Экспериментальное исследование параметров плазы емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР) (стр. 3 из 6)
(13)Дифференцируя равенство (13) по времени, находим плотность разрядного тока в видe
(14)Величина jне зависит от х, будучи одинаковой, во всех сечениях разрядного промежутка. Первое слагаемое представляет собой плотность тока электронов (проводимости плюс поляризации), второе – «чистый» ток смещения. Появление последнего в выражении для сохраняющейся величины j– следствие несовершенства проводящих свойств плазмы. Именно по этой причине заряд в слое отличается по модулю от q, не успевая мгновенно реагировать на изменение заряда на электроде, который поступает из внешней цепи (или уходит во внешнюю цепь) под действием ЭДС источника питания. Подставив в (14) Ериз (6), придадим выражению для плотности тока вид
(15)В отсутствие разряда (при п = 0) остается только второе слагаемое. Это реактивный ток, который течет через «вакуумный» конденсатор, образованный двумя электродными пластинами.
Зажигание разряда и появление первого слагаемого в электрическом отношении равносильно подключению параллельно конденсатору некоего комплексного сопротивления (рис. 4), ибо согласно (9) первое слагаемое также пропорционально напряжению V.
Рис. 4 Схемы разрядного промежутка: а) в отсутствии разряда; б) соответствующая разрядному току (15)
Однако появление достаточно хорошо ионизированной плазмы внутри конденсатора столь резко меняет характер электрической системы, что более адекватной, является эквивалентная электрическая схема с последовательным включением элементов.
«Импеданс» разрядного промежутка с плазмой.
Подставляя (9) в (15) и совершая небольшое преобразование, запишем
(16)
Величина Z имеет смысл импеданса (комплексного сопротивления) наединицу площади промежутка между электродами с плазмой внутри. Здесь электрическая система является нелинейной, так как величины А и п в Z сами зависят от амплитуды напряжения, т.е. они определяются уравнениями (10) и баланса числа зарядов. Если найти и подставить функции А(Va) и n(Vа) в (16), можно получить зависимость jaот Vа, т.е. ВАХ разряда. Несмотря на то, что А и п в (16) зависят от V, выражению для Z полезно дать интерпретацию так, как будто А и n– фиксированные величины, т.е. как будто Z– истинный импеданc электрической системы.
В пределе достаточно сильной ионизации, когда ωp2 >> ω2 и ωр2 >> ωυm(ωp2 ~ n), что и в самом деле свойственно ВЧ разрядам, интерпретация очень наглядна. В этом предельном случае
(17)
Где σt– комплексная проводимость плазмы.
Величина 1/(8πА)есть эквивалентная емкость (на единицу площади) двух последовательно включенных емкостей, соответствующих слоям. Каждая из них по отдельности меняется во времени, но эквивалентная емкость двух слоев неизменна. Таким образом, в соответствии с (17) электрическую систему можно рассматривать как последовательное соединение емкостей слоев комплексного сопротивления плазмы (рис. 5).
Рис. 5 Схемы ВЧЕ разряда, соответствующие импедансу (17):
а) слои представлены отдельными емкостями;
б) емкости слоев объединены.
1.5 Две формы существования высокочастотного емкостного разряда
ВЧЕ разряды, как правило, горят в одной из двух сильно различающихся форм. Внешне формы различаются интенсивностями и распределениями свечения по длине разрядного промежутка, по существу – ионизационными процессами в приэлектродных слоях, механизмами замыкания тока на электроды [8].
Интерес к данным процессам связывался с применением ВЧЕ разрядов среднего давления для создания активной среды СО2-лазеров. Примерно в то же время резко возрос интерес и к ВЧЕ разрядам низкого давления, в основном в связи с их успешными применениями в плазменной технологии. В них также проявляются две формы горения разряда, однако в случае низких давлений различия между ними не столь явно бросаются в глаза как при средних давлениях.
Средние и низкие давления
ВЧЕ разряды в этих диапазонах давлений имеют довольно заметные различия. Граница между диапазонами, конечно, весьма размыта, она зависит и от конкретного признака, по которому наблюдается различие, и от конкретных условий: размеров, геометрии, рода газа, частоты. Но в общем, условно ее можно провести где-то в районе Р~ 1 Торр.
Приведем некоторые из наиболее резко бросающихся в глаза различий:
- В α-разряде при средних давлениях наблюдается эффект нормальной плотности тока, при низких – нет. Это значит, что в первом случае на достаточно большом электроде разряд занимает не всю площадь, а во втором покрывает электрод полностью. Если параллельные плоские электроды имеют разные площади, в первом случае это не сказывается на размере токовых пятен на каждом из электродов, т.е. сам разряд все равно симметричен относительно средней между электродами плоскости. При низких давлениях, напротив, разряд стремится заполнить всю площадь электродов, и, следовательно, в асимметричной системе ток тоже асимметричен.
- В разряде среднего давления α- и γ-переход происходит скачком: резко перестраиваются структура разряда и слои, резко меняется плотность тока на электроде и ВАХ. В разряде низкого давления скачков не наблюдается, и на непрерывной ВАХ появляется лишь излом.
- В γ-разряде среднего давления в средней части межэлектродного промежутка плазма обладает довольно значительной электронной температурой, мало отличающейся от таковой в α-разряде. При низких давлениях электронная температура в плазме γ-разряда исключительно низка: гораздо меньше, чем в α-разряде.
Эти различия связаны с особенностями протекающих в разряде процессов и их закономерностями.
Краткая теория метода зондов Ленгмюра
Метод электрических зондов Ленгмюра позволяет определить основные параметры плазмы (концентрацию, температуру, макроскопический потенциал и электрическое поле в плазме, направленную скорость носителей заряда), определить функцию распределения электронов по скоростям. Этот метод является основным методом диагностики плазмы. Электрический зонд Ленгмюра представляет собой небольшое по сравнению с общими размерами плазмы и электродов металлическое тело, вводимое в плазму, на котором может поддерживаться определенный потенциал. Используются различные зонды: плоские, цилиндрические, сферические и т.п. Потенциал зонда задается и отсчитывается относительно некоторого опорного электрода, потенциал которого не изменяется в процессе измерения. Параметры плазмы определяются по вольтамперной характеристике зонда [3].
Электрический ток на зонд складывается из тока электронов и тока ионов. Если зонд имеет потенциал, положительный относительно потенциала пространства невозмущенной плазмы, то ионы отталкиваются от него, а электроны притягиваются. В противном случае картина становится обратной.
Теория метода зондов Ленгмюра основывается на нескольких предположениях [6].
1. Электроны в невозмущенной плазме имеют максвелловское распределение по скоростям:
(18) 
(19)2. В окрестности зонда, помещенного в плазму, образуется слой пространственного заряда, полностью экранирующего за внешней границей слоя возмущающее действие зонда.
3. Характерный размер зонда значительно больше толщины слоя.
4. В слое пространственного заряда электроны и ионы не испытывают соударений с тяжелыми частицами – атомами и ионами.
5. Если V<V0, электроны находятся в тормозящем поле и в пределах слоя пространственного заряда их концентрация распределена по закону
Больцмана.
, где п е0– концентрация электронов вневозмущенной плазме. Используя эти предположения, можно получить аналитические выражения, описывающие вольтамперные характеристики зонда. Например, плотность хаотичного тока электронов на зонд равна,
(20)Из (18) имеем
(21)Электронный ток на зонд при V< Voбудет равен:
(22)При V>V0электронный ток достигает насыщения: