ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОДНОГО ВОДОРОДНОГО СВЧ РАЗРЯДА ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОДНОГО ВОДОРОДНОГО СВЧ РАЗРЯДА ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ.

Лебедев Ю. А., Мокеев М. В., Татаринов А. В.

lebedev@ips.ac.ru

Институт Нефтехимического Синтеза им. А. В. Топичева РАН

1. Электродный СВЧ разряд принадлежит к классу инициированных разрядов [1, 2]. Несмотря на то, что такие разряды обладают рядом интересных свойств, и существуют широкие возможности их применения, например, в плазмохимии [3], для получения алмазных покрытий [4], они до сих пор остаются наименее изученным типом СВЧ-разряда. В работе [2] дана феноменология, описана пространственная структура разряда, приведены результаты зондовых измерений.

В данной работе проводилось исследование структуры плазмы электродного СВЧ разряда при давлениях 1-8 Тор в смеси водорода путем измерения интегральной интенсивности излучения плазмы с целью построения физической модели разряда.

2. Разрядная камера представляла собой металлический цилиндр диаметром 8,5 см, с торца которого вставлялась антенна. Антенна являлась элементом коаксиально-волноводного перехода, который подстраивался с помощью короткозамыкающего поршня. Разряд зажигался вокруг антенны (возбуждающего электрода). Измерения велись в проточной системе. Использовался СВЧ генератор с выходной мощностью до 170 Вт и частотой 2,45 ГГц. Через стеклянное окно, сделанное в стенке разрядной камеры излучение от разряда попадало в коллиматор, с другой стороны которого находился световод, ведущий к ФЭУ. Коллиматор собирал излучение из области разряда диаметром » 1,5 мм. Он мог перемещаться в плоскости, параллельной окну, по горизонтали или по вертикали. В результате получалось распределение интегральной интенсивности свечения плазмы I вдоль оси разряда (совпадающей с осью электрода) и в перпендикулярном направлении.

3. Разряд, вне зависимости от формы электрода, всегда состоит из двух областей - яркой пленки вблизи электрода и менее яркой “сферы”, окружающей ее на некотором расстоянии. Диаметр, толщина и яркость пленки и “сферы” растут при повышении мощности и падают с ростом давления; при больших давлениях и малых мощностях “сфера” прилегает к пленке или исчезает совсем. В ряде случаев на границе “сферы” наблюдалось увеличение интенсивности свечения плазмы. Пленка первоначально появлялась у края электрода и при повышении мощности росла вдоль его боковой поверхности в сторону генератора. В качестве электродов применялись цилиндрические трубки и стержни диаметром 6 и 4 мм. При давлении 1- 3 Тор “сфера” имела почти правильную форму, с центром у края электрода; толщина “сферы” была наибольшей под электродом, далее уменьшалась, и “сфера” исчезала в верхней своей части вблизи него. С ростом давления “сфера” сплющивалась по вертикали, ее толщина уменьшалась. Со стороны торца электрода яркая пленка выглядела, как кольцо. Используя, как электрод, проволоку Ж 0,5 мм, слабо светящуюся плазму у края электрода удавалось получить при подводимой мощности 2 Вт. При больших мощностях “сфера” растягивалась, принимала форму эллипсоида, следуя за яркой пленкой, поднимающейся по проволоке с ростом W (рис. 1.1). Если проволоку, сгибали у конца под прямым углом, “сфера” при больших W давала отросток, который охватывал изгиб электрода и поднимался выше (рис. 1.2). Когда использовался “трезубец”, свитый из такой проволоки, вставленный в электрод-трубку, разряд загорался у острого конца, с ростом W загорался и у других, скругленных. Вдоль каждого конца росла своя пленка, а вокруг каждой пленки образовывалась “сфера”, следовавшая за ней. При этом “сферы” сближались так, что уже должны были соприкоснуться, но деформировались, как бы отталкиваясь друг от друга, и между ними оставался темный промежуток. При дальнейшем повышении W разряд загорался и около края трубки, что приводило к уменьшению размеров и яркости разряда на проволоке (рис. 1.3). Когда применялись спиралевидные электроды разных форм, разряд горел у разных участков электрода и перескакивал с места на место (рис. 1.4). При больших мощностях разряд убегал по антенне в сторону генератора и горел около входа электрода в камеру.

4. На рис.2 показано распределение интенсивности свечения плазмы у цилиндрического электрода (кривые получены при движении коллиматора перпендикулярно оси электрода на разных уровнях). Из анализа кривых, полученных при движении вдоль оси электрода, следует, что большую часть излучения разряда составляет излучение пленки; причем соотношение вкладов пленки и “сферы” меняется с ростом мощности, то есть изменяется доля энергии, поглощаемая каждой из областей. Известно, что интенсивность излучения плазмы связана с поглощенной мощностью. Из результатов измерений следует, что основной энерговклад в плазму осуществляется в зоне светящейся пленки. Ее объем на 2-3 порядка меньше объема “сферы”. Поэтому удельный энерговклад и, соответственно, концентрация электронов области пленки тоже на 2-3 порядка выше. Анализ результатов (совместно с предыдущими исследованиями) позволяет представить следующее физическое описание. Разряд существует в сильно неоднородном СВЧ поле. В приэлектродной области, где поля максимальные, существует сильно ионизованная плазма с характерными размерами порядка глубины скин-слоя (» 1 мм). Эта область соответствует яркой светящейся пленке. Из этой области заряженные и активные частицы поступают во внешнюю (шаровидную) область разряда, где в слабом электромагнитном поле существует несамостоятельный разряд. На границе шара возможны условия существования разряда, поддерживаемого поверхностной волной, что вызывает увеличение интенсивности излучения вблизи границы “сферы”.

Таким образом в неоднородном СВЧ поле возможно создание объемных разрядов при малых энерговкладах. В области “сферы” (несамостоятельный разряд), по-видимому, и создаются оптимальные условия для реализации плазмохимических реакций.

Рис. 1. Разряд на разных электродах.

Рис. 2. Распределение интенсивности излучения плазмы. 1 Тор, 90 Вт.

Литература.

1. Lebedev Yu. A. // J. Phys. IV France 8 (1998), 369.

2. Бардош Л., Лебедев Ю. А. // ЖТФ, 68 (1998) 29.

3. Бардош Л., Лебедев Ю. А. // Физика плазмы, 24 (1988) 956.

4. Bardos L., Barankova H., Lebedev Yu. A., Berg S., Nyberg T. // Diamond and Related Materials 6 (1997) 224.