Характеристика газового разряда по признаку питающего напряжения.

А) Постоянного тока.

Б) ВЧ плазма.

Для возбуждения и поддержания тлеющего разряда постоянного тока необходимо, чтобы два проводящих (металлических) электрода находились в непосредственном контакте с зоной плазмы. С технологической точки зрения такая конструкция плазмохимического реактора является не всегда удобной. Во-первых, при проведении процессов плазменного нанесения диэлектрических покрытий непроводящая пленка может также образовываться и на электродах. Это приведет к увеличению нестабильности разряда и в конечном итоге к его затуханию. Во-вторых, в реакторах с внутренними электродами всегда существует проблема загрязнений целевого процесса материалами, удаляемыми с поверхности электрода в ходе физического распыления или химических реакций с частицами плазмы. Избежать этих проблем, в том числе и полностью отказаться от использования внутренних электродов, позволяет использование периодических разрядов, возбуждаемых не постоянным, а переменным электрическим полем.

Реально используемый для возбуждения плазмы диапазон частот не слишком велик. Это связано с тем, что работающие установки могут создавать помехи радиосвязи. Международными договоренностями выделены несколько частот для промышленных установок. Наиболее употребительными являются частоты 13.56 МГц и 2450 МГц. Первая частота относится к области частот, называемых высокими (ВЧ разряд), а вторая – к области сверхвысоких частот (СВЧ разряд).

Для ВЧ разрядов существуют разные способы их возбуждения, которые делят по признаку того, замыкаются ли силовые линии электрического поля в плазме или нет. К первой группе относятся индукционные разряды, где разряд возбуждается путем подачи переменного тока в соленоид, внутри которого расположен реактор из диэлектрического материала. Силовые линии электрического поля представляют собой окружности концентрические с витками соленоида, а магнитное поле направлено вдоль оси соленоида. Такой разряд называют разрядом Н-типа. Ко второй группе относятся разряды, в которых переменное напряжение подается на электроды, которые могут находиться в непосредственном контакте с плазмой, либо быть изолированными от нее.

Плазма ВЧ разряда находит широкое применение в технологии микроэлектроники при проведении процессов нанесения покрытий, травления материалов и модификации поверхности. Существование нескольких способов возбуждения ВЧ разряда обуславливает существование нескольких типов плазмохимических ВЧ реакторов.

В) Наносекундные разряды.

Наносекундный СВЧ разряд является новым направлением и в исследованиях плазмохимии газовых разрядов. Высокие значения приведенного электрического поля в таком разряде способствуют эффективному протеканию процессов, требующих высокой энергии электронов, таких как ионизация, диссоциация и возбуждение электронных уровней молекул и атомов. Одновременно, короткая длительность импульсов обеспечивает отсутствие значительного нагрева газа и приводит к закалке образующихся продуктов, предотвращая их термическое разложение. Отмеченные особенности делают наносекундный СВЧ разряд весьма близким по своим параметрам и свойствам к барьерному, импульсному коронному и пучковому разрядам, уже нашедшим широкое применение в различных плазмохимических технологиях.

Наносекундный разряд характеризуется обилием пространственных форм и структур. Выбирая давление газа, мощность и электродинамическую систему, создающую разряд, можно изменять параметры образующейся плазмы и таким образом оптимизировать эффективность плазмохимических процессов. Кроме того, такой разряд хорошо согласован с падающей волной, так что большая часть СВЧ мощности эффективно поглощается в разрядной плазме. Эти особенности делают наносекундный СВЧ разряд весьма привлекательным для реализации плазмохимических процессов, протекающих в сильно неравновесной низкотемпературной плазме.

Отметим, что большинство приложений низкотемпературной плазмы предполагает либо непрерывное поддержание разряда, либо использование импульсно-периодического режима с достаточно высокой средней мощностью. В случае наносекундного СВЧ разряда это приводит к необходимости создания недорогих и эффективных источников излучения, способных работать с высокой частотой следования импульсов.

Таким образом, разнообразие возможных эффектов и практических приложений разряда, создаваемого излучением большой интенсивности и малой длительности, делают изучение такого разряда и разработку эффективных СВЧ источников для его создания весьма актуальной задачей.

Г) Пульсирующие разряды.

Оптический пульсирующий разряд (ОПР) в сверхзвуковом потоке газа стабильно горит в фокальной плоскости при частоте повторения импульсов

f = 20 - 100 кГц. ОПР в потоке газа применяется для аэрофизического моделирования, а также представляет интерес для аэрокосмичских задач и плазмохимии.

Характеристика газового разряда подавлению плазмообразующего газа.

А) Плазма атмосферного давления.

Б) Плазма пониженного давления.

Такая плазма генерируется в закрытых камерах в условиях вакуума (10^-3 – 10^-9 бар). Уменьшенное относительно атмосферного давления количество частиц на единицу объема приводит к увеличению свободного пути пробега и сравнительно более низкому числу процессов столкновения. В связи с этим плазма имеет меньшую склонность к релаксации и способна далеко распространяться в пространстве. Для эвакуации камеры необходимы мощные насосы. Плазма низкого давления не подходит для поточной обработки [21].

В) Плазма повышенного давления.

Источники плазмы высокого (от 1000 Па до атмосферного и, редко, выше) давления называют плазмотронами или плазменными горелками. В них, как правило, плазма образуется в специальной разрядной камере, сквозь которую продувается плазмообразующий газ. Наиболее часто используются дуговой или индукционный разряд. Для небольших мощностей (до нескольких кВт) распространены также СВЧ плазмотроны.

Плазма высокого давления генерируется, например, в специальных газоразрядных лампах. Для предварительной обработки поверхности она непригодна [21].

Характеристика газового разряда потемпературе.

Плазму делят на низкотемпературную (температура меньше миллиона K) и высокотемпературную (температура миллион K и выше). Такое деление обусловлено важностью высокотемпературной плазмы в проблеме осуществления управляемого термоядерного синтеза. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

А) Высокотемпературная плазма.

Высокотемпературная плазма, возникающая в результате термической ионизации, является равновесной или, другими словами, изотермической плазмой. Степень ее ионизации очень велика, благодаря чему она является очень хорошим проводником - проводимость высокотемпературной плазмы сопоставима с проводимостью металлов.

Температура поверхности Солнца и звёзд равна нескольким тысячам градусов по Цельсию, их недра разогреты до миллионов градусов. Отсюда следует, что значительная часть вещества Вселенной, сконцентрированная в звёздах, находится в состоянии высокотемпературной плазмы [13].

Б) Низкотемпературная плазма.

Низкотемпературной называют плазму, у которой средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (<10 эВ); температура её обычно не превышает 10⁵ К. Плазма с более высокой температурой называют горячей или высокотемпературной. Обычно низкотемпературная плазма слабоионизованная, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц - электронов и ионов. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называется степенью ионизации плазмы. Поскольку кулоновское взаимодействие между заряженными частицами значительно сильнее, чем взаимодействие между нейтральными частицами, и это взаимодействие дальнодействующее, то наличие заряженных частиц в низкотемпературной плазме в большой степени определяет её свойства, в т. ч. электрические и электромагнитные. Много видов низкотемпературной плазмы существует в природе (рис. 3). Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, равновесной, неравновесной, идеальной и неидеальной [12].

Рис. 5. Виды низкотемпературной плазмы, существующие в природе.

Стационарная и нестационарная низкотемпературная плазма.

Стационарная низкотемпературная плазма обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) низкотемпературная плазма живёт ограниченное время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внешним условиями. Плазма, время жизни которой превышает характерное время переходных процессов, наз. квазистационарной. Например, плазма в канале молнии образуется и поддерживается в результате прохождения через него электрического тока. Характерное время установления равновесия в проводящем канале ~10^-5 с, характерное время расширения (т. е. разрушения) этого проводящего канала ~10^-3 с, поэтому в течение прохождения основной части тока через проводящий канал плазму в нём можно считать квазистационарной [24].

Равновесная и неравновесная низкотемпературная плазма.

Низкотемпературная плазма называется равновесной, если её компоненты находятся в термодинамическом равновесии, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. В низкотемпературной плазме легко создаются неравновесные условия в результате селективного действия внешних электрических полей: электрическая энергия от них передаётся заряженным частицам, а те отдают её частицам газа при столкновениях. При таком способе введения энергии средняя энергия заряженных частиц может значительно отличаться от тепловой энергии нейтральных частиц. В первую очередь это относится к электронам, которые изза малой массы неэффективно обмениваются энергией при упругом столкновении с нейтральными частицами газа. При этом не только средняя энергия электронов, но и вид распределения электронов по энергиям может существенно отличаться от равновесного.

Равновесная плазма обычно реализуется в газе при высоком давлении, где столкновения частиц происходят часто и скорость установления равновесия относительно велика. Примерами такой плазмы являются плазма дугового разряда при атмосферном давлении, плазма искрового разряда или молнии в атмосфере [24].

Характерным примером неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда или плазма дугового разряда низкого давления; напр., в плазме гелий-неонового лазера при давлении газа ~10 тор температура газа в центре разрядной трубки примерно 400 К, тогда как средняя энергия электронов несколько эВ.

 

Идеальная и неидеальная плазма.

Плазма считается идеальной, если средняя кинетическая энергия заряженных частиц (3/2)kТ много больше средней энергии её взаимодействия с окружающими частицами [24].