Экспериментальное исследование характеристик тлеющего разряда в воздухе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование характеристик тлеющего разряда в воздухе

С.В. Автаева - канд. физ.-мат. наук

Д.К. Оторбаев - чл.-корр. НАН КР

А.В. Скорняков - инженер

Annotation

разряд медный напряженность электрический

Characteristics of the glow discharge between nickel-plated copper disk electrodes, 3 cm in diameter, and an interelectrode gap of 6 cm, in air were investigated. Axial and radial distributions of electric field strength, charged particles and electron temperature were investigated with probe methods.

В настоящее время в микроэлектронных технологиях все шире применяется низкотемпературная неравновесная плазма газовых разрядов низкого давления, классическим примером которых служит тлеющий разряд, который относится к наиболее изученным и часто применяемым на практике газовым разрядам. Он применяется в микроэлектронных технологиях (травление, напыление тонких металлических пленок и т.д.) [1, 2]. Положительный столб тлеющего разряда используется в качестве источника света и как активная среда электроразрядных газовых лазеров [3]. Кроме того, есть другие возможности применения тлеющего разряда - стерилизация медицинских инструментов [4], очистка шерсти и т.д. Важной особенностью тлеющего разряда является то, что в аномальном режиме горения он занимает всю площадь катода, не пропуская неровностей. Наиболее полно тлеющий разряд изучен в инертных газах и парах ртути [5]. Значительно меньше данных о разряде в электроотрицательных газах и воздухе, а также в различных технологических газах (трифторбромметан, хлорсиланы и др.). Классический тлеющий разряд зажигается в трубке с диэлектрическими стенками. В данной работе рассмотрен разряд, не ограниченный стенками трубки (разряд в свободном пространстве).

Цель данной работы - исследование характеристик тлеющего разряда в воздухе.

1. Описание установки. Для изучения тлеющего разряда в воздухе была создана установка на базе вакуумного универсального поста ВУП-4 (рис. 1).

Разряд зажигался между параллельными медными никелированными электродами диаметром 30 мм, нерабочие части которых находились в изоляции из фторопласта. В качестве разрядной камеры использовался рабочий объем ВУП-4, состоящий из металлического основания, накрываемого стеклянным колпаком цилиндрической формы диаметром 250 мм и высотой 230 мм. Разрядная камера откачивалась форвакуумным насосом (ФН) до остаточного давления 10 Па, которое контролировали с помощью термопарного датчика ПМТ-2 и вакуумметра ВИТ-2П.

Подача высокого напряжения на электроды осуществлялась с помощью высоковольтного выпрямителя, состоящего из повышающего трансформатора Тp₁ и удвоителя напряжения, собранного на диодах VD₁, VD₂ и кон-денсаторах C₁, C₂. Плавная регулировка высокого напряжения осуществлялась с помощью автотрансформатора Тp₂ типа ЛАТР-2М, подключенного к входу выпрямителя. Напряжение и ток разряда контролировались киловольтметром М27М и миллиамперметром М4200.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - подвижная стойка; 2 - керамическая изоляция; 3 - зонд: А - анод, К - катод.

Электроды находились под плавающим потенциалом (ни один не заземлен), разряд не ограничивался стенками трубки (горел в свободном пространстве).

Тлеющий разряд изучали при разрядном токе от 5 до 25 мА, напряжении горения разряда от 1000 до 2600 В и давлении воздуха 10 Па.

2. Визуальные наблюдения и вольт-амперная характеристика разряда. Визуальные наблюдения разряда дали следующие результаты. В разряде хорошо различаются области: катодный слой, темное катодное пространство, положительный столб и анодный слой. Фарадеево темное пространство не различается невооруженным глазом, и отрицательное свечение сливается с положительным столбом, темное катодное пространство четко отграничено от отрицательного свечения и катодного слоя. Свечение положительного столба и области отрицательного свечения разряда сиреневого цвета, катодный слой оранжево-желтый, анодный слой светло-голубой. По радиусу свечение разряда занимает пространство значительно большее площади электродов, которое растет с увеличением тока разряда. Площадь свечения разряда совпадает с площадью электродов.

Как видно из рис. 2, напряжение горения с ростом тока возрастает монотонно до тока I = 15 мА (U = 2300 В), затем отмечается небольшой излом, после которого напряжение растет медленнее. Рост напряжения с ростом тока свидетельствует об аномальности разряда. Немонотонность характеристики, по-видимому, указывает на пороговый характер процессов в разряде (например, скачкообразное увеличение канала разряда).

3. Распределение электрического поля в разряде. Измерение распределения напряженности электрического поля проводилось по оси и радиусу разряда компенсационным методом (рис. 3).

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда в воздухе. P = 10 Па.

Рис. 3. Схема измерения распределения электрических полей в тлеющем разряде компенсационным методом.

Рис. 4. Аксиальное распределение электрического поля в тлеющем разряде. I=10 мА, p=10 Па. Штриховыми линиями показаны приблизительные границы областей: КС - катодный слой, ТКП - темное катодное пространство, ОС - отрицательное свечение, ФТП - фарадеево темное пространство, ПС - положительный столб, АС - анодные слои.

Рис. 5. Радиальное распределение электрического поля в разрядной камере, z = 40 мм, I = 10 мА, P = 10 Па. Штриховыми линиями показана граница электродов (1) и граница зоны свечения разряда (2).

Зонды были изготовлены из нихрома марки 80Н20Х и имели диаметр 0,5 мм и длину 8 мм. Они укреплялись на металлической стойке, конструкция которой позволяла устанавливать их в любом месте камеры (рис. 1). Расстояние между зондами составляло 1 см. В качестве гальванометра использовали микроамперметр М2027, а напряжение измеряли цифровым авометром DT-830. Источником питания служил стабилизированный выпрямитель Б-5-50.

Результаты измерений показаны на рис. 4 (аксиальное распределение) и рис. 5 (радиальное распределение). Здесь и далее расстояние по оси разряда отсчитывается от катода (на катоде z = 0), а расстояние по радиусу - от центра электродов (на оси разряда r = 0).

Аксиальное распределение напряженности электрического поля позволяет определить наличие и приблизительные границы областей разряда. Катодный слой и темное катодное пространство, где поле велико и спадает в направлении анода, простираются от катода вплоть до 22 мм от катода. Далее следует отрицательное свечение, где поле равно нулю (от 22 до 27 мм), за ним - фарадеево темное пространство (поле растет, от 27 до 32 мм) и положительный столб (поле практически не меняется) вплоть до 57 мм, далее располагаются анодные слои.

Радиальное распределение напряженности электрического поля измеряли на расстоянии 40 мм от катода. Оно соответствует классическому [5] в области положительного столба: E_r равно нулю на оси разряда и возрастает к периферии. За границами электродов E_r отлично от нуля, и радиальная напряженность электрического поля продолжает возрастать в направлении стенок разрядной камеры.

4. Измерения температуры электронов и концентрации заряженных частиц в тлеющем разряде. В тлеющем разряде проводили также зондовые измерения, позволяющие определить температуру электронов и концентрацию заряженных частиц. Достоинством зондовых методов является возможность произведения локальных измерений и сравнительная простота необходимого оборудования. К недостаткам их можно отнести сложность теории и, как следствие, большую погрешность измерений и трудность ее оценки.

Поскольку в воздухе присутствует электроотрицательный газ кислород, то в разряде имеются отрицательные ионы [4], оказывающие влияние на вольт-амперную характеристику одиночного (ленгмюровского) зонда. Они легко учитываются в случае, когда их концентрация значительно выше концентрации электронов или когда они являются малой добавкой [6]. Если же концентрации электронов и отрицательных ионов сравнимы, то определение параметров плазмы затруднено. Согласно кинетическому расчету, для тлеющего разряда в воздухе, приведенному в работе [7], концентрация отрицательных ионов по сравнению с электронами составляет 10-20% ne. Измерения, проведенные одиночным зондом с противозондом, не позволили надежно определить параметры плазмы, так как вольт-амперная характеристика (ВАХ) зонда отличается от типичной малым электронным током по сравнению с полным током и наличием двух перегибов вместо одного. В данном случае, вероятно, оказывает влияние как наличие отрицательных ионов, так и отклонение функции распределения электронов по энергиям от максвелловской, что часто имеет место в молекулярных газах.

В отличие от одиночного зонда двойной всегда находится под отрицательным потенциалом относительно плазмы, что позволяет избавиться от влияния отрицательных ионов на зондовый ток. Поэтому измерения производили двойным зондом. Недостатком его является невозможность определения потенциала плазмы.

Измерительная схема для двухзондовых измерений представлена на рис. 6. Зонды были изготовлены из молибденовой проволоки диаметром 0,14 мм и имели длину 4 мм. Нерабочая часть зонда помещалась в керамическую изоляцию. Как и при измерениях электрического поля, зонд укрепляли на металлической стойке, конструкция которой позволяла устанавливать его в любом месте камеры (рис. 1). Реохорд R* вращался электродвигателем ЭД со скоростью 5 об/мин. ВАХ зонда регистрировалась самописцем ЛКС4-003. В качестве источника питания использовали стабилизированный выпрямитель Б-5-50.

Рис. 6. Схема зондовых измерений в тлеющем разряде, С - самописец, ЭД - электродвигатель.

Рис. 7. Типичный вид ВАХ двойного зонда в тлеющем разряде.

Зонд расположен на оси разряда на расстоянии 40 мм от катода, I_р = 10 мА, P = 10 Па.

Типичный вид вольт-амперной характеристики (ВАХ) зонда, снятой в тлеющем разряде, показан на рис. 7.

Обработка результатов производилась по методике, предложенной в [8]. Расчетная формула для электронной температуры:

kT_e/e = I_i / (2·dI/dU - dI_i / dU₁). (1)

где k - постоянная Больцмана; T_e - электронная температура; e - элементарный заряд; I_i - ионный ток в точке N; dI/dU - тангенс угла наклона характеристики в области начала координат (производная полного тока в точке N); dI_i/dU₁ - тангенс угла наклона характеристики в области насыщения (производная ионного тока). Ионный ток I_i можно найти экстраполяцией характеристики из области высоких потенциалов, где полный ток в цепи зондов равен ионному току на один из них, в область начала координат (точку N). Использовалась линейная экстраполяция.

Концентрация электронов определялась по формуле:

I_i = 0,4·S_i·e·n_i· (2kT_e / M_i)_1/2 , (2)

где M_i - масса иона; S_i = 2·?·r_i - действующая поверхность зонда; r_i - радиус действующей поверхности зонда, определяемый из закона "трех вторых":

(3)

где - табличная функция [8]; - ионный ток на единицу длины зонда, U₀ - потенциал зонда в области насыщения. Во многих расчетах состав воздуха принимается как 25% О2 и 75% N2, поэтому за массу иона Mi принимали среднюю массу "молекулы воздуха", равную 29 а.е.м.

Результаты зондовых измерений представлены на рис. 8-10. Как видно, электронная температура в зависимости от тока разряда (рис. 8, а) при токе 15 мА (U = 2300 В) имеет максимум. Концентрация ионов увеличивается с ростом тока разряда (рис. 8, б). После значения тока 15 мА она начинает расти более интенсивно.

Рис. 8. Зависимость температуры электронов (а) и концентрации ионов (б) от разрядного тока на оси разряда на расстоянии 40 мм от катода, P = 10 Па.

Рис. 9. Радиальное распределение температуры электронов (а) и концентрации ионов (б) в разрядной камере, 40 мм от катода, I = 10 мА, P = 10 Па. Штриховыми вертикальными прямыми показаны граница электродов (1) и граница области свечения разряда (2). Штриховая кривая на графике (б) - Бесселево распределение концентрации заряженных частиц.

Рис. 10. Аксиальное распределение температуры электронов (а) и концентрации ионов (б) в тлеющем разряде, Iр = 10 мА, P = 10 Па.

По ВАХ разряда (рис. 2) видно, что ток 15 мА является критической точкой, после которой ток разряда с ростом напряжения возрастает быстрее. При увеличении полного тока разряда выше критического концентрация заряженных частиц сильно возрастает, и, как следствие, падает электронная температура.

Радиальное распределение температуры электронов и концентрации ионов показано на рис. 9. Видно, что электронная температура растет при удалении от оси разряда, а концентрация ионов падает. Радиальное распределение концентрации заряженных частиц соответствует классической теории положительного столба тлеющего разряда [5] лишь качественно (не аппроксимируется функцией Бесселя - штриховая кривая на рис. 9). Это, вероятно, связано с тем, что разряд не ограничен стенками трубки. Этим обусловлено и то, что концентрация ионов на расстоянии от оси порядка радиуса электродов (r = R₀ = 15 мм) не спадает до нуля. Зона слабого свечения разряда при токе 10 мА заметна вплоть до расстояния 35 мм от края электродов.

Температура электронов при удалении от оси разряда растет. По-видимому, это связано с ростом радиального электрического поля и выходом быстрых электронов за область разряда из-за отсутствия стенок, ограничивающих разряд.

Распределение электронной температуры и концентрации ионов по оси разряда показано на рис. 10. Видно, что концентрация ионов имеет максимум, попадающий в область отрицательного свечения. Ближе к катоду, в темном катодном пространстве, она значительно ниже. В центре положительного столба концентрация ионов выше, чем вблизи анодной области. Электронная температура максимальна в прикатодных областях, где имеется большое поле. Здесь температура имеет смысл средней энергии электронов. После области отрицательного свечения, где температура падает, в области фарадеева темного пространства и положительного столба она практически не меняется, так как поле невелико и изменяется слабо.

5. Спектральные измерения. Исследования спектра излучения тлеющего разряда проведены с целью получения качественных данных о химическом составе плазмы. Для регистрации спектра излучения тлеющего разряда использовали спектрограф ДФС-8-3 с фотоэлектрической регистрацией спектра, позволяющий регистрировать излучение с длинами волн в диапазоне от 200 нм до 800 нм.

В работе записывался обзорный спектр разряда в диапазоне длин волн от 350 нм до 800 нм. Излучение с меньшими длинами волн поглощалось стенками разрядной камеры. Отождествление полос производили по атласу Р. Пирса и А. Гейдона [9]. В спектре излучения тлеющего разряда были отождествлены полосы молекул азота (первая положительная и вторая положительная системы) и молекулярного иона азота (первая отрицательная система), полосы углекислого газа (система Фокса-Даффенака-Баркера), полосы CN (красная система), полосы кислорода (атмосферная система). Были обнаружены и линии атома водорода H_?, H_? серии Бальмера.

При оценке колебательной температуры молекул азота в состоянии C³?_u по распределению интенсивности излучения колебательных полос второй положительной системы азота (переход С³П_u-В³П_g) использовалась секвенция ?v = -2. Колебательная температура молекул азота в состоянии C³?_u составила T_v = 5000±1000 К при токе разряда 10 мА и T_v = 6000±200 К при токе разряда 15 мА.

Заключение. Проведенные исследования показали следующие особенности тлеющего разряда в воздухе, не ограниченного стенками трубки.

Радиальные параметры электронов и ионов в данном разряде в целом не соответствуют классическим теориям [5]. Разряд имеет сильную неоднородность по радиусу. За границами электродов имеются заряженные частицы, температура электронов растет при приближении к стенкам камеры. Аксиальные же параметры более близки к параметрам разряда в трубке. Распределение электрического поля в разрядной камере также близко к классическому.

Анализ обзорного спектра указал на сложный химический состав плазмы тлеющего разряда в воздухе, а различие на порядок значений электронной и колебательной температуры - на неравновесность плазмы.

Результаты исследований могут быть применены при проверке модельных расчетов разряда и разработке конкретных технологических схем с использованием данного разряда в плазмохимии, травлении и. т. д.

Литература

1. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. - М., 1987.

2. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. - М., 1991.

3. Жеенбаев Ж.Ж., Оторбаев Д.К., Очкин В.Н. Препринт № 119. - М.: ФИАН, 1990.

4. Баженов В.Ю., Михно И.Л., Рябцев А.В, Солошенко И.А., Хомич В.А., Циолко В.В., Щедрин А.И. //Физика плазмы. - 2000. - Т.26. - № 9. - С. 845

5. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток / Под ред. Л.А.Сена, В.Е.Голанта. - М., 1971.

6. Власов П.А., Карасевич Ю.К., Панкратьева И.Л., Полянский В.А. // Теплофизика высоких температур. - 2000. - Т.26. - №6. - С. 1047.

7. Косарев И.Н., Стариковский А.Ю. // Физика плазмы. - 2000. - Т.26. - №9. - С. 747.

8. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. - М., 1969.

9. Пирс Р., Гейдон А. Отождествление молекулярных спектров. - М., 1949.

Размещено на Allbest.ru