Материал: Sb98627

УДК 533.9.082 ББК 32.851.2 Л63

Лисенков А. А., Марцынюков С. А., Кострин Д. К.

Л63 Вакуумные и плазменные приборы и устройства. Методы диагностики плазмы: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. 32 с.

ISBN 978-5-7629-

Содержит материалы по курсу «Вакуумные и плазменные приборы и устройства». Рассматриваются вопросы, относящиеся к элементарным процессам в плазме и ее свойствам, измерению параметров низкотемпературной плазмы зондовыми и спектральными методами.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника». Может быть полезно инженернотехническим работникам этой области знаний.

УДК 533.9.082 ББК 32.851.2

Рецензенты: д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник АО «ЦНИИ “Электрон”» Р. М. Степанов; АО «Светлана-Рентген» (директор, канд. техн. наук Н. А. Куликов).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

2

Введение

Приборы и устройства вакуумной и плазменной электроники широко применяются в качестве: усилительных, модуляторных, коммутирующих приборов; инжекторов для ускорителей электронов и ионов; генераторов низкотемпературной плазмы; ионно-плазменных модулей для технологического оборудования.

Рассматриваемые приборы и устройства в общем виде представляют собой электродные структуры, помещаемые в рабочую среду (вакуум или газ при определенном давлении), которые поддерживаются в статических условиях в отпаянных приборах или динамическом равновесии при напуске газа в рабочий объем и его удаление с помощью средств откачки.

Для отображения картины реальных процессов в газоразрядной плазме необходимо иметь информацию о таких параметрах, как концентрация заряженных частиц, температура каждого сорта частиц, степень ионизации, компонентный состав, функция распределения различных компонентов плазмы по энергиям. Исследование распределений этих параметров в пространстве и времени при заданных внешних условиях позволяет выделить основные кинетические и динамические процессы, протекающие в изучаемой плазме, определить их скорости, энергетические характеристики, найти способы управления значениями параметров плазмы.

Современные методы диагностики плазмы чрезвычайно разнообразны. В основе этих методов заложены явления и законы, относящиеся к различным областям физики. Экспериментальная техника, используемая в различных диагностиках, чрезвычайно разнообразна. Методы диагностики плазмы опираются практически на весь технический арсенал современной экспериментальной физики.

Из большого количества диагностических методов для определения параметров плазмы в технологических установках наибольшее распространение получили зондовые методы.

Одной из задач, решаемых при изучении курса «Вакуумные приборы и устройства», является ознакомление студентов с практическими навыками проведения экспериментальных исследований в области физики и техники приборов и устройств вакуумной и плазменной электроники, которые приобретаются ими в ходе освоения лабораторной части данного курса.

3

Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ

МЕТОДОМ ЗОНДОВ

Цели работы: ознакомление с зондовой методикой диагностики газоразрядной плазмы и экспериментальное определение параметров положительного столба разряда низкого давления.

1.1. Основные сведения

Газоразрядная плазма – это ионизованный газ, в котором концентрации положительно и отрицательно заряженных частиц приблизительно равны между собой, а дебаевский радиус экранирования существенно меньше характерного размера объема, в котором находится ионизованный газ. Примером низкотемпературной плазмы является положительный столб тлеющего разряда и дуги низкого давления. Плазма положительного столба в осевом направлении однородна и стационарна во времени. Распределение электронов по скоростям является, как правило, максвелловским, при этом хаотическое движение частиц преобладает над их направленным движением. В газоразрядной плазме электроны и ионы приобретают энергию под действием продольного электрического поля, поэтому энергия электронов и ионов выше энергии нейтральных атомов. В свою очередь, энергия электронов много больше энергии ионов. Объясняется это тем, что электроны, приобретая энергию в электрическом поле, теряют ее в результате соударения с атомами. В слабоионизованной плазме преобладают упругие соударения электронов с атомами, при этом обмен энергией зависит от отношения массы электрона к массе атома. Поскольку это отношение гораздо меньше единицы, то потери энергии электронов при соударении с атомами весьма малы. Для ионов получается другая ситуация: масса ионов соизмерима с массой атома и при упругом соударении с ним ион может терять значительную часть своей энергии. Для максвелловского распределения по скоростям средняя энергия частиц характеризуется их температурой. В связи с этим в газоразрядной плазме температура электронов (Te), ионов (Ti) и атомов (Ta) связана следующим неравенством: Te >> Ti > Ta.

Основные параметры плазмы: концентрация, температура, потенциал пространства и градиент потенциала могут быть определены с помощью метода электрических зондов, разработанного в 1924 г. Ленгмюром.

4

Зонд – это вспомогательный металлический электрод, который вводится в

плазменный объем для его исследования. Размеры зонда выбираются обычно достаточно малыми, чтобы можно было пренебречь падением потенциала вдоль зонда и искажениями поля, вносимыми зондом в исследуемый разряд. Применяются плоские, цилиндрические и сферические зонды. Относительно одного из электродов на зонд задается потенциал и снимается зависимость поступающего тока от значения этого потенциала. Параметры плазмы определяются из вольт-амперной характеристики зонда.

Электрический ток с зонда складывается из токов электронов и положительно заряженных ионов: Iз = Ie + Ii. На рис. 1.1, а представлена типичная зондовая характеристика, получаемая при погружении в плазму вспомогательного электрода. Ток частиц, поступающий на поверхность, зависит от разности потенциалов между плазмой и рабочей поверхностью зонда.

Рис. 1.1. Зондовая характеристика и метод ее обработки

Большим отрицательным потенциалам зонда соответствует участок ab, когда от него отталкиваются практически все электроны. В этом случае вокруг зонда формируется слой положительного объемного заряда, поле внутри которого уменьшается от зонда к границе невозмущенной плазмы. Толщина слоя автоматически устанавливается такой, чтобы положительный заряд ионов нейтрализовал бы действие отрицательного потенциала зонда. За пределами этого слоя влияние зонда на плазму не ощущается.

Электроны, приходящие из плазмы и не имеющие достаточной энергии для преодоления тормозящего поля, отталкиваются, а положительные ионы, приходящие к оболочке и проникающие в нее, попадают в ускоряющее поле и перемещаются к зонду. Ток на зонд обусловлен исключительно положительными ионами.

5