Физика ВЧ разрядов, плазменных ВЧ технологий и космических движителей

д.ф.-м.н., в.н.с. Е.А.Кралькина	к. ЦКП 1-1, т. (495)939-47-73
к.ф.-м.н., с.н.с. В.Б.Павлов	к. ЦКП 1-1, т. (495)939-47-73
к.ф.-м.н., с.н.с. П.А.Неклюдова	к. ЦКП 1-1, т. (495)939-47-73

В настоящее время происходит бурное развитие плазменных и ионно-пучковых технологий. Плазма является активной средой газовых лазеров, источников света, плазменных панелей, ионных двигателей, позволяющих корректировать орбиту спутников связи, сварочных аппаратов, работающих на атмосферном разряде. Плазменные технологии применяются при производстве микросхем, антикоррозионных, упрочняющих, энергосберегающих, гидрофильных и гидрофобных покрытий металлов и диэлектриков, материалов, обладающих уникальными свойствами. Ведутся работы по использованию плазмы для повышения эффективности работы двигателей автомобилей и оптимизации очистки выхлопных газов. Следует подчеркнуть, что в большинстве перечисленных приложениях используется низкотемпературная плазма газового разряда, долгое время являвшаяся предметом "университетской науки". Именно большой объем фундаментальных знаний о газовом разряде позволил разработать многочисленные плазменные промышленные технологии, где требуется не только понимать, как работает то или иное устройство и/или технология, но и уметь организовать плазму с заданными свойствами. В научной группе развиваются два основных направления исследований.

Ионно-плазменные устройства и технологии

Одним из важнейших вопросов организации плазменного технологического процесса является разработка источников плазмы, обладающих свойствами, оптимальными для данного технологического процесса, например, высокой однородностью, заданными плотностью плазмы, энергией заряженных частиц, концентрацией химически активных радикалов. В научной группе ведутся систематические работы по разработке физических принципов рабочих процессов источников плазмы, а также разработке действующих моделей источников плазмы и плазменных реакторов. Основными направлениями работы являются:

• Исследование механизма поглощения мощности ВЧ индуктивным разрядом при отсутствии и наличии внешнего магнитного поля
• Разработка плазменных устройств (источников ионов и плазменных реакторов), основанных на ВЧ индуктивном разряде
• Исследование физических свойств приэлектродных слоев пространственного заряда гибридного ВЧ разряда (индуктивного ВЧ разряда с емкостной компонентой)
• Разработка плазменных устройств, основанных на ВЧ емкостном разряде при атмосферном давлении
• Исследование физических механизмов и разработка ионно-пучковых и плазменных технологий поверхностной модификации материалов

Основные результаты работы:

• Экспериментально исследована эффективность поглощения ВЧ мощности ограниченной плазмой индуктивного разряда низкого давления при отсутствии и наличии внешнего магнитного поля
• Развита общая теория расчета поглощения ВЧ поля в плазменном цилиндре, помещенном во внешнее магнитное поле, при его возбуждении чисто индуктивным источником поля. Показано, что при плотностях плазмы, не превышающих 10¹² см^-3, основным механизмом поглощения ВЧ мощности является поглощение электростатических волн (косых ленгмюровских волн, или мод Трайвелписа-Голда), возбуждаемых, в свою очередь, поверхностными индукционными полями. Резонансное поглощение объемных волн и определяет активное сопротивление плазмы, которое этих условиях намного превосходит активное сопротивление токовой антенны
• Развита простая самосогласованная модель плазменного источника, учитывающая объемное натекание газа в плазменный цилиндр, ионизацию газа ВЧ полем и потери заряженных частиц из объема плазмы. Простая модель позволила объяснить ряд качественных явлений, наблюдаемых в экспериментах с индуктивными источниками плазмы, такими как:
  а) слабая зависимость поглащаемой ВЧ мощности плазмы от плотности частиц нейтрального газа, поступающих в источник при больших расходах;
  б) существование нескольких значений равновесной плотности плазмы при некоторых значениях магнитного поля, что проявляется в наличии гистерезиса и появлении неустойчивостей;
  в) падение активного сопротивления при больших магнитных полях и невозможность эффективной работы источника
• Разработано семейство ВЧ источников ионов и плазменный реактор, основанные на ВЧ индуктивном разряде с внешним магнитным полем
• Собрана установка для определения величин падения потенциала в приэлектродных слоях асимметричного ВЧ емкостного разряда при низком и атмосферном давлении. Метод определения падения потенциала в слоях апробирован в плазме низкого давления
• Разработан источник протяженной плазмы, работающий при атмосферном давлении
• Получено существенное увеличение адгезии фторопласта при ионно-пучковой и плазменной обработке

Физика емкостного ВЧ разряда и неравновесной ВЧ плазмы

Другим направлением исследований является детальное изучение физических механизмов емкостного ВЧ разряда (ЕВЧР) с целью создания неравновесной плазмы с заданным электронным энергетическим спектром (ЭЭС), применяемой в современных высоких технологиях, лазерной технике, плазменых дисплеях и плазмохимии.

В центре внимания находится изучение механизмов:

• формирования неравновесного ЭЭС плазмы ЕВЧР, главными из которых являются инжекция в плазму приэлектродных высокоэнергетичных электронных пучков, возбуждение пучково-плазменных неустойчивостей и периодический коллапс приэлектродных слоев пространственного заряда (ПСПЗ), с помощью которых производится насыщение заданных энергетических интервалов ЭЭС в диапазоне 0-5 кэВ
• Значительное внимание уделяется экспериментальному изучению ПСПЗ – измерениям их протяженности и больших скачков потенциала в них, исследованию процессов транспорта зарядов и электронной эмиссии на электродах
• Экспериментально устанавливаются физические условия, оптимальные для создания режима ВЧ пучково-плазменного разряда с интенсивными полями плазменных неустойчивостей черенковского типа как основным фактором поддержания разряда и формирования ЭЭС его плазмы
• Изучается роль емкостной составляющей в механизме индуктивного ВЧ разряда низкого давления
• Разрабатываются оригинальные автоматизированные бесконтактные методы диагностики параметров ПСПЗ и приэлектродной плазмы ЕВЧР
• В целях разработки метода получения наночастиц с помощью ЕВЧР, отрабатывается методика распыления подложек из различных материалов (Si,C,Ag) ионной и электронной бомбардировкой, для чего планируются измерения плотности и энергии ионных потоков на электроды и приэлектродных электронных пучков

Основные результаты работы:

• Экспериментально изучены характеристики электрического поля в приэлектродных слоях пространственного заряда ЕВЧР,где установлено отсутствие ВЧ поля и наличие униполярных импульсов постоянного поля
• Оригинальным спектроскопическим методом измерены плотности эмиттированных с поверхности электродов электронов
• Экспериментально изучен транспорт зарядов в ПСПЗ ЕВЧР, в результате чего обнаружено возникновение высокоэнергетичных электронных пучков, как приэлектродных, так и с диэлектрических стенок разрядных трубок. Установлена возможность нового, дискретного механизма переноса электронов плазмы на электроды с помощью перемещающихся потенцииальных ям
• Экспериментально исследован комплекс электронно-пучковых эффектов в ЕВЧР, включающий в себя процессы формирования и пространственной релаксации пучков по энергии и возбуждение пучково-плазменных неустойчивостей черенковского типа
• Экспериментально изучен электронный энергетический спектр плазмы ЕВЧР, в результате чего обнаружено, что сильно неравновесный ЭЭС плазмы значительно варьируется в зависимости от параметров разряда и в исследованных условиях занимал интервал энергий 0-5 кэВ
• Экспериментально изучена динамика приэлектродных процессов внутри периода ВЧ поля, определяемая периодическим коллапсом приэлектродного слоя, приводящая к импульсному характеру приэлектродных электронных пучков
• Разработан ряд экспериментальных методов диагностики ЕВЧР:
  1) бесконтактный метод диагностики параметров ПСПЗ и приэлектродной плазмы;
  2) спектроскопический метод измерения плотности эмиттированных с по-верхности электродов электронов;
  3) ВАХ – метод диагностики параметров ПСПЗ и приэлектродной плазмы;
  4) бесконтактный метод изучения пространственной релаксации приэлектродных электронных пучков по энергии и др.

Список основных публикаций