Распределение плотности тока в ВЧ-разряде в условиях динамического вакуума



Исследовано распределение плотности разрядного тока в потоках плазмы ВЧ-индукционного и емкостного разрядов пониженного давления. Установлено, что в плазменной струе плотность тока на три порядка меньше, чем в разрядной камере. При этом вектор плотности тока имеет аксиальную и азимутальную компоненту. Найдены основные закономерности влияния давления и расхода газа, мощности разряда на плотность тока. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что плазменная струя ВЧ разряда при пониженном давления не является рекомбинирующей плазмой.

Ключевые слова: ВЧ-индукционный разряд, пониженное давление, продув газа, плазменная струя, пояс Роговского, плотность тока.

Плазма ВЧ разрядов при пониженном давлении в диапазоне Па с расходом газа г/с при вкладываемой в разряд мощности кВт обладает рядом свойств, значительно отличающихся от других видов газовых разрядов. В частности, длина струи, истекающей из плазмотрона в рабочую камеру, достигает 0,5 м. Для уточнения характеристик ВЧ-разрядов в таких условиях проведены измерения плотности тока разряда .

Измерения плотности тока позволяют установить границы существования диффузного ВЧ разряда, получить оценки концентрации электронов и проводимости плазмы, плотности потока частиц на обрабатываемую поверхность. Это дает возможность определить зоны эффективной обработки поверхности изделий при размещении их в разрядной камере плазмотрона или в струйном потоке в вакуумной камере.

Целью работы является исследование плотности тока в ВЧ-индукционном и ВЧ-емкостном разрядах с продувом газа при пониженном давлении, зажигаемых в кварцевой разрядной камере с помощью соленоидального индуктора (ВЧИ-разряд) и внешних кольцевых электродов (ВЧЕ-разряд).

Методы исследования

Измерения проводились на ВЧ плазменной установке (рис. 1), которая состоит из нескольких взаимосвязанных систем: высокочастотный генератор, вакуумный блок, система питания рабочим газом, высоковольтный выпрямитель, высокочастотный плазмотрон, система диагностики и контроля. Основные конструкционные характеристики и параметры режима работы установки описаны в работе [1].

Рис. 1. Фотография ВЧИ-плазменной установки

ВЧ индукционный плазмотрон состоит из индуктора и разрядной камеры. Индуктор представляет собой катушки индуктивности из медной трубки, по которой подается вода для охлаждения.

ВЧ-емкостный плазмотрон состоит из кольцевых разрезных электродов, соосных с разрядной камерой. Плазмотроны закрепляются в отверстии базовой плиты вакуумной камеры с помощью уплотнительного кольца из вакуумной резины.

Разрядная камера (РК) представляет собой цилиндрическую цельносварную конструкцию из кварца с двойными стенками внутренним диаметром 0,024 м. В пространство между стенками подается вода для охлаждения разрядной камеры. Измерения плотности тока в разрядной камере проводились в специальном плазмотроне с оливками [1], через которые в плазму вводился зонд. Свободные оливки закрывались притертыми пробками.

Измерения плотности тока в ВЧ-разряде проводились с помощью миниатюрной катушки Роговского. Измерительный пояс выполнен в виде тороидальной катушки сечением 0,19 мм2, намотанной проводом 0,01 мм. Для исключения высокочастотной наводки пояс Роговского помещен в экран из медной трубки в форме тора с прорезью. Плоскость прорези совпадала с осью зонда. При ориентации оси катушки параллельно линиям тока возникает сигнал. Если ось зонда перпендикулярна вектору плотности тока, то сигнал должен отсутствовать. Такая конструкция зонда позволяет не только измерить плотность тока, но и определить его направление (компоненты вектора ).

Во избежание перегрева зонда плазмой он снабжен принудительным водяным охлаждением за счет теплообмена с зоной экрана, по которой циркулирует вода. На часть экрана, контактирующую с плазмой, напылялся слой из двуокиси кремния. Для измерения малых величин плотности тока и подавления синфазной помехи использовался дифференциальный усилитель [1].

При измерениях плотности тока входные параметры изменялись в указанных выше диапазонах. Использовались рабочие частоты генератора f =1,76 для ВЧИ-разряда и 13,56 МГц для ВЧЕ-разряда. Измерения проводились в атмосфере аргона высшего сорта и воздуха. В процессе работы контролировались основные входные параметры: ВЧ напряжение на электродах, ВЧ ток индуктора, частота генератора, давление газа, расход газа.

Результаты и обсуждение

В силу особенностей конструкции плазмотрона во ВЧИ-разряде вектор плотности тока имеет только азимутальную компоненту , во ВЧЕ-разряде — аксиальную .

Зависимости плотности тока в ВЧИ-разряде от G г, Р р и пространственные распределения азимутальной и аксиальной составляющих представлены на рис. 2–5. Начало координат на рис. 2 в радиальном направлении соответствует оси потока, в аксиальном направлении на рис. 3, 6 — поверхности базовой плиты вакуумной камеры.

Из рис. 2 видно, что в разрядной камере ВЧИ-разряда =0 на оси разряда и возрастает к его границе. Такое вид графика объясняется симметрией потока относительно оси, условием непрерывности тока и возрастанием напряженности электрического поля в направлении к стенкам разрядной камеры [1–6].

Рис. 2. Распределение плотности ВЧ тока в плазме по радиусу разрядной камеры ( z =-120 мм, р=165 Па). 1,2 — ВЧЕ разряд в аргоне, f =13,56 МГц, Р р=2,7 кВт,: 1 — G г=0,18 г/c; 2 — G г=0; 3 – 5 — ВЧИ разряд, f =1,76 МГц, Р р=2,4 кВт, р=113 Па: 3 — G г=0, аргон, 4 — G г=0,1 г/с,воздух, 5 — G г=0,1 г/с, аргон

Во ВЧЕ-разряде плотность тока максимальна на оси и спадает к границам разрядной камеры, что соответствует распределению концентрации электронов и электронной температуры [2–5]. Колоколообразный вид плотности тока во ВЧИ-разряде и плавное возрастание ее во ВЧЕ-разряде свидетельствуют о том, что разряд в диапазоне давлений 13,3 –133 Па является диффузионным.

Рис. 3. Распределение плотности тока по оси потока ВЧИ плазмы ( f =1,76 МГц, Р р=2,4 кВт, р =113 Па): 1 — G г=0, аргон, 2 — G г=0,1 г/с, аргон, 3 — G г= 0,1 г/с, воздух

В аксиальном направлении в разрядной камере распределение имеет колоколообразный вид, абсолютные значения достигают максимума в области индуктора (рис. 3). При Р р=2,4 кВт, р =133 Па плотность тока в плазменном сгустке достигает 1,8·106 А/м2, при этом максимальное значение в плазменной струе составляет ~103 А/м2. Наличие плотности тока в вакуумной камере свидетельствует о том, что плазменная струя ВЧ-разряда при пониженного давления с продувом газа является не потоком рекомбинирующей плазмы, а дополнительным разрядом.

Установлено, что при изменении давления плотность тока в плазме практически не изменяется. Данная закономерность может быть объяснена следующим образом. В соответствии с законом Ома, плотность тока в ВЧ-разряде

(1)

где — проводимость плазмы, — напряженность электрического поля, — концентрация электронов, е — элементарный электрический заряд, — частота упругих столкновений электронов с атомами и ионами, — масса электрона, — круговая частота электромагнитного поля [7].

При увеличении давления частота столкновений увеличивается, следовательно, неизменность плотности тока при варьировании давления означает, что при этом и Е изменяются разнонаправленно: при увеличении пропорционально уменьшается Е , и наоборот. Это может быть связано с тем, что с увеличением концентрации электронов увеличивается экранировка плазмой ВЧ магнитного поля, и, соответственно, уменьшается магнитная и электрическая напряженности ВЧ поля.

При увеличении мощности разряда в диапазоне от 1,5 до 2,7 кВт монотонно возрастает (рис. 4). Мощность, вкладываемая в разряд, регулируется током, подаваемым на индуктор. Согласно калибровочным графикам [1], мощность, вкладываемая в разряд Р р, пропорциональна мощности, потребляемой установкой Р уст.

Рис. 4. Зависимость плотности тока в плазме ВЧИ разряда от мощности ( f =1,76 МГц, р =113 Па): 1 — аргон, z = -120 мм, G г=0, 2 — воздух, z = — 60 мм, G г=0,1 г/с.

Связь Р р с внутренними параметрами разряда дается соотношением

(2)

При увеличении тока индуктора пропорционально возрастают напряженности магнитной и электрической составляющих электромагнитного поля, соответственно увеличивается поглощение мощности плазмой, и, согласно формулам (1), (2) увеличиваются , Е и .

При увеличении расхода плазмообразующего газа изменяется нелинейно: вначале, при увеличении G г от 0 до 0,04 г/с плотность тока уменьшается, затем увеличивается, достигая локального максимума при G г=0,08 г/с, и при дальнейшем увеличении G г плотность тока уменьшается (рис. 5). Такая закономерность объясняется взаимодействием двух факторов: скорости газа , и скорости ионизации , где — частота ионизации.

Рис. 5. Зависимость плотности тока в плазме ВЧИ разряда от расхода плазмообразующего газа, ( f =1,76 МГц, р = 113 Па, Р р = 2,4 кВт): 1 — z = -120мм, аргон, 2 — z = -120 мм, воздух, 3 — z =120 мм, аргон

В отсутствие продува газа перенос поглощенной энергии из разрядной камеры в вакуумную камеру незначителен, вся энергия электрического поля вкладывается в области плазменного сгустка. При включении продува газа заряженные и нейтральные частицы переносятся потоком плазмы в вакуумную камеру, унося с собой поглощенную энергию поля. При этом уменьшается концентрации электронов, соответственно уменьшаются скорость ионизации и плотность тока .

В движущейся плазме закон Ома (1) можно переписать в виде [7, 8]

(3)

где средняя скорость электронов

(4)

— коэффициент амбиполярной диффузии. Из формулы (4) видно, что в безрасходном режиме (при ) плотность тока определяется диффузионных переносом. При подаче газа сначала бóльшее влияние на плотность тока оказывает унос заряженных частиц с потоком плазмы и уменьшение скорости ионизации. При этом уменьшается диффузионная составляющая плотности тока и увеличивается конвективная составляющая плотности тока При определенном расходе газа (в данном случае при G г=0,4 г/с) конвективная составляющая плотности тока начинает преобладать над диффузионной и

начинает увеличиваться. По достижении G г=0,08 г/с унос частиц из области ионизации становится слишком большим и обе составляющих плотности тока, и начинают уменьшаться. Следствием этого является уменьшение плотности тока.

Рис. 6. Распределение плотности тока вдоль потока ВЧИ плазмы аргона, при обработке образца из сплава ВТ8 ( z =200 мм, G г=0,1г/с): 1, 2 — Р р=1,8 кВт, 3, 4 — Р р=3,8 кВт, 2, 4 — без образца, 1, 3 — с образцом

В плазменной струе при Р р=2,4 кВт, р =133 Па плотность тока не превышает 103 А/м2 (рис. 6). При введении образца в струю амплитуда азимутальной составляющей ВЧ тока в плазме возрастает на 20–30 % вблизи поверхности и практически не меняется на выходе из плазмотрона (рис. 5). При этом обнаруживается аксиальная составляющая плотности ВЧ тока аксиальной , амплитуда которой пропорциональна мощности разряда и достигает значений 4000 А/м2. Причиной этого является торможением потока и возникновение емкостной связи между образцом и базовой плитой вакуумной камеры, так как образец в плазме заряжается отрицательно [8].

Полученные закономерности согласуются с распределением концентрации электронов, температуры плазмы и напряженности магнитного поля в потоке ВЧ-разрядов пониженного давления [1–6].

Выводы

Характер распределений плотности тока в ВЧ-разрядах в условиях динамического вакуума при давлениях в диапазоне 13.3–133 Па свидетельствуют о том, что разряд находится в диффузионном режиме, а плазменная струя не является потоком рекомбинирующей плазмы, как ВЧИ разряд атмосферного давления, а дополнительным разрядом.

Полученные закономерности по пространственному распределению плотности тока, зависимости от режима ВЧ-плазменной установки могут быть использованы для оптимизации обработки технологических параметров обработки материалов.

Литература:

1. Абдуллин И. Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И. Ш. Абдуллин, В. С. Желтухин, Н. Ф. Кашапов. — Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та. — 2000. — 348 с.
2. Gafarov I. Electron Density Measurement in a RF Plasma Discharges by Microwave Method / I. Gafarov, G. Paskalov // Proc. of 5th Central European Symposium on Plasma Chemistry. — Balatonalmadi, Hungary, 2013.
3. Zheltukhin V. Microwave techniques for electron density measurements in low pressure RF plasmas / V. Zheltukhin, I. Gafarov, А. Shemakhin // Proc. of 69th Annual Gaseous Electronics Conference. — Bochum, Germany. — 2016. — Vol. 61, No 9. — P. 78.
4. Gafarov I. Microwave studies of low pressure RF plasma / I. Gafarov, G. Paskalov, M. Nikravech // 10th Conference «Modern methods of plasma diagnostics and their application», National Research Nuclear University «MEPhI». — 2016. — P. 38–41.
5. Gafarov, I. Investigation of RF discharge parameters in diffusion regimes / I. Gafarov, G. Paskalov, C. Lazzaroni, et al // Book of Ext. Abstr. of the 23rd Int. Symp. on Plasma Chem. (ISPC 23). — 2017. — P. 76–79.
6. Gafarov I. et al. Investigation of the argon temperature modes in ICP-processing of glass-ceramics / Gafarov, I., Tovstopyat, A., Galeev, V., et al // Physics of Plasmas. — 2019. — Т. 26, №. 4. — P. 043510.
7. Райзер Ю. П. Высокочастотный емкостный разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения / Ю. П. Райзер, М. Н. Шнейдер, Н. А. Яценко. — М.: Изд-во МФТИ. — 1995. — 320 с.
8. Митчнер М. Частично-ионизованные газы / М. Митчнер, Ч. Кругер. — М: Мир. — 1976. — 396 с.