уменьшать напряженность микроволнового поля, необходимую для поддержания разряда. Для получения плазмы в больших объемах используется плазма в мультипольном окружении [20].
В [18, 184] описаны комбинированные СВЧ-ВЧ системы, в которых плазма создавалась СВЧ источником, а ВЧ поле обеспечивало постоянное смещение подложки в процессе ее обработки.
Использование постоянных полей позволяет, в зависимости от полярности, как увеличивать, так и уменьшать порог возникновения мультипакторного разряда у поверхности диэлектрика [185]. В [186] описаны возможности управления параметрами ВЧ разряда с помощью внешнего магнитного поля и введения дополнительного электрода, запитываемого от источника постоянного тока [186].
В [187] описана плазменная горелка, к которой использована комбинация дуги и микроволнового разряда для увеличения размеров и энтальпии дуги.
Таким образом, комбинация полей позволяет управлять параметрами плазмы и изменять ее характеристики.
Настоящая глава продолжает исследования влияния внешнего постоянного поля на неоднородный электродный микроволновый разряд в водороде, описанные в [188, 189]. Было показано, что постоянное поле изменяет структуру и форму разряда. В настоящей работе приведены результаты детального исследования этого влияния. На основе двумерного моделирования проведен анализ полученных экспериментальных результатов.
Электродный микроволновый разряд это разряд, создаваемый в окрестности конца электрода/антенны в камере, размеры которой превышают размеры светящейся области разряда. Интерес к исследованию электродного микроволнового разряда (ЭМР) [17, 120, 190] вызван рядом причин. ЭМР является представителем сильно неоднородных разрядов и важным является изучение влияния неоднородности плазмы на физико-химические процессы, а также влияния различных факторов на процессы в нем. Основной энерговклад в разряд осуществляется вблизи электрода/антенны, т.е плазма создается вблизи поверхности.
Самосогласованная модель, описывающая разряд в водороде в камере с осевой симметрией и размерами, соответствующими размерам камеры экспериментальной установки, аналогична модели, описанной в главе 2. Она дополнена граничными условиями, соответствующими модели разряда в режиме постоянного тока.
На оси Oz выполняется условие осевой симметрии для всех уравнений.
Граничные условия для потенциала, описываемого уравнением Пуассона, следующие. Наружная стенка рабочей камеры заземлена (# =0), а на внутреннем электроде потенциал задавался.
Граничные условия для заряженных частиц плазмы, описываемых балансными уравнениями, заданы выражениями для потоков на стенки центрального электрода и камеры: р-п -ри1Та- Е-п
Потоки электронов и ионов /-го сорта на стенку состоят из двух составляющих: диффузионной, и дрейфовой. Здесь ите и и тр - тепловые скорости электронов и ионов на стенке, п - единичный вектор, перпендикулярно направленный к поверхности электрода (нормальный вектор). Соответствующая температура электронов на стенке была вычислена с помощью уравнения Больцмана, а температура ионов на стенке равна газовой температуре. Коэффициент , если вектор постоянного поля Е направлен в сторону стенки, т.е. Е- п и , если Е- п .
Концентрация всех нейтральных возбужденных частиц плазмы на стенке полагалась равной нулю. Поток на стенку невозбужденных атомов водорода в плазме равен тепловому (диффузионному) потоку, умноженному на вероятность их рекомбинационной гибели гг: п-п —у -еот. Вероятность рекомбинационной гибели атомов водорода /г на меди (антенна) принималась равной 0,05. Эта величина лежит в диапазоне значений (0,02-0,1), приведенных в [132]. Вероятность рекомбинационной гибели атомов водорода на стенках камеры из нержавеющей стали принималась равной 0,1 [134].
При моделировании использовалась геометрия модели, описанная в Главе 2, за исключением дополнительных элементов, учитывающих особенности экспериментальной установки (изоляция электрода антенны от стенок камеры и заземлённый столик). Кроме того, пересекающиеся линии геометрии были сопряжены дугами окружности радиусом 0,5 мм. Это позволило использовать более грубую сетку при неизменной точности расчёта. Изменённая геометрия модели приведена на рис 5.1.