Memory Online - Виробництво n іонів; поверхневі речовини графіту в гідрогенній плазмі; народився
РІЗНІ РЕЖИМИ СПАЛУВАННЯ
А.1 ВСТУП:
Перші експерименти, проведені на реакторах геліконового типу, виявили різке збільшення щільності при збільшенні інжекторної потужності. Ці стрибки щільності інтерпретуються як переходи між різними режимами зв'язку потужності з плазмою. Таким чином Дегелінг та співавт. Виділили три різні режими:
-ємнісний режим при малій потужності, який називається режимом Е.
-індуктивний режим, для вищих потужностей, званий режим H.
-геліконовий режим для високих сил, який називається W-режимом.
Ми побачили, що в своїй роботі ми в основному використовували перші два режими зв'язку (ємнісний та індуктивний).
А.2 ПРЕЗЕНТАЦІЯ РІЗНИХ РЕЖИМІВ:
Зараз ми представимо характеристики кожного режиму. Для цього достатньо порівняти потужність, поглинуту електронами, з втраченою потужністю. Втрачена потужність отримується обчисленням втрат енергії внаслідок потоку іонів та електронів на стінках. Ми
Тому необхідно враховувати енергію, втрачену зіткненнями, яка може бути
пружні зіткнення, перенесення навантаження або збудження. Крім того, іони та електрони втратять кінетичну енергію, потрапляючи до стінок реактора.
Ми відзначимо середню втрату енергії для кожного іона [відповідно електрона], що виходить з
плазма. просто обумовлено прискоренням іонів у облицюванні, розташованому перед стінками реактора. Адже у випадку електронів Максвелла ми маємо таку рівність:
Потім визначаємо загальну втрату енергії для кожної пари іон-електрон, що виходить із плазми:
Потім вираз втраченої потужності отримують за допомогою потоку втрат
заряджених частинок, з щільністю плазми на краю обшивки, дорівнює швидкості
Бом і А - площа стінок реактора:
Швидкість Бома залежить від даного іона лише від електронної температури, і однакова для енергії. Знаючи, що мало залежить від введеної потужності,
можна сказати, що потужність, втрачена плазмою, пропорційна щільності:
З іншого боку, потужність, що поглинається плазмою, сильно залежить від режиму зв'язку, як ми покажемо в наступних параграфах.
A.2.1 Ємнісний режим (режим E):
Цей режим отримав свою назву від реакторів з паралельними електродами. Плазма створюється між двома електродами, один з яких поляризований ВЧ-напругою, інший підключений до землі. Отже, з'являється електричне поле, яке коливається в міжелектродному просторі. Електрони в плазмі можуть слідувати за миттєвими змінами електричного поля, тоді як іони реагують лише на середнє електричне поле, яке завжди спрямоване до стінок реактора. Це середнє поле слабке в тілі плазми, і більша частина інжектованої потужності поглинається в оболонках просторового заряду, які утворюються перед кожним електродом. Як результат, швидкість іонізації в плазмовому ядрі залишається досить низькою. Таким чином, збільшуючи впорскувану потужність, напруга на облицюванні різко зростає, але потік заряджених частинок збільшується мало. У плазмі саме електрони поглинають інжектовану потужність, і ми зазвичай записуємо поглинену потужність у наступному вигляді:
- Перший член, являє собою потужність, що поглинається омічним нагріванням, тобто
зіткненням між електронами та нейтралами.
- Другий термін, позначає потужність, що поглинається стохастичним нагріванням. Цей хлопець
нагрівання відбувається за рахунок того, що оболонки коливаються перед електродами. Таким чином, електрони будуть відбиватися цими оболонками і поглинати певну потужність. Це процес нагрівання без зіткнень. Ліберманн встановив формули, надаючи омічну та стохастичну потужності як функцію щільності та прикладеної ВЧ напруги VRF:
Таким чином, зазначається, що потужність, що поглинається цими двома механізмами, зменшується при збільшенні щільності. Можна для даної напруги VRF намалювати криві, що дають еволюцію втраченої потужності як функцію щільності плазми, ця майже дорівнює щільності на краю обшивки у випадку плазми низького тиску . На цьому графіку точка перетину двох кривих визначає робочу точку розряду.
Рис. А.1 Ємнісна робоча точка
У геліконовому реакторі цей ємнісний режим спостерігається при низькій потужності: насправді в цьому випадку антена має дуже великий потенціал, тоді як стінки реактора, як правило, заземлені. Отже, всередині радіочастотної камери є ВЧ-електричне поле, і зв'язок потужності з плазмою схожий на паралельний пластинчастий реактор. Отже, швидкість іонізації є низькою, а щільності, як правило, вимірювані в плазмі низького тиску, становлять близько 10 9 см -3.
A.2.1 Індуктивний режим (режим H):
Індуктивні плазми зазвичай називають абревіатурою ICP, що розшифровується як Inductivly Coupled Plasmas. Ці джерела ІСП зазвичай складаються з трубки або кварцового вікна, на якому розміщена котушка у вигляді соленоїда або равлика.
Ця котушка проходить через радіочастотний струм, який індукує електричне поле всередині камери джерела.
Потужність передається електронам через це азимутальне електричне поле, яке проникає в плазму лише на глибину до декількох сантиметрів, що називається товщиною шкіри. Дійсно, це поле є непроникним, оскільки його частота нижча за частоту електронної плазми. Тому він поглинається в товщі шкіри.
Поглинання потужності відбувається за допомогою омічного нагрівання (зіткнення) та неколізійного нагрівання, аналогічного стохастичному нагріванню ємнісних реакторів: електрони плазмового ядра взаємодіють з коливальним електричним полем, індукованим у товщі шару. .
У випадку не зіткнення плазми (низький тиск) вираз має такий вигляд:
З, маса електрона.
Для того, щоб встановити вираз поглинутої сили, ми розглянемо джерело ІЧП
циліндрична геометрія (довжина, радіус R) з, що складається з котушки з N отворів.
Зазвичай ми дотримуємося двох різних режимів щільності:
-режим високої щільності, для якого - режим низької щільності, для якого
? У випадку режиму високої щільності потік потужності, що передається в
плазми в товстому шарі і отримуємо:
- РЧ струм, що протікає через антену, - ефективна провідність плазми:
- ефективна частота зіткнень, яка враховує фактичні зіткнення та
неколізійний стохастичний процес.
Таким чином спостерігається, що потужність, що поглинається плазмою в цьому режимі роботи, зменшується при збільшенні щільності плазми. Справді, ми маємо:
? Для режиму низької щільності товщина шкіри перевищує радіус джерела, тому поля повністю проникають у плазму. Вираз поглинаної потужності, отже, різний, і в цьому випадку ми маємо таке відношення пропорційності:
Потім ми можемо побудувати для даного струму криві, що дають еволюцію
сили, втрачені і поглинені плазмою в залежності від щільності.
Рис. А.2 Точка роботи індуктивного режиму
Таким чином, вважається, що не завжди існує робоча точка для
індуктивний режим. Дійсно, якщо сила струму менше мінімального значення, то
підключення потужності до плазми не може бути здійснено в індуктивному режимі.
У цьому випадку напруга на котушці досить висока, щоб дозволити
ємнісна муфта. Як тільки струм досягає порогового значення, напруга на котушці
падіння і поглинається потужність значно зростає, як і щільність плазми.
У геліконовому реакторі антена відіграє роль котушки та пірекс-трубки - діелектричного вікна, що відокремлює плазму від котушки. Якщо радіочастотний струм, що протікає через антену, є достатнім, тоді можна спостерігати індуктивне зчеплення. Як правило, при збільшенні впорскуваної потужності режим Н слідує за режимом Е, а перехід ЕН призводить до раптового збільшення щільності за рахунок кращого зчеплення потужності. Типові щільності індуктивної плазми низького тиску становлять близько 10 10 -10 11 см -3 .