4.4. Генераторы плазмы.

Методы получения плазмы.

а) Импульсное воздействие сфокусированных электронных и лазерных пучков на поверхность твёрдых тел, микрообъекты или газовые среды. Необходимая плотность мощности: .

б) Электрические пробои в газах, жидкостях и твёрдых телах, а также электрические взрывы острий, проволочек, фольг.

в) Импульсные и стационарные дуговые разряды в вакууме и газах при различных давлениях. В дуговом разряде интенсивно разрушается катод (пример: сварка).

г) Плазма стационарных тлеющих разрядов в газах при пониженном давлении, питаемая источниками постоянного тока или ВЧ – источниками. Разрядные токи от десятков мА до десятков А. Стационарное состояние плазмы поддерживается путем непрерывного подвода энергии с целью компенсации потерь заряженных частиц на электродах и стенах, ограничивающих плазму, а также потерь кинетической энергии при столкновении нейтральных частиц с электродами и стенкой. Энергетические потери плазмы стационарных и ВЧ тлеющих разрядов на изучение пренебрежимо малы.

4.4.1. Пробой газовых сред в электрических полях.

Электрический пробой – перевод среды из непроводящего в проводящее (ионизированное) состояние. Время образования ионизированного состояния 10^-4 – 10^-8 с. Степень ионизации, температура и давление в образованном канале зависит от характеристик источника напряжения, типа среды , начального давления. Основной механизм пробоя – образование электронных лавин за счет затравочных электронов. Для облегчения пробоя используют способы повышения плотности затравочных электронов (например, облучение среды УФ излучением).

4.4.2. Электрический разряд в газах

Электрические разряды в газах делятся на самостоятельные и несамостоятельные. Несамостоятельным называют электрический разряд, для поддержки которого требуется эмиссия электронов с катода или образование заряженных частиц разрядном промежутке под действием внешних факторов (нагрев катода, облучение катода или газа в разрядным промежутке светом, рентгеновским или радиоактивным излучением и др.). Самостоятельным называют электрический разряд, для поддержки которого не требуется образования заряженных частиц под действием внешних факторов. При самостоятельном разряде генерация и движение зарядов в разрядном промежутке осуществляется только за счет энергии внешнего поля, действующего между электродами.

Тлеющий разряд постоянного тока.

Такой разряд возникает между двумя электродами, расположенными в газовой среде. При повышении потенциала между электродами вначале возникает несамостоятельный разряд, затем происходит пробой среды и возникновение самостоятельно разряда. При высоком внутреннем сопротивлении источника питания возникает тлеющий разряд. В противном случае возникает самостоятельный дуговой разряд. Для тлеющего разряда характерно наличие двух резко различающихся участков. Прикатодный участок небольшой протяженности, в котором сосредоточено падение потенциала значительной величины (обычно порядка 0,8 от приложенного потенциала), называемое катодным падением потенциала и участок столба разряда, представляющего собой ионизированный газ (плазму) с хорошей электропроводностью и, следовательно, сравнительно малым перепадом потенциала. Типичные для тлеющего разряда характеристики – ток от десятков мА до единиц А, напряжение от сотен В до единиц кВ. Стационарное существование тлеющего разряда поддерживается за счет установления равновесия между процессами гибели и рождения заряженных частиц. Гибель заряженных частиц происходит на электродах, куда частицы попадают под действием поля, в результате процессов рекомбинации в плазме разряда, а также на стенках ограничивающей разряд камеры. Рождение заряженных частиц обусловлено процессами ионизации в плазме при столкновении ускоренных в поле электронов с нейтральными частицами, а также процессом ион-электронной эмиссии на катоде.

Стационарный дуговой разряд

Характеризуется относительно низким напряжением горения (30 – 300) В и большими токами от единиц до 10⁵А. Дуговой разряд может существовать как в газовых средах при различных давлениях, так и в вакууме. В дуговом разряде интенсивно эрозирует (разрушается) катод за счет испарения, взрывного вскипания и эмиссионных процессов. Состав плазмы в основном определяется составом катода. При использовании в качестве катода тугоплавких металлов эрозия мала. Поддержание разряда идет за счет термоэмиссии электронов и ион-электронной эмиссии. Импульсный режим дугового разряда возникает при использовании в качестве источника питания емкостного накопителя. Развиваемая в таких разрядах мощность достигает 10²⁵Вт.

Виды ВЧ-разряда

Известны два основных способа возбуждения высокочастотного разряда низкого давления – емкостной и индукционный. Соответственно два вида ВЧ-разряда Е-разряд и Н-разряд. На рис. 4.1 изображены типичные способы осуществления индукционного и емкостного ВЧ-разрядов. Н-разряд зажигают при помощи спиралевидного индуктора, внутри которого располагается цилиндрическая кварцевая камера, соединенная с вакуумной системой, поддерживающей необходимое давление. Ток высокой частоты пропускается через индуктор. В этом случае силовые лини электрического поля замкнуты внутри газоразрядной плазмы, возбуждающее поле является вихревым.

На рис. 4.1 (б) указаны три часто наблюдаемые в практике варианта осуществления Е-разряда. Высокочастотное напряжение подается на электроды, непосредственно контактирующие с плазмой или защищенные диэлектриком.

Рис. 4.1. Способы осуществления ВЧ-разряда низкого давления.

а) индукционный разряд, 1 – индуктор, 2 – разрядная камера. б) емкостной разряд, 1 – электроды, 2 – разрядная камера, 3 – диэлектрические пластины, 4 – цилиндрическая кварцевая разрядная камера.

При индукционном разряде пробой осуществляется вихревым электрическим полем, напряженность которого, согласно закону электромагнитной индукции, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Отсюда с ростом частоты ВЧ поля растет и напряженность вихревого электрического поля возбуждающего разряд, увеличивается энергия, передаваемая в плазму. При низких частотах индукционный разряд малоэффективен в сравнении с емкостным. С увеличением частоты до десятков и сотен МГц вкладываемая в Н-разряд мощность растет и он становится более эффективным, чем Е-разряд.

Физика горения ВЧ разряда.

В высокочастотном электрическом поле электроны и ионы совершают дрейфовые колебания. На хаотическое тепловое движение заряженных частиц накладывается дрейфовое в направлении электрического поля (для случая емкостного заряда – в направлении перпендикулярном электродам). Амплитуда дрейфовых колебаний электронов А в раз меньше, чем амплитуда свободных колебаний A₀, т.е.:

. (1.21)

Направленная (дрейфовая) скорость и амплитуда колебаний ионов в порядка 10⁴ раз меньше, чем у электронов. Поэтому, при рассмотрении колебательного движения заряженных частиц в ВЧ-разряде, можно считать ионы неподвижными. Отсюда следует, что в результате увода электронов из приэлектродной области шириной примерно А возникает слой пространственного заряда, а также стационарный положительный потенциал разрядной плазмы относительно потенциала электродов.

Направленная (дрейфовая ) скорость электронов в плазме ВЧ-разряда подчас много меньше тепловой и поэтому масштаб разделения зарядов на границе плазмы  будет определяться не амплитудой колебаний электронов А, а длиной поляризации плазмы в электрическом поле. Для малых разностей потенциалов в области пространственного заряда V<<V_e (V_e – температура электронов, выраженная в единицах потенциала) величина  будет, очевидно, равна дебаевскому радиусу D:

. (1.22)

Таким образом, с развитием ВЧ-разряда в результате увода электронов ВЧ-полем или их ухода на электроды вследствие наличия значительных тепловых скоростей возникает двойной электрический приэлектродный слой. Образование этого слоя является причиной появления большого потенциала V₀

Для ВЧ-разряда величина V_ВЧ много больше V_e, практически выполняется условие V_ВЧ>10V_e. При этом условии:

, (1.26)

и при V_ВЧ>>V_e первым членом этого выражения можно пренебречь

. (1.27)

На основании рассмотренных результатов можно заключить следующее: в тривиальных условиях горения ВЧ-разряда (V_ВЧ>>V_e) возникающий постоянный потенциал между плазмой и электродом для симметричного Е-разряда и постоянная разность потенциалов между электродами в несимметричном или коаксиальном разряде практически не зависят от частоты ВЧ поля, состава плазмообразующего газа и его давления.

Можно сделать следующее заключение: возникновение приэлектродных слоев пространственного заряда с развитием высокочастотного разряда вследствие высоких дрейфовых и тепловых скоростей электронов и увеличение стационарной разности потенциалов между плазмой и электродами вследствие выпрямления ВЧ поля на нелинейной проводимости приэлектродных слоев приводит к формированию разряда со слоистой структурой, физика горения которого содержит элементы собственно ВЧ-разряда и разряда на постоянном токе.