Теорія поглинання високочастотної потужності в геліконній плазмі

Основні результати, вперше отримані в дисертації:

1. Розроблено теоретичні моделі, які основані на формалізмі нормальних мод і дозволяють описувати лінійні процеси збудження, взаємодії та поглинання електромагнітних хвиль в плазмі геліконних джерел трьох різних типів: 1) джерелі з провідною розрядною камерою і внутрішньою антеною; 2) джерелі з діелектричною розрядною камерою і зовнішньою антеною (стандартному джерелі); та 3) джерелі з провідною розрядною камерою та плоскою антеною, розташованою за діелектричним вікном у торці системи (джерело з плоскою антеною). Ці моделі достатньо адекватно враховують геометрію джерел, конструкцію збуджуючих ВЧ антен і фізичні умови роботи.

2. Показано, що в джерелі з провідною камерою і внутрішньою антеною ефективне поглинання ВЧ потужності має місце у вузьких областях параметрів поблизу резонансів збудження квазігеліконних мод, де опір плазмового навантаження має різки піки, ширини і висоти яких, відповідно, пропорційні та обернено пропорційні частоті електронних зіткнень. Радіальна неоднорідність плазми не призводить до істотної зміни характера поглинання потужності. Якісно проінтерпретовано виникнення в такому розряді піка густини при слабких магнітних полях. Сформульовано концепцію резонансного хвильового розряду, що може реалізуватись у такій системі.

3. Показано, що в стандартному джерелі ефективне поглинання ВЧ потужності забезпечується не геліконними хвилями, які безпосередньо збуджуються антеною, але слабко загасають, а квазіелектростатичними (Трайвелпіс-Гулдовськими (ТГ)) хвилями, які збуджуються не антеною, а завдяки механізмам лінійної конверсії, і сильно загасають на електронних зіткненнях. Механізми конверсії геліконів в ТГ хвилі можуть бути трьох типів: поверхнева конверсія, зобовґязана поляризації плазми на різкому стрибку її густини біля бічної непровідної стінки; нерезонансна обґємна конверсія, яка відбувається на градієнті густини в обґємі плазми; та резонансна обґємна конверсія, яка відбувається в області перетину дисперсійних гілок геліконних і ТГ хвиль. Встановлено, що найбільш ефективним є механізм поверхневої конверсії, в результаті якої при частоті зіткнень електронів вище критичного значення, що звичайно реалізується в геліконній плазмі, поглинання відбувається поблизу діелектричної стінки у вузькій області, ширина якої визначається довжиною загасання ТГ хвиль.

4. Показано, що в стандартному джерелі залежність опору плазмового навантаження від густини плазми є немонотонною, тобто, містить ряд максимумів і мінімумів. Максимуми зобовґязані збужденню різних поздовжніх стоячих мод хвиль, а мінімуми явищу антирезонансу збудження ТГ хвиль. Антирезонанс виникає за умови, коли азимутальне електричне поле геліконної хвилі має мінімум на границі плазми з непровідною стінкою, в результаті чого знижується ефективність поверхневої конверсії і зумовлене нею поглинання.

5. Для стандартного джерела виявлено вплив конструкції збуджуючої антени та її положення відносно плазмового стовпа на ефективність вводу ВЧ потужності в плазму, а також встановлено функціональні залежності поглинання (скейлінг) від різних геометричних та фізичних параметрів. Прямим порівнянням показано задовільне узгодження теоретичних результатів з даними вимірювань імпедансу плазмового навантаження та структури ВЧ полів. Також показано, що теоретичний підхід, який нехтує збудженням ТГ хвиль, дає результати в різкому протиріччі з експериментом.

6. Показано, що в стандартному джерелі радіальна неоднорідність плазми з густиною, що спадає до периферії, призводить до посилення обґємного поглинання потужності, в результаті зниження ефективності поверхневої конверсії, а також до посилення поглинання на високих радіальних модах в області більших густин плазми, внаслідок резонансної конверсії геліконних хвиль в ТГ хвилі. Установлено, що плавна поздовжня неоднорідність плазми, із зниженням густини до провідних торців, незначним чином впливає на дисперсію та поздовжню структуру полів хвильових мод, за винятком поздовжнього електричного поля, яке внаслідок поляризації плазми істотно зростає в крайових областях, що підтверджується експериментом. У той же час сильна поздовжня неоднорідність поблизу торцевих провідних поверхонь сильно змінює дисперсію і структуру полів мод; обчислені профілі останніх задовільно узгоджуються з результатами вимірювань.

7. Показано, що в стандартному джерелі при великих частотах зіткнень електронів навантажувальний імпеданс плазми набуває випромінювального характеру, тобто, не має багатопікової залежності від густини плазми внаслідок того, що сильно загасаючі хвилі не формують поздовжньо стоячих мод. Прямим порівнянням показана добра згода теорії з експериментом стосовно як опору плазми, так і профілів електромагнітних полів. Установлено, що радіальна структура ВЧ струмів в такій плазмі подібна до тієї, що виникає при скін-ефекті без магнітного поля, але має відмінну скінову довжину, яка визначається сильно загасаючими ТГ хвилями.

8. Показано, що в стандартному джерелі характер збудження електромагнітних полів і поглинання ВЧ потужності істотно змінюється у випадку, коли силові лінії магнітного поля нахилені до поверхні плазми під кутом більшим за кут групової швидкості ТГ хвиль. При цьому ефективність конверсії геліконів у ТГ хвилі падає, внаслідок чого геліконні хвилі далеко розповсюджуються від антени і забезпечують істотне зростання обґємного поглинання ВЧ потужності. Одержані результати пояснюють хвильові структури та ефект збільшення генерації плазми, що спостерігались у геліконному розряді в неоднорідному магнітному полі.

9. Встановлено, що в геліконному джерелі з плоскою антеною збуджувані поля є суперпозицією обґємних геліконів і поверхневих хвиль, локалізованих на межі плазми з діелектриком. В короткому джерелі формуються стоячі поздовжні хвильові моди, дисперсія яких добре узгоджується з виміряною, а поглинання потужності істотно зростає з магнітним полем і вище порогу збудження геліконів має резонансну, багатопікову залежність від густини плазми внаслідок збудження різних мод. У джерелі великих розмірів, де стоячі моди не виникають внаслідок загасання геліконів, багатовиткова антена, подібно до фазованої решітки, формує діаграму спрямованості випромінюваних хвиль, обчислена радіальна структура яких добре узгоджується з виміряною. Порівняльними розрахунками для стандартного джерела та джерела з плоскою антеною, які мають однакові розміри та працюють за однакових фізичних умов, показано, що в першому поглинання ВЧ потужності значно вище при менших густинах плазми, а в другому при більших густинах, поблизу резонансів збудження поздовжніх мод.

10. Показано, що немонотонна залежність опору плазми від її густини в геліконному розряді є причиною того, що при плавній зміні різних зовнішніх параметрів (внесена ВЧ потужність, частота збудження, напруженість магнітного поля) досягаються критичні рівноваги, з яких система має переходити в рівноважні стани зі стрибкоподібною зміною густини плазми; поблизу критичних рівноваг густина змінюється гістерезисним чином. Стрибки густини можуть зменшуватись, або зовсім виключатись, у присутності обміну енергією між розрядом та зовнішнім узгоджувальним пристроєм. Установлена якісна відповідність результатів даним вимірювань на різних джерелах, а для джерела з плоскою антеною прямим порівнянням показана кількісна згода.

11. Для умов геліконної плазми показана можливість збудження іонно-звукових хвиль внаслідок кінетичної нестійкості стаціонарного дрейфу електронів поперек зовнішнього магнітного поля, а також гідродинамічної параметричної нестійкості в полі збуджуваних антеною ВЧ хвиль, інкременти яких вищі за обернений середній час життя іонів у системі. У присутності стаціонарного дрейфу електронів зі швидкістю більшою критичної параметрична нестійкість стає азимутально анізотропною, із збудженням НЧ хвиль лише вздовж напрямку дрейфу.

12. Установлено, що в крайових областях геліконної плазми поблизу металевих поверхонь, нормальних до силових ліній магнітного поля, виникає інтенсивне поздовжнє ВЧ електричне поле, наявність якого підтверджується експериментом. Це поле може стимулювати нелінійна нестійкість модуляційного типу за умови, що його пондеромоторний тиск перевищує тепловий тиск електронів. Також показано, що в такому інтенсивному полі можлива генерація стохастично прискорених електронів, функція розподілу яких має надтеплову популяцію (типу пучка) із швидкостями, значно вищими за теплову; існування таких електронів підтверджено в експериментах на джерелі з плоскою антеною. Показано, що прискорення електронів може бути ефективним каналом поглинання ВЧ потужності, а також призводити до значного підвищення іонізації робочого газу, що може служити поясненням високої ефективності генерації плазми в геліконному розряді.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Katyukha V.P., Kirichenko G.S., Rusavskii A.V., Taranov V.B. and Shamrai K.P. Helicon ion source for plasma processing // Rev. Sci. Instrum. 1994. Vol. 65, No. 4. P. 1368 - 1370.

2. Kirichenko G.S., Taranov V.B., Shamrai K.P. and Yagola V.V. Rf discharge in the fields of plasma resonator eigenmodes // Phys. Lett. A. 1994. Vol. 191, No. 1 - 2. P. 167 - 170.

3. Shamrai K.P. and Taranov V.B. Resonance wave discharge and collisional energy absorption in helicon plasma source // Plasma Phys. Control. Fusion. 1994. Vol. 36, No. 11. P. 1719 - 1735.

4. Shamrai K.P. and Taranov V.B. Resonances and anti-resonances of a plasma column in a helicon plasma source // Phys. Lett. A. 1995. Vol. 204, No. 2. P. 139 - 145.

5. Shamrai K.P. and Taranov V.B. Volume and surface rf power absorption in a helicon plasma source // Plasma Sources Sci. Technol. 1996. Vol. 5, No. 3. P. 474 - 491.

6. Shamrai K.P. and Pavlenko V.P. Rf power absorption and antenna impedance in an m 0 helicon plasma source // Phys. Scripta. 1997. Vol. 55, No. 7. P. 612 - 616.

7. Shamrai K.P., Pavlenko V.P. and Taranov V.B. Excitation, conversion and damping of waves in a helicon plasma source driven by an m 0 antenna // Plasma Phys. Control. Fusion. 1997. Vol. 39, No. 3. P. 505 - 529.

8. Shamrai K.P., Virko V.F., Blom H.-O., Pavlenko V.P., Taranov V.B., Jonsson L.B., Hedlund C. and Berg S. Discharge disruptions in a helicon plasma source // J. Vac. Sci. Technol. A. 1997. Vol. 15, No. 11. P. 2864 - 2874.

9. Shamrai K.P., Aleksandrov A.F., Bougrov G.E., Virko V.F., Katyukha V.P., Koh S.K., Kralkina E.A., Kirichenko G.S. and Rukhadze A.A. Quasistatic plasma sources: Physical principles, modeling experiments, application aspects // J. Physique. 1997. Vol. 7. Coll. C4. P. C4-365-381.

10. Shamrai K.P. Stable modes and abrupt density jumps in a helicon plasma source // Plasma Sources Sci. Technol. 1998. Vol. 7, No. 4. P. 499 - 511.

11. Шамрай К.П. Фізичний механізм конверсії геліконних хвиль в електростатичні на межі плазми з непровідною стінкою // УФЖ. 1999. Т. 44, № 5. С. 564 - 570.

12. Шамрай К.П. Явища гістерезису при різких змінах режимів геліконного розряду // УФЖ. 1999. Т. 44, № 8. С. 946 - 950.

13. Шамрай К.П. Коллективные механизмы поглощения ВЧ мощности в геликонных источниках плазмы // Физика плазмы. 1999. Т. 25, вып. 11. С. 934 - 940.

14. Шамрай К.П. О скачках плотности в геликонных источниках плазмы // Прикладная физика. 1999. Вып. 4. С. 18 - 27.

15. Shinohara S. and Shamrai K.P. Direct comparison of experimental and theoretical results on the antenna loading and density jumps in a high pressure helicon source // Plasma Phys. Control. Fusion. 2000. Vol. 42, No. 8. P. 865 - 880.

16. Shamrai K.P. and Shinohara S. Spectral and spatial characterization of a radio frequency power absorption in high pressure helicon plasmas // Phys. Plasmas. 2001. Vol. 8, No. 10. P. 4659 - 4674.

17. Shinohara S. and Shamrai K. P. Effect of electrostatic waves on a rf field penetration into highly collisional helicon plasmas // Thin Solid Films. 2002. Vol. 407, No. 1 - 2. P. 215 - 220.

18. Virko V.F., Kirichenko G.S. and Shamrai K.P. Geometrical resonances of helicon waves in an axially bounded plasma // Plasma Sources Sci. Technol. 2002. Vol. 11, No. 1. P. 10 - 26.

19. Virko V.F., Kirichenko G.S. and Shamrai K.P. Wave phenomena in helicon plasma // Problems of Atomic Science and Technology. Ser. Plasma Physics (9). 2003. No. 1. P. 56 - 61.

20. Virko V.F., Kirichenko G.S. and Shamrai K.P. Parametric ion-acoustic turbulence in a helicon discharge // Plasma Sources Sci. Technol. 2003. Vol. 12, No. 2. P. 217 - 224.

21. Слободян В.М., Вирко В.Ф., Кириченко Г.С., Шамрай К.П. Геликонный разряд, возбуждаемый плоской антенной вдоль магнитного поля // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Плазменная электроника и новые методы ускорения (3). 2003. № 4. С. 235 - 240.

22. Virko V.F., Shamrai K.P., Kirichenko G.S. and Virko Yu.V. Wave phenomena, hot electrons and enhanced plasma production in a helicon discharge in a converging magnetic field // Phys. Plasmas. 2004. Vol. 11, No. 8. P. 3888 - 3897.

23. Shamrai K.P., Shinohara S., Virko V.F., Slobodyan V.M., Virko Yu.V. and Kirichenko G.S. Wave stimulated phenomena in inductively coupled magnetized plasmas // Plasma Phys. Control. Fusion. 2005. Vol. 47, No. 5A. P. A307 - A315.

24. Shamrai K.P. and Shinohara S. Modeling electromagnetic field excitation and rf power absorption in a large helicon plasma // Thin Solid Films. 2006. Vol. 506 - 507. P. 555 - 558.

25. Shamrai K.P., Virko V.F., Slobodyan V.M., Virko Yu.V. and Kirichenko G.S. Ion acoustic wave activity in m 0 helicon plasmas // Problems of Atomic Science and Technology. Ser. Plasma Electronics and New Acceleration Methods (5). 2006. No. 5. P. 48 - 53.

26. Shamrai K.P., Slobodyan V.M., Virko V.F., Virko Yu.V., Gurin A.A. and Kirichenko G.S. Nonlinear phenomena in helicon plasmas // Problems of Atomic Science and Technology. Ser. Plasma Physics (12). 2006. No. 6. P. 84 - 88.

27. Taranov V.B. and Shamrai K.P. Energy absorption in a helicon wave plasma source // Int. Conf. "Physics in Ukraine" (Kiev, December, 1993). Vol. "Plasma Physics". P. 194 - 197.

28. Shamrai K.P., Pavlenko V.P. and Taranov V.B. Wave spectra and impedance of antennas driving helicon plasma sources // 23rd EPS Conf on Control. Fusion and Plasma Phys., eds. D.Gresillon, A.G.Sitenko, A.G.Zagorodny (Kiev, June, 1996). Europhys. Conf. Absts. Vol. 20C. Pt. III. P. 1415 - 1418.

29. Shamrai K.P., Pavlenko V.P. and Taranov V.B. Excitation and absorption of waves in a helicon plasma source // Ibid. P. 1411 - 1414.

30. Shamrai K.P. Stable regimes, mode transitions and discharge disruptions in a helicon plasma source // IEEE Int. Conf. on Plasma Sci. (San Diego, USA, May, 1997). P. 142.

31. Shamrai K.P. Mechanisms of a rf power absorption in helicon plasma sources // Int. Congr. on Plasma Phys. & 25th EPS Conf. on Control. Fusion and Plasma Phys., ed. P. Pavlo (Prague, Czech Rep., June, 1998). Europhys. Conf. Absts. Vol. 22C. P. 2667 - 2670.

32. Shinohara S. and Shamrai K. P. Density jump and antenna resistance in a high pressure helicon plasma source // Meeting of the Phys. Soc. of Japan (Osaka, Japan, March, 2000). P. 174. [Engineering Science Reports (KYUSHU DAIGAKU SOUGOURIKOUGAKU HOKOKU). 2000. Vol. 22, No. 1. P. 23 - 27].

33. Shamrai K.P., Shinohara S. and Yavorskij V.A. Bulk, peripheral and near antenna rf power absorption in highly collisional helicon plasma // 27th EPS Conf. on Control. Fusion and Plasma Phys., eds. K.Szegц, T.N.Todd, and S.Zoletnik (Budapest, Hungary, June, 2000). Europhys. Conf. Absts. Vol. 24B. P. 1473 - 1476 (on CD ROM).

34. Shinohara S. and Shamrai K.P. Antenna loading and power absorption profile in highly collisional nonuniform helicon plasma: Comparison of experiment and theory // Int. Congr. on Plasma Phys. (Quebec, Canada, October, 2000). P. 120 - 123.

35. Shamrai K.P. and Shinohara S. Penetration of rf fields into high pressure helicon plasmas. // XXV Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases (Nagoya, Japan, July, 2001). Vol. 1. P. 43 - 44.

36. Shamrai K.P., Virko V.F. and Kirichenko G.S. Effects of antenna design and position on a rf power coupling to a short plasma column // Ibid. Vol. 4. P. 163 - 164.

37. Virko V.F., Kirichenko G.S. and Shamrai K.P. Excitation of short plasma column with helical and phased antennas // Ibid. P. 185 - 186.

38. Shamrai K.P., Virko V.F. and Kirichenko G.S. Modeling helicon antenna coupling to a short dense-plasma column // 43rd Annual Meeting of the Div. of Plasma Phys., Amer. Phys. Soc. (Long Beach, USA, October, 2001). [Bull. Amer. Phys. Soc. 2001. Vol. 46, No. 8. P. 31.]

39. Shinohara S. and Shamrai K.P. Physics of high pressure helicon plasma and effect of antenna wavenumber spectrum // Ibid. P. 32.

40. Shamrai K.P. and Shinohara S. Rf field shielding by electrostatic waves in high pressure helicon plasma // Ibid. P. 64.

41. Shinohara S. and Shamrai K.P. Modeling of small dense-plasma helicon source // 11th Int. Congr. on Plasma Phys., eds. I.S. Falconer, R.L. Dewar and J. Khachan (Sydney, Australia, July, 2002). P. 634 - 637 (on CD ROM).

42. Shinohara S. and Shamrai K.P. Effect of axial plasma nonuniformity on a rf power absorption in compact helicon source // 44th Annual Meeting of the Div. of Plasma Phys., Amer. Phys. Soc. (Orlando, USA, November, 2002). [Bull. Amer. Phys. Soc. 2002. Vol. 47, No. 9. P. 47.]

43. Shamrai K.P., Shinohara S., Virko V.F., Kirichenko G.S., Slobodyan V.M. and Virko Yu.V. Physics of helicon plasma sources and the trends in their applications // Int. Conf. on Physics of Low Temperature Plasma (Kiev, May, 2003). P. 1-5-65i.

44. Slobodyan V.M., Virko V.F., Kirichenko G.S. and Shamrai K.P. Discharge modes in inductively coupled plasma enhanced by magnetic field // Ibid. P. 7-20-69.

45. Virko V.F., Shamrai K.P., Virko Yu.V. and Kirichenko G.S. Plasma performance and wave structures in a helicon discharge operated in nonuniform magnetic field // Ibid. P. 7-21-78.

46. Shinohara S. and Shamrai K.P. Axial eigenmodes and ponderomotive effects in a nonuniform helicon plasma // XXVI Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases (Greifswald, Germany, July, 2003). Vol. 1. P. 65 - 66.

47. Shamrai K.P. and Shinohara S. Comparison of the power absorption in helicon plasmas excited along and across the magnetic field // 45th Annual Meeting of the Div. of Plasma Phys., Amer. Phys. Soc. (Albuquerque, USA, October, 2003). [Bull. Amer. Phys. Soc. 2003. Vol. 48, No. 7. P. 121.]

48. Вирко В.Ф., Шамрай К.П., Кириченко Г.С., Вирко Ю.В. Повышение эффективности геликонного разряда в сходящемся магнитном поле. // VIII Міждержавний семінар “Плазмова електроніка та нові методи прискорення” (Харків, вересень, 2003). [Вопросы атомной науки и техники. Сер. Плазменная электроника и новые методы ускорения (3). 2003. № 4. С. 241 - 246.]

49. Shamrai K.P., Shinohara S., Virko V.F., Slobodyan V.M., Virko Yu.V. and Kirichenko G.S. Wave stimulated phenomena in inductively coupled magnetized plasmas // 12th Int. Congress on Plasma Phys. (Nice, France, October, 2004). P. 97.

50. Slobodyan V.M., Virko V.F., Shamrai K.P. and Kirichenko G.S. Distributions of plasma parameters, electron energy characteristics and LF wave activity in a magnetized ICP. // 13th Int. Congress on Plasma Phys. (Kiev, Ukraine, May, 2006). D123 p. (4 p., on CD ROM).

51. Shamrai K.P., Virko V.F. and Slobodyan V.M. Driving mechanisms of ion-acoustic activity in an m = 0 helicon plasmas // Ibid. D125 p.

52. Virko V.F., Shamrai K.P., Virko Yu.V. and Kirichenko G.S. Continuous and discrete spectra of LF and HF waves in a helicon plasma // Ibid. D126 p.

53. Virko Yu.V., Shamrai K.P., Virko V.F. and Yakimenko A.I. Compact helicon plasma source with permanent magnets in various configurations // Ibid. D127 p.

54. Toki K., Hashimoto T., Makita K., Shinohara S., Hada T., Ikeda Y., Tanikawa T., Shamrai K.P. and Funaki I. Small helicon source for electrodeless plasma production and electromagnetic acceleration // 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf. (Sacramento, USA, July, 2006). AIAA2006-4843 (8 p., on CD ROM).

55. Shamrai K.P., Virko Y.V., Virko V.F. and Yakimenko A.I. Compact helicon plasma source with permanent magnets for electric propulsion application // Ibid. AIAA2006-4845 (7 p., on CD ROM).

Размещено на Allbest.ru