磁控直流辉光等离子体放电特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学技术大学近代物理系 作者:万树德

  利用自制实验教学用的磁控直流辉光等离子体实验装置,如图1所示1,为我校理学院二年级学生开设研究性的实验课。旨在培养学生从事科学实验研究的动手能力。我们采取在学生初步掌握该实验装置放电方法后,由学生自己调研确定研究课题,这样每组同学的实验研究内容都不相同,基本上集中在下列几方面:

  1、最佳的放电条件探索,内容包括:探索起辉电压与气体压强之间的关系;中心截面径向不同位置电子密度随气体压强之间的关系。

  2、直流辉光等离子体放电特性,内容包括:等离子体参数与气体压强的关系;在不同的压强下放电电子密度的空间分布;

  3、磁场对等离子体约束效果研究,内容包括:磁场对等离子体空间分布的影响--不同位置电子密度与约束磁场强度之间的关系。

实验装置:

  实验装置如图1所示,有一个半径 R=15cm 球形玻璃泡制成的真空放电室,在真空室内相对安装两只半径为2.5cm 的圆形平板电极,在装置两端放置两只磁场线圈,一台抽速为 2L/s 的机械泵为系统真空抽气,极限真空度为 0.6pa,通过针阀充入Ar气,压强在0.6-300pa 之间可调,静电探针诊断测量系统布置在垂直的中心截面上,并可径向移动。

  两只磁场线圈串联连接,由同一个电源供电。通过改变相互之间的接线方式来改变磁场位形。如果线圈供电电流由两只线圈同名端入,磁场位形如图2a 所示,通过改变流经线圈电流的大小中心磁场强度可在 0-1kGz 之间可调; 如果电流由两只线圈异名端入,磁场位形如图 2b所示。

实验内容:

1、探索系统最佳的放电条件:

  为了确定运行控制参数范围,做了以下两个实验:Ar 气起辉实验:在不同气体压强下,改变放电压直至起辉放电,并记录最低的起辉电压,因此可以得到该装置起辉电压随气体压强变化关系,以便得到获取等离子体最佳气体压强条件;在不同位置测量电子密度与气体压强之间的关系:在稳定放电的情况下,固定放电电压,给静电探针加 50V 电压,调节气体压强直至放电终止。在不同气压下记录静电探针电流,该电流为电子饱和流,它的大小代表了电子密度的大小,从而得到电子密度(电子饱和流)与气体压强的关系;

2、电子密度的径向分布:

  稳定放电情况下,在各种不同的气体压强条件下,用静电探针在不同径向位置测量电子饱和流,从而得到电子密度(电子饱和流)的径向分布。

3.电子密度随约束磁场强度的改变:

  磁场线圈电流由同名端接入,改变线圈电流的大小,用静电探针在不同的径向位置测量电子饱和流,从而得到电子密度(电子饱和流)随约束磁场强度的变化。 磁场线圈电流由异名端接入,改变线圈电流的大小,用静电探针在不同的径向位置测量电子饱和流,从而得到电子密度(电子饱和流)随约束磁场强度的变化。

实验结果

  图3为起辉电压与气体压强之间的关系,压强为 10pa 时起辉电压为330V,气压较低时,起辉电压比较高,随着气压的上升,起辉电压逐渐下降,当气压上升到34pa起辉电压降至不到100  V 为最低,随后起辉电压又随着气压的上升而升高;

  图4在不同空间位置电子密度与气体压强之间的关系,在气体压强较低时,电子密度较低,随着气压的上升,电子密度逐渐上升,气压上升到 34pa时电子密度上升至最高,随后电子密度又随着气压的升高而下降; 图 4 是在装置放电起辉之后,把放电压固定在 280V,改变气压而得到的实验结果,与图3有明显的对应关系, 34pa起辉电压最低,而在相同的放电压下在该压强下可以获得最高的电子密度,表明此时放电最强烈,也就是说该磁控直流辉光等离子体实验装置最佳放电条件为34pa。

  图5 为在稳定放电情况下,气体压强分别为 36、22、4pa 时,电子密度 ne的径向分布,气压高时中心电子密度最高,随着半径的增加电子密度逐渐下降,边缘电子密度最低;气压较低时中心电子密度已不是最高了,密度最高处略偏离中心,随后随着半径的增加电子密度逐渐下降,边缘电子密度最低;气压降至 4pa 时,电子密度几乎降低一个数量级,而边缘电子密度保持原数值不变。气压高时空间放电的范围小,气压低时空间放电的范围大,这是因为气压高时中性粒子密度高,电子与中性粒子的碰撞频率高,电子扩散范围小;气压低时中性粒子密度低,电子与中性粒子的碰撞频率低,电子扩散范围大之故。

  图6所示在稳定放电的情况下,外加图 2a 位形约束磁场,在不同的径向位置上测得电子密度 ne 随约束磁感应强度 B 的变化曲线。中心电子密度随磁场增加而增加,边缘电子密度随磁场增加而减小。

  图7所示在稳定放电的情况下,外加图2b位形约束磁场,在不同的径向位置上测得电子密度 ne 随约束磁感应强度B的变化曲线。中心电子密度随磁场增加而减小,边缘电子密度随磁场增加而增加。

  带电粒子在磁场中受洛伦兹力的作用,围绕磁力线作螺旋运动,带电粒子在垂直磁场方向受到约束,即带电粒子不能横向穿越磁场运动。磁场位形为图2a时,放电空间限制在以半径为 2.5cm 两圆电极为鼓面,以与两电极边缘相切的磁力线所构成的腰鼓形空间之中。随磁场强度的增加约束效果会增强,因此中心密度随磁场强度的增加而增加,边缘密度随磁场强度的增加而减小。

  磁场位形为图2b时, 带电粒子被磁力线引导到实验装置中垂面的边缘,因此中垂面上中心密度随磁场强度的增加而减小,边缘密度随磁场强度的增加而增加。虽然中心密度随磁场强度的增加而减小,但不会为零,原因有二:

  1 放电特性不仅与磁场有关还与放电电场有关,带电粒子还会沿轴向电场运动,因此中心电子密度不会为零;

  2 如图2b会切磁场,会切中心的磁场最小,带电粒子沿磁力线作螺旋运动时,磁场弱的方向带电粒子的旋转半径大,带电粒子沿磁场方向运动的同时,整体还会向会切中心漂移,带电粒子一旦到达会切中心就很难逃离该磁阱2。

结论

  1.在该磁控直流辉光等离子体实验装置上,用 Ar 气放电获得直流辉光等离子体存在最佳放电压强 34pa,在此压强下起辉电压最低,同时可以获得电子密度最高的等离子体;

  2.电子密度的空间分布随气体压强的不同而发生改变,密度中心随压强降低逐渐向外扩展,随中性粒子密度的减小,电子与中性粒子碰撞机会减小,碰撞频率减小,等离子体扩散范围大;

  3.随磁场强度的增加约束效果会增强,因此中心密度随磁场强度的增加而增加,边缘密度随磁场强度的增加而减小。

  4.中心电子密度随磁场的增加而减小, 边缘电子密度随磁场的增加开始稍有减小而后迅速增加。

  3 和4 条说明在放电条件不变的条件下,约束磁场的作用并不能使等离子体参数得到整体提高,只会影响等离子体得空间分布。

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