ИСТИНА

Проект был направлен на решение фундаментальной проблемы физики газового разряда, связанной с изучением возможностей получения пучков медленных ионов на основе использования гибридного ВЧ разряда для технологических применений. Для достижения заявленной цели экспериментально изучены зависимости энергетического распределения ионов, ускоренных падением потенциала в двойном слое, образующемся на срезе газоразрядной камеры в магнитном поле, от величины и конфигурации внешнего магнитного поля, расхода газа, величины разделительной емкости и конструкционных особенностей газоразрядной камеры, а также ионного тока от величины внешнего магнитного поля, расхода газа и величины разделительной емкости. Построена самосогласованная модель гибридного разряда, узел ввода ВЧ мощности которого образован параллельно соединенными обкладками конденсатора и индуктором. Проведено математическое моделирование и расчет характеристик гибридного разряда в зависимости от параметров плазмы.

В течение 1 отчетного периода (2012-2013 гг.): П1.1. Экспериментально показано, что при мощностях генератора в 200 Ватт и больше для величин внешнего магнитного поля в области 70-200 Гс наблюдается заметное увеличение поглощения ВЧ мощности разрядом в связи с резонансным возбуждением геликонов и волн Травелпис- Голда. Это в свою очередь ведет к значительному увеличению плотности плазмы. Наблюдается насыщение атомарной линии аргона (Ar I) и рост интенсивности ионной линии аргона (Ar II). Насыщение атомарной линии аргона (Ar I) свидетельствует о достижении высокой степени ионизации при мощностях выше 200 Ватт. П1.2. Ускорение ионов происходит на срезе двигателя в связи с возникновением скачка потенциала, величина которого растет с увеличением индукции магнитного поля в области резонансного возбуждения геликонов и волн Травелписа-Голда, с увеличением радиальной составляющей магнитного поля на выходе из разряда, уменьшением потока газа. П1.3. Изменение внешних параметров разряда позволяет получать пучок ускоренных ионов с энергией в диапазоне 50-175эВ. П.2.1. Разработана самосогласованная модель, которая позволяет рассчитать основные параметры гибридного ВЧ разряда, узел ввода ВЧ мощности в котором представляет собой параллельно соединенные обкладки конденсатора и индуктор. Между антенной и обкладками конденсатора включена разделительная емкость. Обкладки конденсатора вместе с разделительной емкостью формируют емкостную ветвь разряда. Численная модель позволяет рассчитать параметры разряда, усредненные по его объему, на основании известных величин ВЧ мощности, отдаваемой ВЧ генератором во внешнюю цепь, параметров внешней цепи (емкости разделительного конденсатора, активного сопротивления антенны), а также геометрических размеров источника плазмы. При формулировке модели использовалась следующая упрощенная модель разряда. Предполагалось, что в состав плазмы входят: 1) атомы аргона, концентрация которых определяется заданным давлением газа; 2) медленные электроны, энергетическое распределение которых является максвелловским с температурой Te; 3) быстрые монокинетичные электроны; 4) ионы аргона. Предполагалось, что 1) стенки источника плазмы находятся под отрицательным потенциалом "фи" относительно плазмы; 2) электроды конденсатора находятся под отрицательным потенциалом U относительно плазмы; 3) столкновения ионов с поверхностью электродов приводят к эмиссии электронов, вероятность рождения электрона при столкновении одного иона с электродом равняется "гамма"; 4) электроны, эмитированные с поверхности электродов и рожденные в результате ионизации аргона электронами в объеме, занятом приэлектродными слоями, являются быстрыми. Энергия быстрых электронов Еf определяется падением постоянного потенциала в приэлектродном слое, т.е. Еf = eU; 5) все электроны, рожденные в объеме, не занятом слоем, являются медленными. В основе модели лежит система уравнений для внутренних параметров плазмы(1)-(11), дополненная уравнениями, которые описывают процессы во внешней цепи разряда(12)-(18). Основные параметры плазмы гибридного ВЧ разряда могут быть получены на основании уравнений баланса числа ионов, медленных и быстрых электронов, уравнения баланса мощности, уравнения квазинейтральности и уравнения, фиксирующего постоянство числа тяжелых частиц (атомов и ионов) в разряде. Система уравнений (1)-(11), описывающая внутренние параметры плазмы была преобразована к виду удобному для вычислений (19)-(32). Система уравнений (11), (19)-(22), (31) является нелинейной. Для ее решения использовался метод итераций. На первом шаге число быстрых электронов и объем, занятый слоем, полагаются равными 0. Уравнение (21) используется для нахождения температуры электронов, уравнение (22) – для нахождения потенциала "фи", а уравнение (31) - для нахождения концентрации ионов. Затем по известной концентрации ионов с помощью уравнений (19), (20), (11) вычисляются концентрации медленных и быстрых электронов, толщина приэлектродных слоев и занимаемый им объем. Полученные данные используются для вычисления на следующем шаге уточненных значений параметров плазмы. Процесс вычислений заканчивается, когда разница между значениями концентрации ионов, рассчитанными на двух последовательных итерациях, не превышает 1%. В результате могут быть получены решения системы уравнений, описывающей внутренние параметры плазмы, при различных значениях мощности, вложенной в плазму, различных величинах приэлектродного скачка потенциала и давления аргона. Понимание физических процессов, лежащих в основе явлений гибридного ВЧ разряда, необходимо для дальнейшего исследования механизмов возникновения потоков медленных ионов в гибридном разряде и возможности управления энергией ионов. В течение 2 отчетного периода (2013-2014 гг.): П.3.1. Получены зависимости функций распределения ионов по энергиям от внешних параметров: величины внешнего магнитного поля, величины подводимой вч мощности, расхода газа , величины разделительной емкости , конструкционных особенностей газоразрядной камеры. Измерены ионные токи пучка на выходе из источника медленных ионов в зависимости от внешнего магнитного поля, величины разделительной емкости, подводимой мощности и расхода газа. Были измерены зависимости интенсивности интегрального свечения разряда от величины внешнего магнитного поля, расхода газа, величины подводимой вч мощности и величины разделительной емкости. Данные измерения были сопровождены измерениями вч мощности, вложенной в плазму. П.3.2. Были найдены режимы работы гибридного вч разряда, которые позволяют получить пучки медленных ионов с энергиями 15-150 эВ. При этом в ходе выполнения работ диапазон доступных значений энергий ускоренных ионов на выходе из источника был расширен до 300 эВ. Было показано, что наличие конструкционных особенностей газоразрядной камеры в виде дополнительного сужения на выходе из источника приводит к увеличению средней энергии ионов пучка. При этом было обнаружено, что чем уже и длиннее перешеек между газоразрядной и вакуумной камерами, тем выше величина энергии ускоренных ионов. В ходе изучения зависимостей параметров разряда от расхода рабочего тела, было обнаружено наличие гистерезиса. Эксперименты показали, что при расходе аргона меньшем, чем 10см3/мин, разряд успешно поджигается, но двойной слой отсутствует, также как и пучок ускоренных частиц. Увеличение потока газа приводит при определенных величинах, зависящих от конструкции ГРК, к внезапному появлению пучка ионов в вакуумной камере снаружи от ГРК. Одновременно формируется плазменный мост между ГРК и стенками вакуумной камеры. Возникновение двойного слоя, ускоряющего ионы от газоразрядной к вакуумной камере, подтверждается показаниями энергоанализатора. Дальнейшее увеличение расхода аргона ведет к слабому увеличению энергии ионов пучка. Уменьшение расхода после возникновения двойного слоя ведет к значительному увеличению энергии ионов и резкому увеличению энергии ионов непосредственно перед прекращением разряда при низких расходах рабочего тела. При этом после образования плазменного моста, расход рабочего тела, при котором разряд еще продолжает функционировать, значительно ниже, нежели расход, при котором происходит первоначальный поджиг. Были сделаны выводы, что двойной слой обеспечивает непрерывность тока в проводящем промежутке между ГРК и стенками вакуумной камеры путем увеличения соотношения между числом актов ионизации и числом актов рекомбинации ионов на стенках промежутка за счет увеличения концентрации электронов, ускоренных в двойном слое вверх по течению потока плазмы. По итогам данного исследования рабочий режим был выбран непосредственно перед прекращением горения разряда в области малых расходов рабочего тела. Среднее значение энергии ускоренных ионов пучка увеличивается с ростом внешнего магнитного поля. В зависимости от приложенной мощности средняя энергия ионов изменяется в пределах ошибки, и т.о. предположительно в диапазоне 100-300Ватт от неё не зависит. Эксперименты с дополнительным емкостным каналом ввода мощности проводились с и без внешнего магнитного поля. В первую очередь была измерена зависимость средней энергии ионов пучка в зависимости от величины емкости переменного конденсатора. В ходе эксперимента было показано, что изменение емкости в пределах 20-40пФ не оказывает влияния на энергию пучка. В то же время ток ионного пучка зависит от величины емкости: чем больше емкость, тем меньше ионный ток. При постоянной емкости, ток пучка может быть увеличен путем увеличения расхода рабочего тела и величиной магнитного поля. При малых расходах зависимость ионного тока от величины внешнего магнитного поля становится немонотонной и имеет четко выраженный провал посередине, который смещается в сторону больших значений магнитного поля при уменьшении расхода газа. Полученные зависимости позволяют независимо контролировать значения ионного тока и средней энергии пучка ускоренных ионов на выходе из источника и т.о. позволяют подобрать оптимальным режим работы источника ионов для конкретных применений. Сравнение ГРК с переменным конденсатором и ГРК с протяженным сужением показало дополнительное увеличение средней энергии ионов. Использование ГРК в конфигурации с разделительной емкостью позволяет получить пучки ускоренных ионов со средней энергией в 160эВ и максимальной – в 230эВ, соответственно, даже в отсутствие магнитного поля. Приложение внешнего магнитного поля позволяет увеличить эти показатели до 180эВ и 300эВ соответственно . Идея изменения потенциала на выходе ГРК за счет появления дополнительного квазистационарного скачка потенциала, была экспериментально подтверждена со средним улучшением в 20-60эВ. Как итог, была показана возможность создания эффективного источника ионов низких энергий с гибкими возможностями независимого контроля параметров. На настоящий момент управляемые параметры устройства могут изменяться в следующих пределах: средняя энергия ионов пучка – от 10 до 300эВ, ионный ток – от 0 до 250мкА/см2. П.4.1. В результате расчетов были получены пороговые значения U*, при которых система уравнений, используемых в модели, теряет решения, что говорит о невозможности существования гибридной формы разряда; зависимости температуры электронов от величины приэлектродного скачка потенциала, рассчитанные при различных значениях коэффициента ионно-электронной эмиссии «гамма» и давления аргона; зависимости концентрации быстрых и медленных электронов от величины приэлектродного скачка потенциала, рассчитанные при мощности, вложенной в плазму, Ppl=200В; значения w1,…, w9 в зависимости от величины приэлектродного скачка потенциала, рассчитанные для различных давлений аргона и значений «гамма»; значения «альфа» (коэффициента пропорциональности между вложенной в плазму мощностью Ppl и концентрацией плазмы n+.), рассчитанные для различных значений скачка приэлектродного потенциала при различных давлениях аргона; зависимости напряжение горения разряда V , тока антенны, тока, текущего через емкостной канал, разности потенциалов, приложенных к электродам емкостного канала, доли мощности, поступающей в разряд через емкостной и индуктивный каналы, активного сопротивления плазмы, зависимость толщины и емкости слоя от вложенной в плазму мощности при различных значениях разделительной емкости. Рассчитаны пороговые значения U*, при которых система используемых уравнений теряет решения. Физически это означает, что в силу интенсивного ухода электронов на электроды, не удается уравнять уход электронов и ионов из объема разряда. С учетом только прямой ионизации атомов аргона при фиксированной величине приэлектродного скачка потенциала U температура электронов не зависит от концентрации плазмы.Показывано, что наиболее существенно температура электронов зависит от давления аргона. Физически это означает, что равенство числа рожденных в объеме и ушедших на стенки источника плазмы ионов достигается при меньшей температуре электронов, т.к. частота ионизации аргона возрастает за счет роста числа атомов аргона. Рост приэлектродного скачка потенциала и коэффициента ионно-электронной эмиссии сопровождается слабым уменьшением температуры электронов. С помощью математического моделирования рассчитаны зависимости числа быстрых и медленных электронов от величины приэлектродного скачка потенциала, рассчитанные при мощности, вложенной в плазму, Ppl=200Вт. Концентрация быстрых электронов существенно ниже концентрации медленных электронов. Однако, скорость ионизации аргона быстрыми электронами существенно выше скорости ионизации медленными. Это приводит к тому, что при давлении 100мТор и «гамма» меньше или равном 0.1 вклад быстрых электронов в ионизацию аргона становится сравнимым с вкладом медленных, а при «гамма»=0.3 существенно превышается вклад медленных электронов. Очевидно, что рост скорости ионизации за счет увеличения числа быстрых электронов сопровождается падением температуры электронов. Получено, что концентрация медленных и быстрых электронов убывает с ростом приэлектродного скачка потенциала. С помощью математического моделирования была объяснена причина такого поведения концентрации электронов. Концентрация ионов является частным от деления заданной мощности на сумма слагаемых w1,…, w9 , каждое из которых соответствует определенному каналу потери мощности в разряде. Были рассчитаны значения w1,…, w9 в зависимости от величины приэлектродного скачка потенциала, рассчитанные для давлений аргона 1 – 100мТор и значений «гамма»=0.03, 0.1, 03. Показано, что при минимальном из рассмотренных давлений аргона при U>50В основным каналом потерь является вынос энергии ионами на электроды. Рост падения потенциала в приэлектродных слоях приводит к увеличению w1 и, соответственно, уменьшению концентрации плазмы. При U<50В основную роль играют потери энергии на стенках источника плазмы при уходе на них ионов, а также затраты энергии на ионизацию и возбуждение атомов аргона максвелловскими электронами. При U>300В значимым становятся потери энергии на стенках источника плазмы, при уходе на них быстрых электронов. Рост давления аргона приводит к повышению роли объемных потерь энергии при неупругих процессах, происходящих с участием максвелловских электронов. Рост давления аргона приводит к уменьшению температуры электронов, в результате потери на возбуждение аргона становятся выше потерь на его ионизацию. Обращает на себя внимание падение энергозатрат на возбуждение аргона максвелловскими электронами при увеличении U при U меньше или равном 30В. Это связано с понижением температуры электронов при увеличении приэлектродного скачка потенциала при давлении 100мТор. Расчеты показали, что изменение величины «гамма» приводит к существенным изменениям доли мощности, выносимой на стенки источника плазмы быстрыми электронами. При «гамма»=0.3 этот процесс конкурирует с потерями энергии на электродах, вызванных уходом ионов. Уравнения показывают, что постоянство температуры электронов приводит к существованию прямой пропорциональной зависимости между вложенной в плазму мощностью и концентрацией плазмы. Показаны значения «альфа», рассчитанные для различных значений скачка приэлектродного потенциала при давлениях аргона 1, 10 и 100мТор, что позволяет предсказать поведение плотности плазмы при фиксированной вложенной мощности и увеличении скачка приэлектродного потенциала. Как видно, при U больше 50В рост давления в диапазоне 1 – 100мТор сопровождается ростом концентрации электронов. Увеличение U приводит к падению концентрации электронов в силу роста потерь энергии в разряде. При малых значениях U и давлении аргона 100мТор наблюдается минимум зависимости «альфа» (U). Это связано с падением температуры медленных электронов при появлении в разряде быстрых электронов с энергий превышающей пороговую энергию ионизации. При U больше 50В значения «альфа» линейно растут с увеличением приэлектродного скачка потенциала. Результаты расчетов продемонстрировали самосогласованный характер изменения внешних и внутренних параметров разряда при изменении величины поглощенной мощности. При малых значениях мощности Ppl, вложенной в плазму, плотность плазмы мала, эквивалентное сопротивление индуктивного канала мало, и мощность поступает в разряд главным образом через емкостной канал. Рост вложенной в плазму мощности Ppl приводит к увеличению напряжения горения разряда и росту тока, текущего через антенну, и увеличению доли мощности, поступающей в разряд через индуктивный канал. Это приводит к увеличению концентрации электронов, понижению активного сопротивления плазмы и емкостного сопротивления приэлектродных слоев. Как следствие, ток, текущий через емкостной канал растет. Повышается падение напряжения на разделительной емкости и уменьшается разность потенциалов, приложенная к электродам емкостного канала, что приводит к частичному запиранию емкостного канала. При этом доля мощности, поступающая в разряд через емкостной канал, уменьшается. В результате математического моделирования получены закономерности изменения параметров плазмы при изменении величины разделительной емкости С и мощности Ppl. Концентрация плазмы растет с увеличением мощности, вложенной в плазму, и убывает с ростом разделительной емкости. Динамика концентрации электронов при изменении внешних параметров позволяет объяснить поведение активного сопротивления плазмы, толщины приэлектродных слоев и их емкости. Активное сопротивление плазмы обратно пропорционально концентрации электронов. В связи с этим рост Ppl вызывает падение сопротивления плазмы. Минимальное сопротивление плазмы достигается при разделительной емкости 10пФ. Толщина приэлектродного слоя пространственного заряда пропорциональна падению напряжения в слое и обратно пропорциональна плотности плазмы. В связи с этим dsheath убывает с ростом Ppl и С. Емкость слоя, напротив, возрастает с увеличением указанных величин. Расчет показывает, что изменение величины разделительной емкости, включенной в емкостную ветвь гибридного ВЧ разряда, позволяет плавно регулировать параметры плазмы разряда. Повышение величины разделительной емкости приводит к увеличению приэлектродного падения потенциала, уменьшению плотности электронов вследствие увеличения энергии, выносимой ионами из разряда, росту эффективной температуры электронов и увеличению эффективности вложения ВЧ мощности за счет увеличения относительной роли емкостного канала разряда. Показано, что рост разделительной емкости приводит к увеличению доли мощности, поступающей в разряд через емкостной канал, а также к смещению мощности, при которой достигается равенство величин вложенной в плазму мощности, поступающих в разряд через индуктивный и емкостной каналы, в область больших значений. Таким образом, анализ результатов математического моделирования позволяет выбрать оптимальные для каждой конкретной задачи условия горения разряда, совместив высокую плотность плазмы, и, как следствие, эффективное использование приложенной к источнику мощности, с широким диапазоном доступных энергий ускоренных ионов, посредством плавной регулировки параметров плазмы разряда. Последнее достигается фиксацией ВЧ мощности, поступающей от генератора и изменением разделительной емкости. П. 4.2. Проведено апробирование воздействия пучков медленных ионов в процессе поверхностной модификации материалов. На данный момент задача реализации имплантации атомов пленок, нанесенных на материал, в поверхностные слои этого материала путем ионной бомбардировки становится все более перспективной (например: для обработки инструментов, деталей машин и специальных изделий). Таким образом, для апробации воздействия пучков медленных ионов в процессе поверхностной модификации материалов была произведена имплантация атомов меди из пленки, нанесенной на поверхность кремниевой пластины, в поверхностные слои обрабатываемого образца (образцы, а также диагностика обработанных образцов, были предоставлены компанией ЭСТО-Вакуум). Получен график зависимости числа атомов меди на кубический сантиметр от глубины проникновения в материал обрабатываемой пластины. В результате проведения имплантации при различных режимах обработки (при различной энергии ионов и времени обработки образца) было получено, что данный метод крайне эффективен именно в случае воздействия пучками медленных ионов и имеет перспективы для дальнейших исследований.