Физика высокочастотного разряда пониженного давления в процессах обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов

2
Оглавление
Основные условные обозначения и сокращения................................5
Введение..................................................................8
Глава 1. ВЧ разряды при пониженном давлении и области их применения 16
1.1. Характеристики высокочастотных разрядов при пониженном давлении и практическое их использование............................16
1.2. Методы обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов..........................................................35
1.3. Состояние и перспективы развития методов регулирования свойств капиллярно-пористых и волокнистых материалов........................46
1.4. Обоснование эффективности применения высокочастотной плазмы пониженного давления для обработки капиллярно-пористых и
волокнистых материалов.................................................57
1.5.3адачи диссертации.................................................61
Глава 2. Характеристики ВЧ разрядов пониженного давления в процессах
обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов...................63
2.1 .Особенности экспериментальных исследований характеристик ВЧ разрядов пониженного давления с продувом газа в процессах обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов...........................63
2.2.Методика и аппаратура для экспериментальных исследований потока плазмы ВЧ разряда пониженного давления в присутствии капиллярно-пористых и волокнистых материалов...........................66
2.3. Характеристики ВЧ разряда пониженного давления в процессах обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов..............99
Глава 3. Теоретическое обоснование возможности обработки капиллярнопористых и волокнистых материалов в ВЧ разряде пониженного давления 126
3.1. Теоретические исследования высокочастотных разрядов..............126
3.2. Постановка задачи численного моделирования.......................130
3
3.3. Математическая модель взаимодействия плазмы ВЧ разряда пониженного давления с капиллярно-пористыми и волокнистыми материалами...........................................................132
3.4. Результаты моделирования.........................................135
Глава 4. Взаимодействие капиллярно-пористых и волокнистых материалов с высокочастотным разрядом пониженного давления..............144
4.1. Методики измерений и исследования капиллярно-пористых и волокнистых материалов.............................................144
4.2. Физико-химические свойства капиллярно-пористых и волокнистых материалов, модифицированных ВЧ разрядом пониженного давления 169
4.3. Морфология и структура капиллярно-пористых и волокнистых материалов, обработанных ВЧ разрядом пониженного давления..........192
4.4. Воздействие объемной ВЧ - плазменной модификации на пористую структуру капиллярно-пористых и волокнистых материалов.............223
4.5. Функциональные свойства капиллярно-пористых и волокнистых материалов, обработанных ВЧ разрядом пониженного давления..........231
Глава 5. Физическая модель воздействия высокочастотной плазмы пониженного давления на капиллярно - пористые и волокнистые материалы.........................................................244
5.1. Основные факторы плазменного воздействия.........................244
5.2. Специфика взаимодействия плазмы ВЧ разрядов пониженного давления с капиллярно-пористыми и волокнистыми материалами.........251
Глава 6. Применение высокочастотного разряда пониженного давления в процессах обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов, а также материалов компактной структуры.............................256
6.1. Технологический процесс осушки и активации силикагеля............256
6.2. Процесс активации растительного сорбента.........................259
6.3. Процесс модификации синтетических материалов.....................262
6.4. Технологический процесс обработки натуральных капиллярно-пористых и волокнистых материалов животного происхождения..........264
6.5. Технологический процесс обработки натуральных капиллярнопористых и волокнистых материалов растительного происхождения 275
6.6. Процесс газонасыщения материалов сплошной структуры..........278
Выводы..............................................................281
Литература..........................................................284
Основные условные обозначения и сокращения
Условные обозначения
с - скорость света,
/) - коэффициент амбиполярной диффузии,
с/в - диаметр растекания капли воды на поверхности капиллярно
пористого и волокнистого тела, е - коэффициенты диффузии ионов и электронов,
е - заряд электрона,
Е = |Е| - модуль вектора напряженности электрического поля,
Еу - азимутальная составляющая вектора напряженности электри-
ческого поля,
Е. - энергия ионизации,
(7 - расход газа
Н2, Ну - аксиальная и азимутальная составляющие напряженности маг-
нитного поля,
Ьтд " ток индуктора,
] - вектор плотности тока и абсолютное значение плотности тока,
Л»Л - азимутальная и аксиальная составляющие плотности тока в
плазме
тс - масса электрона,
,775 - масса частицы сорта -у ,
пе, П( - концентрации электронов и ионов,
- концентрация частиц сорта $, р - статическое давление газа,
Рпотр. - мощность, потребляемая от сети всей установкой,
Рр - мощность, вкладываемая в разряд,
Рс - мощность, выделяемая в струе,
Ртп. - потери мощности за счет теплопроводности,
Рин. - потери мощности за счет излучения,
Р„ - разрывная нагрузка текстильных материалов,
<7, - плотность теплового потока на поверхность изделия,
О'Уй - джоулева диссипация энергии поля,
Ка - параметр шероховатости поверхности,
- активное сопротивление разряда при давлении р,
/ - время,
^ - время растекания капли дистиллированной воды на поверхно-
сти образца,
/аи - время охлаждения изделия в потоке газа,
Тф Т{ - температуры атомов и ионов,
Тс - электронная температура,
1]а - амплитуда ВЧ напряжения, приложенного к индуктору или
электродам,
V - вектор скорости потока плазмы,
уа - абсолютное значение скорости потока плазмы,
1 - аксиальная цилиндрическая координата (расстояние от среза
сопла плазмотрона), ар - коэффициент объемной рекомбинации,
уе,1 - критерии идеальности электронного и ионного газов,
Ге { - векторы плотностей потоков электронов и ионов,
<5 - доля энергии, передаваемая электронами атомам и ионам в уп-
ругих столкновениях, с0 - электрическая постоянная,
ес - средняя энергия электронов,
си - относительное разрывное удлинение материалов легкой про-
мышленности,
Ле - коэффициент электронной теплопроводности,
^Ч,е - подвижность ионов и электронов,
V - частота ионизации,
7
- эффективная частота упругих столкновений электронов со всеми частицами, р - плотность газа,
рс - плотность свободного заряда в СПЗ,
о - проводимость плазмы,
о& - временное сопротивление,
г - среднее время между столкновениями частиц,
со=2к/ - круговая частота электромагнитного поля,
Сокращения
ВАХ - вольтамперная характеристика,
ВММ - высокомолекулярные материалы,
ВЧ - высокочастотный,
ВЧЕ - высокочастотный емкостный,
ВЧИ - высокочастотный индукционный,
ИК - инфракрасный,
СВЧ - сверхвысокочастотный,
СПЗ - слой положительного заряда,
ЭПР - электронный парамагнитный резонанс.
8
Введение
Неорганические и органические, синтетические и натуральные капиллярно-пористые и волокнистые материалы широко применяются в промышленности и в быту. Физические и механические свойства этих материалов не вполне удовлетворяют современным требованиям, в связи, с чем возникает необходимость их модификации. Возможности модификации свойств этих материалов традиционными методами практически исчерпаны. Поэтому в настоящее время интенсивно исследуются возможности применения новых технологий, в том числе с использованием неравновесной низкотемпературной плазмы.
Эффективным методом модификации материалов различной физической природы является обработка в плазме высокочастотного (ВЧ) струйного разряда при пониженном давлении в диапазоне от 13,3 до 133 Па. Этот вид разряда характеризуется следующими параметрами: в разряде концентрация электронов пе= 1017 - 1019 м‘\ температура электронов Тс= 1-3 эВ, температура атомов и ионов до Тг 0,25 - 0,35 эВ, в плазменной струе пе= 1016 - 1018 м'3, Те = 1-2 эВ, температура атомов и ионов до 7/= 0,06 эВ. Плазма ВЧ разряда пониженного давления позволяет эффективно обрабатывать порошковые материалы, малогабаритные изделия, внутренние и наружные поверхности изделий сложной конфигурации. В последние десятилетия плазменные технологии стали применять для обработки тканей, нитей, полимерных материалов, обладающих капиллярно-пористой и волокнистой структурой [1].
Обработка в ВЧ разряде пониженного давления позволяет увеличить адгезию полимерных материалов к покрытию, изменить физические свойства натуральных, искусственных и синтетических капиллярно-пористых и волокнистых материалов [2]. Однако в настоящее время физика ВЧ разряда пониженного давления в процессах обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов не изучена, не установлена физическая сущность процесса взаимодействия ВЧ разряда пониженного давления с этими материалами. Все это сдерживает разработку плазменных установок и технологических процессов для моди-
9
фикации капиллярно-пористых и волокнистых тел и внедрение их в производство.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы комплексного исследования высокочастотного разряда пониженного давления в процессах модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов, позволяющих существенно повысить технологические и эксплуатационные характеристики изделий из этих материалов за счет целенаправленного изменения их структуры, физических и механических свойств.
В диссертации изложены результаты работы автора в период 1998 -2006 г.г. по исследованию высокочастотного разряда пониженного давления с продувом газа в процессах обработки различных капиллярно-пористых и волокнистых материалов, а также материалов компактной структуры. Работа выполнялась в Казанском государственном технологическом университете в рамках программы Министерства образования РФ №>417 "Взаимодействие атомных частиц с поверхностью - новые методы и технологии", по теме "Взаимодействие низкотемпературной плазмы с поверхностью твердых тел" 1992 -2000 гг., Федеральной программы «Концепция развития мехового комплекса России на 1999-2005 г.г.», Федеральной программы “Экологическая безопасность России” (шифр 8.1.38), при поддержке грантов АН РТ №> 06-6.4-113 и №> 06-6.4-299 по теме «Высокочастотная плазменная струйная обработка твердых тел компактной и капиллярно-пористой структур» 2002 - 2005 г.
В первой главе дан обзор известных экспериментальных и теоретических результатов, методов исследований и применений ВЧ разрядов пониженного давления. Проведен анализ распространенных методов модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов и рассмотрены их возможности в формировании различных свойств изделий. Установлено, что наиболее перспективными методами обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов являются разряды, создаваемые за счет высокочастотного электромагнитного поля при пониженном давлении.
10
На основе анализа литературных данных по модификации капиллярнопористых и волокнистых материалов сформулированы цель и основные задачи работы.
Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований ВЧ плазмы при пониженном давлении в процессах обработки капиллярнопористых и волокнистых материалов в сравнении с обработкой материалов компактной структурой.
В качестве образцов для обработки взяты капиллярно-пористые и волокнистые материалы (силикагель, сорбенты, полученные из рисовой лузги и гречишной шелухи, полиэтилен в виде мононитей, натуральная кожа и мех и целлюлозные нити), проводящие и диэлектрические материалы компактной структуры (нержавеющие стали, твердые сплавы, полиэтилен в виде пластин).
Обработка проводилась на ВЧ плазменной установке, состоящей из стандартных блоков и элементов, включающих в себя генератор, ВЧ индуктор и ВЧ - электроды, вакуумную систему, систему подачи плазмообразующего газа и диагностической аппаратуры.
Разработан исследовательский комплекс для проведения измерений параметров ВЧ разрядов при обработке материалов различной внутренней структуры.
Изучены энергетические, газодинамические и электрические параметры ВЧ разрядов пониженного давления в присутствии материалов различной внутренней структуры: мощность разряда, скорость потока плазмы, концентрация электронов, плотность ВЧ тока, напряженность магнитного поля, и положительный потенциал плазменного столба, плотность ионного тока на поверхность образца и энергия ионов бомбардирующих поверхность материалов, толщина слоя положительного заряда в окрестности обрабатываемых тел, ток утечки разряда внутри пористой системы.
Выполненные экспериментальные исследования позволили установить, что основными воздействующими факторами, способными модифицировать поверхность тела, являются низкоэнергетичная ионная бомбардировка, влияние
11
энергии рекомбинации ионов и термическое воздействие на внешнюю геометрическую поверхность образца. Внутренняя поверхность материала модифицируется под воздействием энергии рекомбинации ионов, возникающих при зажигании в поровом объеме несамостоятельного разряда без положительного столба.
В третьей главе, с целыо выяснения причин зажигания в поровом объеме несамостоятельного разряда без положительного столба, разработана математическая модель взаимодействия высокочастотных разрядов пониженного давления с диэлектрическими капиллярно-пористыми и волокнистыми материалами.
Модель построена в предположении, что рабочий газ является инертным и плазма состоит из частиц трех сортов: нейтральные атомы, электроны и положительные однозарядные ионы. В диапазоне давлений 13,3 - 133 Па и частот 1,76 - 13,56 МГц плазму высокочастотных разрядов пониженного давления можно считать сплошной средой, функцию распределения электронов по энергиям - максвелловской.
Плоский образец, помещенный в ВЧ плазму пониженного давления, рассекает ее на 2 части, в каждой из которых электроны продолжают совершать «качания» в своих промежутках. Поэтому рассмотрена модель, которая описывает свойства слоя положительного заряда (СПЗ) с обеих сторон образца.
Система, описывающая свойства СПЗ, включает в себя:
1) уравнение Пуассона для мгновенного значения потенциала (рпО,х) электрического поля относительно плазмы;
2) уравнения неразрывности электронного и ионного газов;
3) задачу Коши для уравнения динамики плотности поверхностного заряда СО тела;
4) уравнение Пуассона для потенциала электрического поля в капиллярно-пористом теле.
В результате расчетов установлено, что в соответствии с динамикой поступления ионов и электронов на поверхность образца, плотности поверхност-
12
ного заряда противоположных сторон образца и потенциал, создаваемый этими зарядами увеличиваются и уменьшаются в противофазе друг с другом.
Напряженности электрического поля, создаваемой в порах и капиллярах капиллярно-пористого и волокнистого материала в процессе обработки ВЧ плазмой пониженного давления достаточно для их пробоя. Пробой газа в порах и капиллярах происходит в моменты наибольшей напряженности электрического поля (Еш ~ (0,2 - 17,6)-104 В/м) с частотой 2со.
Таким образом, отличительной особенностью воздействия ВЧ разряда пониженного давления является то, что за счет разности потенциалов с противоположных сторон образца капиллярно-пористого и волокнистого материала в пористом объеме создается периодическое электрическое поле, напряженности которого достаточно для зажигания несамостоятельного ВЧ разряда.
Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований ВЧ плазменной модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов при пониженных давлениях.
В главе описаны комплекс методик исследования свойств капиллярно-пористых и волокнистых материалов, а также материалов компактной структуры, методик проведения экспериментальных исследований по взаимодействию ВЧ разряда пониженного давления с капиллярно-пористыми и волокнистыми материалами и телами компактной структуры. Представлены результаты исследований изменения состава, структуры, физико-механических и физикохимических свойств в результате обработки ВЧ разрядом пониженного давления. На основании анализа результатов ВЧ плазменной обработки всего комплекса материалов (силикагеля, сорбентов, синтетических нитей, полиэтилена в виде пластин, натуральных высокомолекулярных материалов, нержавеющих и конструкционных сталей, твердых сплавов) определены значения обобщенных параметров обработки, обеспечивающие оптимальные изменения свойств модифицируемых материалов.
13
В пятой главе рассмотрены физические процессы, происходящие в капиллярно-пористых и волокнистых материалах при обработке в плазме ВЧ разряда пониженного давления.
Воздействие ВЧ плазмы пониженного давления на капиллярно-пористые и волокнистые материалы является комплексным: происходит одновременно обработка внешней поверхности материалов и внутренней поверхности пор и капилляров, что дает возможность объемной модификации капиллярнопористых и волокнистых материалов.
В результате возникновения разряда внутри полимера и рекомбинации ионов на стенках пор происходит разрыв Ван-дер-ваальсовых и водородных связей в надмолекулярной структуре, что приводит к изменению аморфных и кристаллических фаз, релаксации внутренних напряженных состояний элементов надмолекулярной структуры, расщеплению пучков волокон, изменению соотношения размеров пор и их усреднение. При этом не происходит разрушения первичной, вторичной и третичной структуры полимера.
Следствием этого является релаксация внутреннего напряженного состояния, разрыхление и упорядочивание волокнистой структуры, изменение пористости материала, что в свою очередь приводит к изменению физических свойств.
В материалах компактной структуры ионы проникают в приповерхностный слой образца на глубину до 2 нм. В результате внутри кристаллической решетки создается дефектные структуры, которые диффундируют вглубь материала до глубины 20 нм, одновременно с этим происходит процесс диффузии имплантированных ионов плазмообразующего газа, который связывается с образованием твердых растворов или химических соединений.
Шестая глава посвящена разработке технологических процессов обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов, а также материалов компактной структуры.
Установлено, что наиболее целесообразным являются применения ВЧ разрядов пониженного давления для увеличения износостойкости металлов,
14
выравнивания поверхностных свойств материалов, регулирования характеристик капиллярно-пористых и волокнистых материалов. Полученные результаты позволили разработать спектр процессов модификации изделий из капиллярнопористых и волокнистых материалов и материалов компактной структуры.
Созданный комплекс оборудования и технологических процессов позволил повысить качество, надежность и долговечность изделий легкой и химической промышленности. Экономический эффект от внедрения составил 15000 тыс.руб.
Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение ряда важнейших прикладных задач, имеющих большое народнохозяйственное и социальное значение и заключающуюся в создании комплекса новых процессов модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов для улучшения эксплуатационных, потребительских и технологических свойств изделий, с применением ВЧ разряда при пониженном давлении.
На защиту выносятся следующие научные положения и выводы
1. Результаты экспериментальных исследований характеристик ВЧ разряда пониженного давления с продувом газа в присутствии капиллярно-пористого и волокнистого материала, характеристик СПЗ, возникающего в окрестности обрабатываемого тела, и характеристик несамостоятельного разряда в пористом объеме материала.
2. Математическая модель СПЗ, описывающая взаимодействие ВЧ разряда пониженного давления с поверхностью в процессе обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов различной физической природы.
3. Закономерности изменения свойств капиллярно-пористых и волокнистых материалов неорганической и органической природы, а также материалов компактной структуры в результате воздействия ВЧ разряда пониженного давления.
4. Физическая модель ВЧ плазменной обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов, описывающая механизм возникновения несамостоятельного разряда в капиллярах и порах изделия.
5. Технологии модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов с применением ВЧ разрядов пониженного давления, позволяющие за счет объемной обработки регулировать эксплуатационные свойства материалов.
Большую консультационную помощь при выполнении данной работы оказал профессор д.т.н. Кудинов Владимир Владимирович, за что я ему искренне признателен.
16
Глава 1. ВЧ разряды при пониженном давлении и области их применения
В главе описываются характеристики высокочастотных разрядов пониженного давления. Приводятся результаты применения данных разрядов для обработки различных материалов. Дан анализ методов обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов. На основе анализа литературных данных по модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов сформулированы цель и основные задачи работы.
Результаты, приведенные в главе, опубликованы в работах [3 - 5]
1.1. Характеристики высокочастотных разрядов при пониженном давлении и практическое их использование
Эффективным инструментом модификации поверхности материалов различной физической природы является плазма ВЧ разрядов в различных диапазонах давления плазмообразующего газа. Среди ВЧ разрядов по своим свойствам выделяются разряды при пониженном давлении от 13,3 до 133 Па. Достоинством применения таких разрядов для обработки материалов является возможность получения существенно неравновесной плазмы, а также возможность избежать разрушения электродов и других элементов конструкции плазмотронов.
Под ВЧ разрядом обычно понимают разряд возбуждаемый электромагнитным полем, колеблющимся с частотой/ [6]
/ = — ~0,4-ИООМГц 2/г
где со - круговая частота электромагнитного поля. Для ввода энергии в газовый разряд применяют разрядные камеры и плазмотроны различных конструкций, которые определяются типом частотного разряда, пробой и зажигание разряда в ВЧ плазмотроне происходит под действием электрического поля индуктора или электродов.
Значительное распространение получают высокочастотные разряды в технологических процессах: полировки, очистки и травлении поверхности, нанесения покрытий на изделия любой формы и конфигурации из различных материалов. ВЧ разряды позволяют нагревать различные газы: инертные (аргон, гелий, неон, ксенон, криптон), молекулярные (водород, кислород, азот и т.п.) и их смеси. Возможно получение ВЧ плазмы из паров воды, а также плазмы паров металлов (ртути и др.) и органических газообразных соединений (СН.} и др.). Подача газа в разрядную камеру плазмотрона производят аксиально или тангенциально.
Наиболее часто употребляемым в плазменных технологических процессах является плазмообразующий газ аргон. Лргон используется, когда необходимо осуществлять плазменный процесс в защищенной от окисления среде. Это относится к большинству случаев обработки металлов и сплавов, карбидов, нитридов, боридов и др. Аргоновая плазма используется также для спектрального анализа. Высокочастотный разряд в аргоне, за счет низкого потенциала ионизации, легко зажечь даже при атмосферном давлении без дополнительных мер, т.е. введением в зону индуктора вольфрамового или графитового электрода или предварительного понижения давления в разрядной камере. В аргоновой среде получены многие покрытия.
К основным параметрам ВЧ разряда пониженного давления без расхода газа относятся критическое напряжение зажигания, напряжение поддержания разряда, мощность, потери за счет теплопроводности и излучения, электронная температура, температуры ионного и нейтрального газов, проводимость плазмы, концентрация электронов, ионов и нейтральных частиц, напряженности электрического и магнитного полей, термический коэффициент полезного действия (КПД) плазмотрона, кольцевой ток в плазме. В ряде электроплазменных процессов основной технологической зоной является плазменная струя. Поэтому требуется знание и ее параметров.
Начиная с 1961 - 1963 г.г. в нашей и зарубежной печати появляется много работ, посвященных экспериментальному исследованию индукционных разря-
дов атмосферного давления, как в замкнутых сосудах, так и в потоке газа [7 -14]. Большой вклад в исследования высокочастотной индукционной плазмы атмосферного давления в потоке газа внесли ученые института металлургии и материаловедения РАН - Рыкалин H.H., Кулагин И.Д., Цветков Ю.В., Сорокин Л.М. и др. [15 -19].
Плазма высокочастотного индукционного разряда при атмосферном давлении нашла широкое практическое применение и области ее использования постоянно расширяются [20 - 36]. Обширные исследования высокочастотного индукционного разряда в потоке газа при атмосферном давлении проведены Дресвиным С.В., Донским A.B., Клубникиным B.C. [37, 38].
Разряд при средних давлениях занимает промежуточное положение по своим свойствам между разрядами при пониженном и атмосферном давлениях. Потери электронов из разряда при средних давлениях обусловлены не только их диффузией и рекомбинацией на стенках камеры, но и объемной рекомбинацией. При средних давлениях необходимо учитывать такой механизм теплоотвода, как теплопроводность [11]. Наиболее полные экспериментальные исследования ВЧИ разряда в этом диапазоне давлений проведены авторами работ [II, 12,39-41].
Впервые вопрос о возможности применения емкостного разряда возник, когда Г.И. Бабат наблюдал в некоторых режимах горения ВЧ емкостного разряда интенсивное образование оксидов азота [42, 43]. В этом направлении работают ИМХС РАН им. Топчиева, ИТФ СО РАН, ИМП РАН, а также целый ряд зарубежных фирм: "Kokusai - Elektric" (Япония), "International Standart Corporation "(США), "STEL" (Франция), "Humphreys Corporation "(Англия) и др. [44 -46].
В настоящее время, в связи с развитием неравновесной плазмохимии и потребностями ряда отраслей промышленности в изделиях, к эксплуатационным характеристикам которых предъявляются повышенные требования (износостойкость и коррозионная стойкость, высокая твердость, однородность микроструктуры поверхности), все большее практическое применение находит
19
плазма высокочастотного индукционного (ВЧИ) и высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разрядов пониженного давления. ВЧИ и ВЧЕ разряды, имеют ряд специфических свойств, присущих разрядам при пониженных давлениях: существенный отрыв электронной температуры от ионной, повышенная стерильность окружающей среды, возможность получения сверхзвуковых высокотемпературных потоков. Поэтому более подробно рассмотрим состояние экспериментальных исследований и практических применений этих разрядов.
1. 1.1 Экспериментальные исследования параметров высокочастотного разряда пониженного давления
Стационарный индукционный разряд пониженного давления
В работе Бабата Г.И. [47] рассмотрены два типа индукционных разрядов. В работе показано, что при падении давления возникает слабый Е-разряд. Затем, при дальнейшем понижении давления этот Е- разряд превращается в мощный Н-разряд. Сведения о напряжении зажигания Ц^р и напряжении поддержания разряда ир имеются в [48, 49]. В ранней работе [48] показано, что механизм пробоя и величина ЬТкР в ВЧИ разряде пониженного давления зависят ог способа от состава газа, давления, частоты электромагнитного поля и линейных размеров газового промежутка. В работе [49] указывается, что Ср пропорционально потенциалу ионизации газа (плазмообразующий газ - гелий, неон, аргон, криптон, азот). Для кислорода и окиси углерода имеется некоторое отклонение от пропорциональности.
Мощность разряда
Обширные исследования индукционного диффузного разряда проведены
Кабанном [50, 51]. При этом рассматривался как чисто индукционный разряд, так и разряд с электростатической составляющей. Исследованию мощности разряда посвящены также работы [12, 37, 52 - 57]. Данные по микроволновому излучению приведены в [58]. В диапазоне давлений 0,133 - 1,33 Па обнаружены рентгеновское и надтепловое микроволновое излучение на электронной плазменной частоте.
20
Анализ вышеперечисленных работ позволил сделать следующие выводы. При увеличении мощности разряда Рр и напряжения на индукторе Umd мощность разряда монотонно возрастает (/*= 1 - 60 МГц, Рр - 400 Вт - 200 кВт, плазмообразующие газы: аргон, неон, ксенон, криптон, водород, воздух, диаметры разрядных камер варьировались от нескольких сантиметров до 10 см). Зависимость Рр от давления р нелинейная. Однако в интервале от 66,5 Па до 1330 Па мощность в разряде остается постоянной.
В диапазоне давления 1,33 + 2660 Па мощность излучения Ри11 составляет всего несколько процентов от Рр и ее можно не учитывать в балансе мощности. Зависимость Рр от частоты поля нелинейная и имеет несколько локальных экстремумов.
Обзор значительного количества работ посвященного применению ВЧ разрядов приведен в обзорном докладе [59].
В этой работе, в частности, описан «геликоновый» источник плазмы работающий на частоте 13,56 МГц и мощности разряда от 50 до 800 Вт, давлении газа 0,3 Па в среде газов CHF3 и SF6 [59].
Цилиндрический индукционный разряд на частоте 0,46 МГц и мощности 0,5 - 1,5 кВт зажигался в среде Аг и О2 при давлении 5 мТор [59].
Плоский индукционный разряд (в фирме IBM Research Division, New York) [59] поддерживался на частоте 13,56 МГц, мощности до 1 кВт, давление в камере от 0,5 до 100 мТор.
В инженерном исследовательском центре университета Висконсин - Медисон, используемое ВЧ поле имело также частоту 13,6 МГц, мощность до 500 Вт, давление от 0,5 до 100 мТор плазмообразующего газа аргона, ток катушки 38,6 А, напряжение 2,85 кВ.
В работе [59] исследовались области используемых давлений (0 ■?* 100 Тор) плазмообразующего газа аргона, мощностей (25 + 200 Вт) и частот (3,39, 6,78 и 13,56 МГц).
21
Высокочастотный магнетрон, описанный в [59] работает на частотах 1,8 и 13,56 МГц, при давлении аргона 0,4 Па, напряжение ВЧ разряда до 1390 В при токе разряда до 1 А, напряженность магнитов 100 и 200 Гс.
В комбинированном магнетронном и индукционном разряде использовался ВЧ генератор с частотой 13,56 МГц, мощностью 1,3 кВт и мощность магнетрона до 3 кВт [59]. Давление аргона 36 мТор, радиус камеры 25 см, длина камеры 30 см.
Температуры электронов, ионов и нейтрального газа
Для определения Тс в высокочастотном индукционном разряде пониженного давления в настоящее время наиболее часто используют зондовые и спектральные методы [37, 54, 55, 60 - 62]. Зависимость Тс от давления и цилиндрической координаты г в [63] исследована с помощью эмиссионной спектроскопии.
Кононенко В.И. [64] определял электронную температуру по измеренной относительной интенсивности линий гелия (4922/4713), напускавшегося в камеру как небольшая добавка к основному рабочему газу.
В [55] электронная температура оценивалась также по мощности, дисси-пируемой на стенках.
Анализ работ, в которых производилась оценка Те, показывает, что в диапазоне изменения давления от 0,0133 до 7980 Па плазма является существенно термически неравновесной. Электронная температура на порядок и выше превосходит ионную температуру, т.е. нарушается локальное термодинамическое равновесие (ЛТР). При увеличении давления наблюдается уменьшение электронной температуры. В центре разряда Тс принимает свое максимальное значение и спадает к стенкам разрядной камеры. При этом градиент электронной температуры вдоль г незначителен. Однако мало работ, в которых дан полный перечень входных параметров работы плазмотрона, что затрудняет сделать более полные обобщения по Те в индукционном разряде пониженного давления.
22
Зондовые измерения в «геликоновом» источнике, описанном выше, показали, что энергия электронов составляла 3 + 5 эВ, при давлении аргона 0,13 Па и мощности разряда 0,8 к Вт [59].
Концентрация электронов и ионов и проводимость плазмы
Величины концентрации электронов пе и концентрация ионов я,- неразрывно связаны с Те и обычно определяются теми же способами, что и электронная температура. Авторы работ [51, 54, 60 - 65] одновременно с определением Те рассчитывали и пе.
Радиальное распределение концентрации электронов, исследованное в [66] с помощью трехзондовой системы, совпадает с распределениями, приведенными в [51,54].
Исследованию закономерностей изменения пс и функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) отрмРр посвящены работы [55,67, 68].
Анализ данных, приведенных в вышеперечисленной литературе, показал, что возрастание иипд и Рр приводит к росту о. На оси плазмотрона о принимает свое максимальное значение и уменьшается до нуля на стенке [39, 69].
ФРЭЭ в инертных газах при р < 133 Па близка к максвелловской [67]. Формы радиальных распределений пе и <т аналогичны. С повышением р концентрация электронов возрастает (р = 0,133 - 665 Па, пе = 1,9-10° - 4,4-1015 см'3). С ростом мощности разряда пе увеличивается.
С помощью фотографирования разряда через нейтральные светофильтры в работе [11] определены его геометрические параметры и зависимость от Рг Полученные данные позволили установить, что в диапазоне давлений от десятков до сотен Паскаль существует индукционный диффузный разряд. По оценкам авторов работы частота упругих столкновений электронов с атомами и ионами приблизительно равна 109 с’1. В этой работе показано, что токи смещения при частотах поля порядка 10 МГц много меньше токов проводимости.
В [51] для №, Аг, Кг, Хе приводятся данные по подвижности ионов и электронов, коэффициентам амбиполярной диффузии, средней длине свободного пробега атомов и электронов.
23
Данные по средним длинам пробега электронов в условиях эксперимента, а также суммарная вероятность столкновений приводятся в [49], а по коэффициенту амбиполярной диффузии, плотности тока амбиполярной диффузии в [57].
Однако во многих работах отсутствует оценка таких параметров, как де-баевский радиус экранирования, длина свободного пробега, что затрудняет сравнение результатов этих работ. Ыет данных о степени ионизации, отсутствует полный набор входных параметров плазмотронов. Все это говорит о том, что имеющиеся экспериментальные результаты дают лишь качественную оценку пе и о.
Электромагнитное поле
Кабанн Ф. [70] исследовал изменение напряженности электрического поля на стенке разрядной камеры от давления.
В [71] вихревым зондом измерено индуцируемое напряжение в разрядной камере.
В [37, 72] приводятся результаты измерений, произведенных с помощью магнитного зонда. Установлено радиальное распределение магнитного поля по величине и фазе (р = 1,33 Па,/= 15 МГц).
В [54] в импульсном ВЧИ разряде пониженного давления ВЧ магнитное поля в индукторе измеряли магнитным зондом без плазмы и с плазмой.
В [73] измерялись модуль и фаза ВЧ магнитного поля в плазме азота и углекислого газа в импульсном ВЧИ разряде низкого давления.
В [37] указано, что при давлении 13,3 Па форма разряда связана с процессами диффузии. Как показали исследования этих авторов, емкостной ток составлял менее 1 % от индукционного тока.
Результаты исследований плазменных струй аргона, азота, приведены в [74, 75] (сI = 40 мм,/« 40 МГц, РК0Л = 25 кВт, Рр = 1,5-2 кВт, ииид = 30 В).
Авторы [76] исследовали форму разряда и влияние давления на энергетический баланс установки (аргон,/= 2,6 МГц, с1- 24 мм, Рр = 13 -18 кВт). В ВЧИ разряде пониженного давления напряженность электрического поля при изме-
24
нении давления от 0,665 до 339 Па меняется от 2,5 до 50 В*см', а Нтах = 1280 А-м’1. Результаты дальнейших исследований энергетических характеристик изложены в [56].
1.1.1.2 Экспериментальные исследования ВЧЕразрядов
При исследованиях ВЧЕ разрядов уже в первых работах [77, 78] отмечались отличия в характеристиках ВЧ пробоя по сравнению с характеристиками зажигания разряда на постоянном токе. Эти отличия выражаются в резком, скачкообразном понижении потенциала зажигания при увеличении давления р, частоты внешнего поля/ или межэлектродного расстояния, в меньшем значении напряженности электрического поля. В работе [79] проведены измерения приэлектродного падения потенциала, напряженности электрического поля и электропроводности в положительном столбе высокочастотного разряда в рту-
л
ти, гелии и неоне при изменении давления от 10‘‘ до 1330 Па и частоты от 1,25 до 22,5 МГц. Наблюдалось уменьшение падения потенциала в приэлектродной области при возрастании частоты колебаний. Максимальная электропроводность имеет место для ртути на частоте 17,5 МГц и при давлении 0,2 Па, для гелия соответственно при 7,5 МГц и 133 Па.
Типичные характеристики напряжения зажигания, полученные в работе [80] указывают на существование двух устойчивых форм разряда, названных а и у - разрядами. Свечение при а или слаботочном разряде, наблюдалось в средней части разрядного промежутка в виде диффузного светящегося облака. При возникновении у -, или сильноточного разряда, свечение локализировалось у поверхности электродов и состояло из нескольких различно светящихся слоев, которые по своему цвету, порядку следования и толщине напоминали катодные части обычного разряда постоянного тока.
В работе [81] описано возникновение обоих форм разряда в чистом неоне в интервале давлений 15+ 40 Па. При изменении напряжения между электродами 110 от 700 до 1300 В величина Те измеренная по методу двух зондов в слабо-точном и сильноточном разряде остается постоянной. Концентрация возбуж-
25
денных атомов в у - разряде в 3 - 4 раза выше, чем в а - разряде на тех же уровнях.
В [82] приводятся результаты экспериментального изучения сильноточного ВЧЕ разряда с плотностями тока вблизи электродов, на порядок превышающими для исследованных давлений при нормальной плотности тока в обычном тлеющем разряде, но с пространственно однородным и устойчивым к контракции положительным столбом. Исследования проведены на воздухе, азоте, СО2, гелии при давлении 150 Па.
При таких же условиях в работе [83] экспериментально исследуются обе формы разряда. Проведенные измерения активной проводимости разрядного промежутка и распределении напряжения постоянного электрического поля 1)0 указывают на слоистую структуру ВЧЕ разряда среднего давления.
Для сильноточного разряда проведены исследования влияния межэлек-тродного расстояния на максимально возможный поперечный размер пространственно-однородного ВЧЕ разряда [84].
Для слаботочного разряда установлено [85], что увеличение р или I приводит к росту проводимости приэлектродных слоев. На вольтамперной характеристике ВАХ разряда наблюдается скачок в молекулярных газах, как и в [80]. В инертных газах четко выраженный на вольт амперной характеристике переход из одного режима горения в другой заметен лишь при достаточно больших давлениях (р = 10 кПа).
Экспериментальные ВАХ и зависимость концентрации электронов от напряжения на электродах иэ, полученные в [86] при различных частотах, показывают линейный рост иэ с увеличением ВЧ напряжения и квадратичную зависимость иэ от частоты для а — разряда. Эксперименты показали, что при переходе ВЧ разряда в у - режим происходит перераспределение плотности плазмы (максимум плотности смещается от центра к электродам), падение электронной температуры (в несколько раз) и снижением напряженности ВЧ поля в плазме (до двух порядков). При этом наблюдается значительный рост плотности плазмы.
26
В работах, выполненных в МГУ им. М.В.Ломоносова [87 - 89], исследовались зависимости величины потенциала плазмы 110 от основных параметров ВЧ разряда: (/»/ р, рода рабочего газа, а также от материала электродов. Исследование пространственного распределения По [87] электростатическим зондом показано, что почти все падение потенциала О0 происходит в приэлектрод-ных областях. Продольный градиент и о в центральной области не превышает долей В/м. Установлено, что при малых значениях приложенного ВЧ - напряжения ио (до 260 В при £= 1,3 МГц) и концентрации электронов (пео = 1,3*1014 м‘3) экспериментальные точки распределения концентрации электронов близки к кривой "переходной диффузии". Повышение частоты ВЧ поля при иу <200 В приводит к установлению режима амбиполярной диффузии (псо> 1015м'3).
Исследования стационарного симметричного емкостного ВЧ разряда в гелии и неоне в области давлений 10-1300 Па и диапазоне частот 0,5 - 12 МГц проведено в [88,90, 91].
В [92] показано, что потенциал пространства и электронная концентрация имеют симметричное распределение относительно электродов, достигают максимального значения в середине разрядного промежутка и зависят от давления, природы газа, диаметра трубки и разрядного тока. С увеличением давления температура электронов и потенциал пространства монотонно уменьшаются, а концентрация электронов с ростом давления от 13,3 до 40 Па возрастает до некоторого максимального значения (5*1014 м'3).
В работах [93, 94] предложен механизм установления стационарного состояния ВЧЕ разряда пониженного давления, в основе которого лежит представление о двух стадиях развития разряда. По распределению интенсивности свечения вдоль длины разрядного промежутка определялась толщина приэлек-тродного слоя с1сл.
Одной из принципиальных проблем изучения ВЧЕ разрядов является достоверное измерение мощности ВЧ поля, вводимой в разряд. Оценка ВЧ мощности Рр, поглощаемой плазмой от ВЧ поля, в [95] произведена по измере-
27
нию продольного электрического поля с учетом данных из [96]. В [97] для определения ВЧ мощности в разряде использован тог факт, что газ в разрядной камере поглощает различные энергии ВЧ поля в отсутствии и при наличии плазмы. В ряде других работ [98, 99] измерения мощности проводились кало-риметрированием по известной методике [100, 101].
Измерения структуры электрического поля показали [102], что контраги-рованный разряд при достаточно удаленных электродах находится в электрическом поле, близком к однородному. В объемном разряде поле возрастает от середины разряда к его границам. По измеренному магнитным зондом магнитному полю восстанавливалась плотность тока и сравнивалось с радиальным рас-пределеним плотности тока в контрагированном разряде. На расстоянии 0,1 -0,2 радиуса от оси плотность тока уменьшалась на 1,5-2 порядка, а в объемном разряде она достаточно плавно понижалась до нуля от оси разряда к стенке. Концентрация электронов для контрагированного разряда 1019 м'3 и объемного 1017 м’3 оценивалась по току.
В работе [103] установлено, что при увеличении давления от 13,3 до 133 Па в плазме ВЧ разряда в азоте плотность электронов изменялась от (7,8 ±0,9)* 1016 м’3 до (3,8 ± 0,5)* 1017 м’3. Результаты измерений функции распределения электронов по энергиям при токе разряда 1Р = 200 мА показали, что при р = 13,3 Па она незначительно отличается от максвелловской.
В работах [104 - 106] использован метод оценок параметров неравновесной молекулярной плазмы из стационарного баланса заселенности электронноколебательных уровней.
Работа [107] посвящена определению вращательной температуры частиц плазмы ВЧ разряда пониженного давления при плазмохимической обработке поверхности.
Исследования по определению энергии, концентрации и средней скорости электронов с помощью электрических зондов Ленгмюра проведены в работе [108] в процессе осаждения пленок БЮг, 81Ы4 и их композиций на структуры ваАБ и СэАбР. Установлено, что повышение давления от 3,33 до 13,3 Па при-
28
водит к уменьшению энергии электронов от 6,5 до 1,7 эВ, что объясняется увеличением вероятности рекомбинационных процессов и уменьшением длины пробега электронов.
С увеличением напряжения на электроде от 0,32 до 0,56 кВ величина потенциала плазмы увеличивалась с 13 до 30 В.
В [109, 110] проведены экспериментальные исследования функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в поперечном и продольном ВЧЕ разрядах, а в [111] в поперечном.
В [112, 113] проведено сравнение закономерностей распыления электродов в разряде постоянного тока и ВЧЕ разряда. Установлено, что распыляе-мость меди и титана в аргоне и аммиаке при всех условиях эксперимента [112] в высокочастотном разряде оказалась выше, чем в тлеющем. Это подтверждает положение о том, что при прохождении близких разностей потенциалов ионы в ВЧ разряде испытывают меньше столкновений [113].
В работах [114, 115] проводились экспериментальные исследования динамических процессов при фазовых переходах в плазменно-пылевых структурах в приэлектродном слое ВЧ разряда. В процессе эксперимента наблюдалось изменение фазового состояния пылевого облака AI2O3 диаметром частиц 3-5 мкм и плотностью 2,4 г/см3. Этот процесс происходил в течении конечного времени 12 с. и имел определенную скорость фронта плавления частиц AI2O3.
Авторами [89, 116, 117] выдвинута гипотеза, что результирующее поле в приэлектродных слоях пространственного заряда является не высокочастотным знакопеременным, а представляет собой импульсы постоянного поля. Это подтверждается сверхскоростной фотосъемкой свечения приэлектродного слоя пространственного заряда. Обнаружена зависимость квазистационарного скачка потенциала в слое от материала электрода и рода газа и установлен характер частотной зависимости квазистационарного скачка потенциала. Параметры электронных пучков в приэлектродных областях емкостного высокочастотного разряда равны: плотность 105 - 108 см'3 и энергия 50 - 5000 эВ. В разряде в Не при уменьшении давления от 0,5 до 0,02 Тор эффективное сечение рассеяния
29
электронов пучка возрастало в 200 раз. В данной работе использовался безрас-ходный режим поддержания разряда.
В работе [118] показано, что комбинированный стационарный пучковоплазменный и емкостной высокочастотные разряд действует в широкой области давлений р- 10'5 - 10 Тор. Плотность плазмы в зоне пучка достигает пе- 10п - 10й см"3. Температура электронов плазмы составляет 2-5 эВ, что близко к оптимуму для поведения плазмохимических реакций. При плотности электронного пучка > 109 см’3 в плазму выделяется > 40% его мощности. Благодаря действию ВЧ поля, поверхность приобретает потенциал смещения. Что дает возможность формировать поток ионов с энергией, регулируемой в пределах 0- 500 эВ.
Зависимость длины разряда от давления представлена в [119].
В таблице 1.1 представлены результаты экспериментальных исследований ВЧЕ разрядам авторов [59,79 - 88,91 - 94,98,99, 102 - 105,120 - 123].
Таким образом, из представленного обзора работ можно сделать следующие выводы:
1. В настоящее время практически отсутствуют экспериментальные данные по концентрации ионов и электронов, расходу газа, ионной составляющей плотности тока при обработке материалов имеющих капиллярно-пористую и волокнистую структуру.
2. При обработке материалов компактной структуры ВЧИ разрядом пониженного давления напряженность электрического поля при изменении давления от 0,665 до 339 Па меняется от 2,5 до 50 Всм"1, а Нтах = 1280 А-м"1.
3. В плазменном потоке ВЧ разряда при пониженных давлениях существуют электромагнитные поля. При сравнительно небольших мощностях в высокочастотном разряде пониженного давления плазменный поток имеет высокую степень ионизации. Концентрация заряженных частиц достигает 1015 см"3 при давлениях порядка 100 Па, при этом наблюдается существенный отрыв электронной температуры от температуры тяжелых частиц.
30
Таблица. 1.1 Экспериментальные данные по ВЧЕ разряду
Источник Рг, кВт Р, Па /;мгц А, см Орк, СМ и см
1 2 3 4 5 6 7
[80,91] 0,1 < 133 1-70 4,2 1,2 1,76-3,52
[81] - 15-40 6 1,2 1,2 7
[82,83] 3 1,33- 3-104 1,3; 40 13; 10 - до 10
[87] - 65 1-15 10 10 6
[88] - 10-1300 0,5-12 - 5-8 -
[92] - 9-133 5; 130 3,2 3,2 -
[93,94] 0,8 53,2-3990 3,3; 6; 12 7 4 -
[79] - - 1,25-22,5 5,1-5,2 5,1-5,2 40-100
[98] 3-8 атм. 17,3 7 2,5-5,2 7,35
[99] - 0,2-7,5 - - - -
[120] 5(2,2-4.1) - 150 - 3,5 9,16
[121] 0,4 0,4-13,3 6,6 1-4 1-4 5-140
[122] - 1,33-13,3 7,1 Коаксиал! ,ные элек троды
[102] - атм. 13,7 Дрк & Дрк
[103] - 13,3-133 40 - 4,5 -
[104, 105] до 5(3) (2,7-6,7)- 10'3 - 3,2 3,2 15
[123] - (7-47)- 13,7 - - -
[59] 500 - 800 0,3 13,56 200 250
31
Продолжение таблицы 1.1
Источник и, кВ /,> А л* 10'9 т 1 с ю*4, /г кВ/м Газ
1 8 9 10 11 12 13
[80,91] до 0,8 - 1-10 - - Н2, Аг
[81] 0,7- 1,3 - 1-10 6,7-8,1 - Ые
[82, 83] до 0,6 до 10 - - - N2, С02, Не, воздух
[87] 0,04-0,68 - 0,1-1 3-9 0,4(1*) Не
[88] 0,1-1 - - - - Не, Ые
[92] - 0,5-0,1 - 4-10 - Не, Ые
[93,94] 0,05 -2,1 10-2-0,2 1 - - воздух
[79] - 0,1 - - 0,05-0,7 Не, Ые, пары ртути
[98] 3-8 0,5-3 - 0,4-0,45 - воздух, 02
[99] - - - до 20 - воздух, 02
[120] - 1,5-4 1 - - Аг, Н2
[121] - - 0,1-10 - - Аг, Кг, Хе, Не, Ые
[122] - 10-100 4,6-11,6 0,1-3,5 Не
[102] - - 0 К) 1 о •и 1,4-1,6 10-50(0,1*) воздух, С02, о2
[103] - 0,2 78-380 10-13 - N2
[104, 105] 0,6-16 до 4 10-103 - 14* N2
[123] - - - - 30(1500*) С02
[59] - - ю4 - - 8Г6, Аг
Данные, приведенные в этих работах, дают возможность сделать вывод, что не только высокочастотный индукционный разряд пониженного давления, но и струя плазмы высокочастотного индукционного разряда пониженного давления обладает рядом специфических свойств, высокая заряженных частиц 1015 см'3 при давлениях порядка 100 Па, большая мощность, выделяемая в раз-
32
ряд большая, например до 500 Вт, при давлении от 0,5 до 100 мТор при использовании плазмообразующего газа аргона, ток катушки 38,6 Л, напряжение 2,85 кВ. Это позволяет отличить плазменный поток высокочастотного индукционного разряда пониженного давления от плазменных струй других видов разряда, истекающих в вакуум.
Работы, в которых приводятся результаты экспериментальных исследований ВЧ разряда пониженного давления в процессах обработки капиллярнопористых и волокнистых диэлектрических материалов отсутствуют.
1. 1.2 Области применения ВЧ разрядов пониженного давления
Важным применением высокочастотного индукционного разряда пониженного давления является обработка материалов с целью придания их поверхности заданных свойств. Использование индукционного диффузного разряда для обработки материалов основано не только на его термическом воздействии, как это имеет место при применении ВЧИ разряда атмосферного давления, но и на процессах, связанных с термической неравновесностыо данной плазмы.
В работе [124] рассмотрена возможность использования ВЧИ разряда пониженного давления в качестве эталона излучения. В работе [75] высокоскоростной поток получают расширением в газодинамическом сопле газа пониженной плотности, нагретого до высоких температур Т = 2000 — 5000 К. Для ионизации и нагрева газа применен высокочастотный безэлектродный разряд.
Высокотемпературные потоки газа пониженной плотности используются в вакуумных аэродинамических трубах для получения высокоскоростных свободномолекулярных потоков нейтрального газа.
Данные по использованию ВЧИ разряда с целью повышения электропроводности газа, который применяется для генерирования электроэнергии, можно найти в [125].
В работе [126] показано, что при использовании в накачке лазеров ВЧ предионизации, снижается катодное падение потенциала в тлеющем разряде с холодным катодом, при этом также повышается КПД лазера. Интерес представляют попытки возбуждения полых диэлектрических волноводов попереч-
33
ным ВЧ полем [127]. При этом снижается рабочее напряжение и отпадает необходимость во внутренних металлических электродах.
В работе [128] указывается на возможность использования ВЧИ разряда пониженного давления для очистки поверхности стекла от органических соединений, влаги, мелких частиц, удаления микродефектов. В работах [129, 130] приведены результаты по очистке и полировке подложек из стекол КБ, К8. В результате плазменного воздействия исчезают микродефекты поверхности, имеющие размеры от 0,1 до 1 мкм. Аналогичные результаты получены и при взаимодействии плазмы ВЧИ разряда с образцами из платиноиридиевых электродов.
Авторы [131] показали возможность придания поверхности политетрафторэтилена гидрофильных свойств путем обработки его в ВЧИ разряде пониженного давления (/*=40 МГц, Рр = 40 Вт, р = 9,31 - 13,3 Па, плазмообразующий газ аргон, азот, кислород, пары воды). ВЧИ разряд используется для накопления стабилизированных свободных радикалов водорода, двойных связей и сшивок в поверхностных слоях полиэтилена [132] (р = 1,33-^6650 Па, Рр= 1,5 Вт, плазмообразующий газ — гелий, водород, воздух, частота следования импульсов 50 Гц, длительность импульса 5 мке, частота в импульсе — 500 кГц).
Большой вклад в развитие плазмохимии вообще и разработок плазмохимических процессов с применением ВЧИ разряда пониженного давления, в частности, внесла Российская школа, возглавляемая проф. Л.С. Полаком. В [106, 133, 134] обосновано применение ВЧИ разряда в плазмохимии и указан ряд преимуществ использования данного вида плазмы перед дуговой плазмой при проведении некоторых химических реакций.
Получение полимерных пленок разложением кремнийорганических соединений рассматривается в [135]. Основным достоинством плазмохи.мическо-го метода получения пленок является возможность снижения температуры подложки, на которой образуется пленка, и улучшение многих практически важных свойств пленки [136].