СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ ЗОНДАМИ ЛЕНГМЮРА С ВЫВОДАМИ, ЗАЩИЩЁННЫМИ НЕИЗОЛИРОВАННЫМИ СНАРУЖИ ЭКРАНАМИ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H01J37/00 

Заявляемая группа изобретений относится к экспериментальной технике диагностики плазмы.

Известен способ зондовой диагностики высокочастотной (ВЧ) плазмы путем введения в газоразрядное пространство ВЧ емкостного разряда зонда Ленгмюра с выводом, изолированным кварцевой трубкой [1].

Недостатком данного способа явилось наличие ВЧ наводок на зондовых выводах в газоразрядном пространстве, которые искажали зондовые вольт-амперные характеристики (ВАХ) даже при включении в зондовую цепь фильтров-пробок, настроенных на несущую частоту и нескольких ее гармоник. Эти искажения обуславливали существенные погрешности измерений.

Известен способ диагностики СВЧ плазмы зондами Ленгмюра с выводами, защищенными неизолированными снаружи экранами [2]. В результате СВЧ искажения зондовых ВАХ и соответствующие погрешности измерений существенно уменьшились.

Недостатком данного способа явились дополнительные погрешности измерений, обусловленные возникновением в защитных экранах зондов Ленгмюра эффекта короткозамкнутого двойного макро-зонда, ток короткого замыкания в котором уменьшал плазменный ток, понижал уровень ионизационного равновесия в плазме и, следовательно, уменьшал связанные с ним величины плазменных параметров и, таким образом, вносил заметные погрешности в результаты зондовых измерений [3]. Данный способ, наиболее близкий к заявленному техническому решению, принят в качестве его прототипа.

Технический результат заключается в уменьшении погрешностей диагностики плазмы зондами Ленгмюра, выводы которых защищены неизолированными экранами. Решение данной задачи, наиболее эффективное в случае исследования ВЧ плазмы и весьма полезное при изучении любой плазмы при наличии внешних ВЧ полей, обеспечивает объективность и надежность результатов зондовых измерений параметров плазмы.

Заявленный технический результат достигается тем, что реализуют способ диагностики плазмы с использованием зондов Ленгмюра с выводами, защищенными неизолированными снаружи экранами, путем регистрации основным зондом-1 в каждой измерительной точке зондовых вольт-амперных характеристик и их обработки, определяющей потенциал пространства V_s и соответствующую ему плотность электронного тока насыщения на зонду j_es, функцию распределения электронов плазмы по энергиям (ФРЭЭ), температуру Т_е и концентрацию n_e электронов плазмы. Зонд, названный как основной зонд-1, устанавливают так, чтобы при его перемещениях в плазме длина его защитного экрана изменялась от максимальной величины до нуля в особой точке, в которую можно ввести вспомогательный зонд-2 такого же типа, иного расположения в плазме и с некоторой длиной его защитного экрана. Зондом-1 измеряют параметры плазмы в ряде требуемых позиций, включающих указанную особую точку, а зондом-2 измеряют параметры плазмы только в особой точке. Во всех измерительных точках по найденным параметрам плазмы определяют отклонения ФРЭЭ от максвелловской функции в форме обозначаемых через R_M отношений измеренных j_es и расчетных величин максвелловской плотности электронного тока насыщения j_esM=(1/4)en_e(8eT_e/πm_e)^1/2, где е - элементарный заряд, π - число «пи», m_e - масса электрона, а Т_е выражена в Вольтах, в особой точке определяют отношения измеренных обоими зондами параметров плазмы в зависимости от R_M2 для зонда-2 в виде функций (x₂/x₁)=ƒ(R_M2), где x=T_e, n_e, V_s или j_es - параметры плазмы, а x₂ и х₁ - параметры плазмы, полученные зондом-2 и зондом-1, соответственно, и отмечают максимальную величину R_M1m для зонда-1 в особой точке, соответствующей отношению (x₂/x₁)=1, для каждого зондового параметра набор точек (x₂/x₁), зависящих от R_M2, и точку (х₂/х₁)=1 с R_M=R_M1m линейно аппроксимируют в координатах [(х₂/x₁), R_M] для получения универсальных зависимостей (x₂/x₁)=ƒ(R_M), которые при совместном рассмотрении с пространственными распределениями R_M1 позволяют ликвидировать промежуточную переменную R_M и получить пространственные распределения поправочных множителей (х₂/x₁), которые обеспечивают подъем результатов зондовых измерений, заниженных влиянием защитного экрана зонда-1 под воздействием того же физического эффекта в защитном экране зонда-2 в особой точке.

Заявленный технический результат достигается также тем, что используют устройство для проведения диагностики плазмы зондами Ленгмюра с выводами, защищенными неизолированными снаружи экранами, содержащее вакуумную камеру со средствами генерации в ней плазмы и введенный в нее подвижный основной зонд-1 Ленгмюра с неизолированным экраном, при этом в измерительных позициях зонда-1 в плазме предусматривают особую точку, соответствующей положению зонада 1, в котором его экран выведен из плазмы, а в некотором другом месте данной вакуумной камеры установлен подвижный зонд-2 для измерения сравнительных параметров плазмы в той же особой точке при наличии контакта его защитного экрана с плазмой.

На фиг. 1 приведена схема заявленного устройства, содержащего основной зонд-1 (1) и зонд-2 (2) с измерительными отрезками тонкой металлической нити и зондодержателями с неизолированными снаружи металлическими защитными экранами; эти зонды введены с помощью подвижных уплотнений в вакуумную камеру 3, которая оснащена средствами для возбуждения в ней индукционного разряда: индуктором 4, подключаемым к линии ВЧ электропитания, ферритовым сердечником 5 и разделительной диэлектрической пластиной 6, а также системой 7 подачи в камеру 1 рабочего газа. Зонд-1 установлен с возможностью регистрации радиального распределения параметров плазмы от осевой позиции А (r=0 мм) до особой точки Б (r=60 мм) вблизи стенки камеры 1, где защитный экран зонда-1 выведен из контакта с плазмой. Зонд-2, например, Г-образной формы, установлен так, чтобы после вывода зонда-1 из особой точки Б имелась возможность ввода его в эту точку и проведения в ней регистрации тех же параметров плазмы.

Работает данное устройство следующим образом. Проводят откачку вакуумной камеры 1 до достижения предельного вакуума (порядка 10^-6 мм рт.ст. и глубже), включают подачу рабочего газа в камеру 1 и ВЧ электропитания в индуктор 4, инициируется индукционный разряд в камере впрыском в нее потока электронов или стартовым импульсом подачи в нее рабочего газа, разряд выводится на требуемый режим и далее проводятся зондовые измерения параметров плазмы.

В качестве примера приведем результаты измерений радиальных распределений параметров индукционной плазмы ксенона, измеренных прямым, радиально подвижным основным зондом-1 при давлении р=2⋅10^-3 мм рт.ст. и падающей ВЧ мощности генератора P_in=50÷200 Вт [4]. Зонд-1 перемещался по радиусу среднего сечения газоразрядного пространства в диапазоне r=0÷60 мм, соответствовавшем длинам зондового экрана =56÷0 мм. Таким образом, позиция r=60 мм явилась особой точкой Б, где защитный экран-1 был выведен из плазмы. При тех же режимах разряда в особую точку Б был введен вспомогательный зонд-2 Г-образной формы, у которого в этой позиции защитный экран был достаточно длинным, как это видно на фиг. 1. В результате его показания оказались заниженными согласно фиг. 2. Были вычислены радиальные распределения отклонений ФРЭЭ от функции Максвелла R_M1(r), представленные на фиг. 3. Оказалось, что при разных уровнях мощности ВЧ генератора (ВЧГ) зависимости R_M1(r) линейно возрастали по мере уменьшения длины экрана зонда-1, достигнув предельной величины R_M1m≈0,87 в особой точке Б (r=60 мм, =0) при отсутствии его защитного экрана. Дальнейший анализ этих зависимостей удобно проводить, представив их в аналитической форме:

Величины R_M2 в особой точке Б (r=60 мм) регистрировались при различных уровнях мощности ВЧГ. Соответствовавшие им отношения параметров плазмы (x₂/x₁) для Т_е, n_e, V_s и j_es в виде зависимостей от R_M2 вместе результатом измерений зондом-1 в особой точке Б, r=60 мм, где при отсутствии его защитного экрана отношение (х₂/x₁)=1 соответствовало общему для всех мощностей ВЧГ максимальному параметру R_M1m=0,87, представлены на фиг. 4. Здесь группы точек для различных свойств плазмы, измеренных зондом-2, были линейно аппроксимированы с общей особой точкой [(х₂/х₁)=1, R_M1m=0,87]. Эти зависимости определили универсальные функции (x₂/x₁)=ƒ(R_M), охарактеризовавшие связи между поправочными множителями (x₂/x₁) и отклонением ФРЭЭ от функции Максвелла R_M. Их аналитическая форма представлена выражениями

Далее в качестве примера показываем внесение поправок в результаты измерений Т_е1(r) зондом-1 [4], которые могут быть сделаны для любых других параметров плазмы. Более того, если зондом-2 также были бы зарегистрированы распределения параметров плазмы под влиянием его защитного экрана, то и эти зависимости тоже можно было поправить таким же методом при наличии такой необходимости.

Для внесения поправок в измерения Т_е1(r) необходимо универсальную зависимость (5) для поправок Т_е рассмотреть совместно с функциями (1)-(4) с целью исключения промежуточного параметра R_M. В данном случае функция (5) была введена в каждое из выражений (1)-(4), которые приобрели следующий вид:

В графической форме они представлены на фиг. 5. Видно, что максимальные поправки к измерениям Т_е соответствуют осевой позиции r=0 зонда-1, где они достигли 7%. Отметим, что для n_e этот предел составил 14%, для V_s - 20%, и для j_es - 28%.

Для внесения найденных таким образом поправок нужно каждую измерительную точку, полученную под влиянием неизолированного защитного экрана зонда-1, разделить на соответствующую точку зависимостей (х₂/х₁)(r) типа функций (9)-(12). Для температуры электронов Т_е результаты данной операции представлены на фиг. 6, где исходные распределения Т_е(r) показаны пунктирными линиями, а поправленные - сплошными линиями. Такие же поправки можно внести в радиальные распределения концентрации электронов n_e(r), потенциала пространства V_f(r) и плотности электронного тока насыщения j_es(r), опубликованные в работе [4].

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение

1. Е. Eser, R.Е. Ogilvie, K.A. Taylor, Plasma characterization in sputtering processes using the Langmuir probe technique, Thin Solid Films, 1980, v. 68, No. 2, p. 381-392.

2. A. Rousseau, E. Teboul, N. Lang, M. Hannemann, J. Ropcke, Journal of Applied Physics, 2002, v. 92, No. 7, p. 3463-3471.

3. Булаева M.H. и др., Повышение точности зондовой диагностики плазмы, Вестник Казанского технологического университета, 2012, т. 15, №18, с. 69-73.

4. Рябый В.А., Машеров П.Е., Интегральная и локальная диагностика модели энергоэффективного ВЧ источника ионного пучка, Труды РАН. Энергетика, 2016, №2, с. 46-57.

Изобретение относится к экспериментальной технике диагностики плазмы. В изобретении предусмотрено использование зондов Ленгмюра с выводами, защищенными неизолированными снаружи экранами, путем регистрации основным зондом в каждой измерительной точке зондовых вольт-амперных характеристик и их обработки, определяющей потенциал пространства V_s и соответствующую ему плотность электронного тока насыщения на зонду j_es, функцию распределения электронов плазмы по энергиям (ФРЭЭ), температуру Т_е и концентрацию n_e электронов плазмы. Устройство для проведения диагностики плазмы зондами Ленгмюра с выводами, защищенными неизолированными снаружи экранами, содержит вакуумную камеру со средствами генерации в ней плазмы и введенный в нее подвижный основной зонд Ленгмюра с неизолированным экраном, при этом в измерительных позициях зонда в плазме предусматривают точку, соответствующую положению зонда 1, в котором его экран выведен из плазмы, а в некотором другом месте данной вакуумной камеры установлен второй подвижный зонд для измерения сравнительных параметров плазмы в той же особой точке при наличии контакта его защитного экрана с плазмой. Технический результат заключается в уменьшении погрешностей диагностики плазмы зондами Ленгмюра, выводы которых защищены неизолированными экранами. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ диагностики плазмы с использованием зондов Ленгмюра с выводами, защищенными неизолированными снаружи экранами, путем регистрации в каждой измерительной точке зондовых вольт-амперных характеристик и их обработки, определяющей потенциал пространства V_s и соответствующую ему плотность электронного тока насыщения на зонд j_es, функцию распределения электронов плазмы по энергиям (ФРЭЭ), температуру T_е и концентрацию n_е электронов плазмы, отличающийся тем, что один из зондов Ленгмюра, представляющий собой измерительный основной зонд-1, устанавливают так, чтобы при его перемещениях в плазме длина его защитного экрана изменялась от максимальной величины до нуля в особой точке, в которую вводят вспомогательный зонд-2 такого же типа, иного расположения в плазме и с некоторой длиной его защитного экрана, измеряют зондом-1 параметры плазмы, по крайней мере, в двух измерительных точках, включающих указанную особую точку, а зондом-2 измеряют параметры плазмы только в особой точке, после чего для всех измерительных точек с использованием найденных параметров плазмы определяют обозначаемые через R_M отклонения ФРЭЭ от максвелловской функции в форме отношений измеренных j_es и расчетных величин максвелловской плотности электронного тока насыщения j_esM=(1/4)en_e(8eT_e/πm_e)^1/2, где е - элементарный заряд, π - число «пи», m_е - масса электрона, а T_е выражена в вольтах, в особой точке определяют отношения измеренных обоими зондами параметров плазмы в зависимости от R_M2 для зонда-2 в виде функций (x₂/x₁)=ƒ(R_M2), где х=Т_е, n_е, V_s или j_es - параметры плазмы, а x₂ и x₁ - параметры плазмы, полученные зондом-2 и зондом-1 соответственно, и отмечают максимальную величину R_M1m для зонда-1 в особой точке, соответствующей отношению (х₂/х₁)=1, для каждого зондового параметра набор точек (x₂/x₁)=ƒ(R_M2) и точку (x₂/x₁)=1, R_M=R_M1m линейно аппроксимируют в координатах [(x₂/x₁), R_M] для получения универсальных зависимостей (x₂/x₁)=ƒ(R_M), которые при совместном рассмотрении с пространственными распределениями R_M1 позволяют ликвидировать промежуточную переменную R_M и получить пространственные распределения поправочных множителей (x₂/x₁), которые обеспечивают подъем результатов зондовых измерений, заниженных влиянием защитного экрана зонда-1 под воздействием того же физического эффекта в защитном экране зонда-2 в особой точке.

2. Устройство для проведения диагностики плазмы с использованием зондов Ленгмюра с выводами, защищенными неизолированными снаружи экранами, содержащее вакуумную камеру со средствами генерации в ней плазмы и введенный в нее подвижный зонд-1 Ленгмюра с неизолированным экраном, отличающееся тем, что зонд-1 размещен с возможностью регистрации параметров плазмы в нескольких измерительных точках, включая особую точку, в которой его экран выведен из плазмы, при этом в вакуумной камере дополнительно расположен вспомогательный подвижный зонд-2, размещенный с возможностью измерения сравнительных параметров плазмы в той же особой точке при наличии контакта с плазмой его защитного экрана.