СОДЕРЖАНИЕ
Введение ...................................................... 4
Глава 1. Расчет барьерного разряда в ксеноне....................
10
1.1 Введение.............................................Ю
1.2 Обзор литературы....................................14
1.3 Расчетная модель плазмы БР........................18
1.4 Зависимость концентраций компонент плазмы от времени...................................................35
1.5 Основные каналы заселения и разрушения компонент плазмы и их зависимость от времени.................40
1.6 Параметры определяющие кпд выхода ВУФ излучения эксимеров...................... 4 8
1.7 Выводы...............................................53
Глава 2. Расчет барьерного разряда в смеси криптона и
ксенона...............................................56
2.1 Введение............................................56
2.2 Расчетная модель плазмы БР в смеси Кг-Хе. . . .59
2.3 Результаты расчета концентраций компонент плазмы,
особенности образования гомо- и гетеро-ядерпых . эксимеров в разряде.................................70
2.4 КПД выхода ВУФ излучения , концентрации эксимеров в смеси Кг-Хе..............................................7 5
2.5 Особенности передачи возбуждения в смеси. . . .83
2.6 Выводы..............................................86
Глава 3.Расчет параметров положительного столба в ксеноне . ............................................................... 89
3.1 Введение.............................................89
3.2 Расчетная модель плазмы..............................96
3.3 Результаты расчетов и их обсуждение..............101
3.4 Выводы..............................................112
4. Заключение..................................................114
5. Приложение .Численное решение уравнения Больцмана. . 117 Список литературы..............................................121
1.Введение.
Диссертация посвящена расчетам характеристик плазмы газовых разрядов околоатмосферного ( несколько сотен торр) давления в инертных газах (Хе) и их смесях (Кг-Хе). В работе рассчитывались такие параметры как: концентрации
компонент плазмы, газовая и электронная температура, исследовались механизмы заселения и разрушения компонент.
В диссертации ставились задачи интересные не только в научном , но и в прикладном плане . С прикладной точки зрения плазма инертных газов средних давлений интересна как эффективный источник излучения в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Поэтому большое внимание уделялось
расчетам и исследованиям параметров , являющихся основными для источника света: значению кпд выхода излучения и его
интенсивности.
Источником ВУФ излучения в газовых разрядах средних дазлений являются двухатомные молекулы инертных газов -эксимеры . То, что длины волн переходов эксимеров находятся в ВУФ области , делает экспериментальные исследования технически сложными и дорогостоящими. Расчеты же позволяют получить информацию избежав сложностей и дополнить
экспериментальные данные.
Для достижения указанных целей проводился расчет
параметров разрядов двух типов: барьерного и тлеющего. При
определении концентраций компонент плазмы решалась система кинетических уравнений баланса частиц, скорости процессов и температура электронов Те расчитывались с помощью уравнения Больцмана для ФРЭЭ, температура газа Тд вычислялась с
помощью уравнения теплопроводности.
Расчеты барьерных разрядов (БР) актуальны в связи с интенсивным развитием в настоящее время ВУФ источников света на их основе [1,2]. В качестве других, наиболее распространенных газоразрядных источников некогерентного ВУФ излучения на основе низкотемпературной плазмы, можно упомянуть еще 2 типа разрядов:
- разряд с полым катодом [3]
- разряд в сверхзвуковой струе [4].
Каждый из указанных разрядов обладает своими преимуществами, так в барьерном разряде достигаются максимальные эффективности ВУФ излучения -20%-60% [5] ,
разряд в струе имеет диаметр в доли мм и используется как точечные источник для обработки материалов в полупроводниковой промышленности (6).
Тлеющий разряд интересен тем , что он является источником непрерывного возбуждения ВУФ излучения, а также с точки зрения возможности получения непрерывной генерации в ВУФ диапазоне [7-9]. Расчеты положительного столба тлеющего разряда интересны также для сравнения и большего понимания физики барьерного разряда .
Источники ВУФ излучения находят широкое применение промышленности: в микроэлектронике для литографии высокого разрешения, для изменения свойств и рельефа поверхностей , при обработке полупроводниковых материалов [6], в технологиях распыления материалов используется
фотоосаждение , в экологии для разложения загрязняющих веществ. Одно из сравнительно новых направлений конструирование плазменных дисплейных панелей в которых флуоресценция экрана возбуждается ВУФ излучением , а не электронным пучком как в обычных электронно-лучевых ^трубках.
Некогерентные источники ВУФ(УФ) излучения имеют свои преимущества по-сравнению с лазерными. Известно, что
взаимодействие некогерентного ВУФ излучения барьерного
разряда с веществом имеет фоохимическую природу (приводит к разрыву химических связей, ионизации и т.д.) , в то время
как лазерное ВУФ излучение ведет к фототермическим
процессам на поверхности [10]. Некогерентность светового излучения позволяет избежать интерференционных и тепловых эффектов и достигать лучших результатов : более гладких
поверхностей [11], осаждению более тонких пленок [1], по-сравнению с лазерными источниками .
Останавливаясь на более конкретном приложении барьерных разрядов на основе инертных газов и их смесей с галогенидами следует отметить их исследования и внедрение для:
1)обработки поверхностей полимеров ( полиэтилена,
полистирена, полиметилмакрилата, полиамида и др. [12]) , в
[13] сравнивалась возможность обработки полиамидной поверхности обычным барьерным разрядои на воздухе и УФ облучением БР КгС1* 222 нм, были получены удовлетворительные результаты , указывалось на необходимость повышения кпд БР .
2)напыления тонких металлических пленок путем ВУФ разложения органических составляющих металлорганических слоев [1], в [14] сравнивалось металлизация поверхности палладием с помощью когерентного (КгБ* лазер , Х=248 нм) и некогерентного (Хе2* БР , Х=172 нм) излучения, указывалось ка преимущества нетермического воздействия БР на подложку и более равномерного нанесения металла по сравнению с лазерным напылением, отмечалась необходимость повышения интенсивности ВУФ излучения БР.
3) разложение загрязняющих веществ в газе и воде , в [15] исследовалась возможность разложения тетрахлорэтилена, 1,2-дихлорэтана , СС14 , СН3С1 прямым УФ(ВУФ) фотолизом или комбинированным ( УФ(ВУФ) облучение в присутствии 0з/Н202) [15] .
Зидно, что перечисленные возможности конкретного применения указывают на актуальность исследования процессов в БР и оптимизацию их параметров.
Диссертация состоит из 3 глав . В первой и второй главах рассматривается барьерный разряд на основе чистого ксенона и смеси Кг-Хе, в третьей- положительный столб в капиллярном тлеющем разряде в ксеноне.
В первой главе рассчитывались параметры БР в Хе при средних давлениях, были получены временные зависимости компонент плазмы, определены основные кинетические процессы, рассчитаны ВУФ интенсивности и ВУФ-кпд , проанализированы основные каналы потерь энергии , определяющий кпд излучения.
Во второй главе проводился расчет БР в смеси инертных газов. На примере смеси Кг-Хе были проанализированы основные кинетические процессы при разных процентных содержаниях Хе, определены временные зависимости концентраций компонент плазмы и зависимости кпд выхода от параметров разряда и содержания Хе.
В третьей главе рассчитывались характеристики положительного столба тлеющего разряда в Хе. Были получены радиальные зависимости температуры газа, концентраций компонент плазмы, интенсивностей и ВУФ-кпд в условиях криогенного охлаждения и без него.
По теме диссертации опубликовано 1 статей, сделано 6 докладов на международных и российских конференциях:
1) Галактионов И.И., Зверева Г.Н. "Исследование неравновесного заселения колебательных уровней ьдолекулы Сг"// Оптика и спектр.,т.73,вып.1, стр.111,1992, [16].
2) Г.Н.Герасимов, Б.Е.Крылов, Г.Н.Зверева, Р.Халлин, А.Арнесен, Ф.Хайкеншольд "ВУФ спектр эксимеров Кг , возбуждаемых в охлаждаемом разряде постоянного тока"// Оптика и спектр., т.81, N6, с.935-943, (1996), [7].
3) Г.Н.Герасимов, Г.Н.Зверева "Численное моделирование процессов е плазме разряда в Кг"// Оптич. журнал, t.64,N 1, с.20-24, 1997, [17].
4) G.Gerasimov, В.Krylov, A.Loginov, G.Zvereva, R.Hallin, A.Arnesen, F.Heijkenskjold "The vacuum ultraviolet spectrum of Kr and Xe excimers excited in a cooled dc discharge" // Appl. Phys. B, v.66, p.81-90,
(1998), [8].
5) Г.Н.Герасимов, Г.А.Волкова, Р.Халлин, Г.Н.Зверева, Ф.Хайкеншельд "ВУФ спектр барьерного разряда в смеси Кг и Хе"// Оптика и спектроскопия, т. 88, N6, с.897-902,2000, [18].
6) Г.Н.Зверева, А.В.Логинов "Теоретичкское исследование ВУФ спектров смеси криптон-ксенон в условиях барьерного разряда"// Оптика и спектр. ,в публикации 2001г.[19] .
7) Зверева Г.Н., Герасимов Г.Н."Численное моделирование барьерного разряда в ксеноне"//Оптика и спектр. , т.90, N3, с.376-383, 2001 г, [20].
8) Gerasimov G.N, Zwereva G.N "Characteristics of cryogenic Kr plasma as a vacuum ultraviolet source"// Abstracts of 28-EGAS Conference, Graz, Austria, pp.494-495,1996 ,
[21] .
9) Gerasimov G. ,Zvereva G., Krylov B. "Experimental
estimate of Xe dimers cross-section from weakly bound ground states by electron impact"// "XX ICPEAC
Scientific program and abstracts of contributed papers'" ed. by F.Aumayr, G.Betz, H.P.Winter, Vienna, 1997, p.МОЇ25 , [22].
10) G.N Gerasimov, G.A.Volkova, G.N.Zvereva "VUV spectrum of barrier discharge in Xe-Kr mixture"//Proceedings
of LS-8 Conference, Greifswald, 1998, p.248-249, [23] .
11) G. Gerasimov, G. Zvereva "Investigations of kinetic processes in rare gases barrier discharge"//
Proceedings of the 1999 Conference on Dissociative recombination, Stockholm , Sweden, 1999, p.275 ,
[24] .
12) G.Zvereva, G.Gerasimov "Calculations of Xe barrier discharge parameters"// HAKONE VII Contributed Papers, Greifswald, Germany, v.l, p.134-138, 2000 ,
[25] .
13) G.N.Zvereva, G.N.Gerasimov "Calculations of Kr-Xe mixture barrier discharge parameters"// Тезисы конференции по физике электрон-атомных столкновений, Москва, Клязьма, с.46-47, 2001 г, [26].
(
Глава 1. Расчет барьерного разряда в ксеноне.
1.1 Введение.
По определению, барьерными разрядами (БР) называются разряды у которых хотя бы один электрод покрыт диэлектриком. На практике используются различные геометрии разрядных трубок и электродов: коаксиальные, планарные и
др., их электроды могут представлять из себя сетки, что позволяет выводить излучение как с торцевых так и с боковых поверхностей, роль диэлектрических барьеров часто играют стенки разрядных трубок, стеклянные или кварцевые [27]. Разряд в инертных газах средних давлений обычно состоит из равномерно расположенных микроканалов, длительностью в несколько наносекунд. Сравнительно короткая длительность микроразряда и ограничение его развития диэлектрическими барьерами не позволяют газу сильно разогреваться, что придает барьерному разряду полимеризующие свойства: во
время плазмохимических реакций в нем эффективно образуются молекулы, не разрушающиеся под действием термической диссоциации.
Рассмотрим схематично процесс формирования канала
микроразряда (рис.1-1). При подаче переменного напряжения на газоразрядный промежуток ( обычно превышающего пробивное) между электродами формируется стример и происходит пробой, при этом электроны накапливаются на диэлектрическом барьере, создавая электрическое поле
противоположное внешнему, суммарное поле на промежутке
падает и микроразряд быстро прекращается (10~9 - 10~8 с).
При дальнейшем росте напряжения, в других местах барьера появляются каналы [28,5].
внутреннее поле ►
внешнее поле диэлектрический
барьер
Рис.1-1 Принцип действия диэлектрического барьера [5] .
Характерные параметры для БР в воздухе приведены в табл.1-1, следует ожидать , что данные значения не намного будут отличаться и для других газов [28].
Табл.1-1 Характеристики микроразряда БР в воздухе при атмосферном давлении.___________________________________
Параметры микроразряда Значения
Длительность 10"9-10 "8 с
Радиус канала ~ 10"' мм
Плотность электронов - 1014 -1015 см"3
Энергия электронов 1-10 эв
Температура газа в равна средней температуре
канале газа в зазоре
Так как поверхность барьера при появлении какала , в отличие от металлических электродов , не будет
эквипотенциальной, то по ней начнет развиваться
- Київ+380960830922