автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка методов получения, контроля и применения плазмы с заданными характеристиками в больших вакуумных объемах

Введение.

1. СОЗДАНИЕ ПЛАЗМЫ В БОЛЬШОМ ВАКУУМНОМ ОБЪЕМЕ И. ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ.

1.1. Обзор.

1.2. Получение магнитоактивной и изотропной плазмы.

1.2.1. Общая характеристика установки.

1.2.2. Разработка плазмообразующей системы специальной конфигурации.

1.2.3. Системы синхронизации и создания магнитного поля.

1.3. Особенности получения плазмы с заданными характеристиками.

1.3.1. Численные оценки параметров разрядной плазмы.

1.3.2. Создание плазмы с заданной концентрацией и температурой.

1.4. Экспериментальное исследование основных характеристик магнитоактивной плазмы.

1.5. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ.

2.1. Введение.

2.2. Экспериментальный анализ методов измерения магнитного поля.

2.2.1. Использование метода "циклотронного резонанса".

2.2.2. Применение метода "резонансных конусов".

2.2.3. Измерение магнитными зондами.

2.3. Особенности измерения температуры магнитоактивной плазмы.

2.3.1. Измерение электронной температуры магнитоактивной плазмы двойными зондами.

2.3.2. Измерение электронной температуры плазмы в магнитном поле многосеточным зондом.

2.4. Особенности измерения концентрации магнитоактивной плазмы в большом объеме.

2.4.1. Интерференционный метод интегрального измерения концентрации плазмы.

2.4.2. Применение метода резонансного СВЧ зонда для измерения локальных флуктуаций плотности плазмы.

2.5. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОЩНОГО ВЧ - ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПЛАЗМУ В ОБЛАСТИ НИЖНЕГИБРИДНОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ.

3.1. Введение.

3.2. Постановка эксперимента и используемые диагностики.

3.2.1. Особенности экспериментальных исследований.

3.2.2. Измерения модуляции плотности плазмы с помощью СВЧ -зонда.

3.3. Экспериментальное исследование воздействия мощной волны на плазму.

3.3.1. Обнаружение модуляционной неустойчивости.

3.3.2. Исследование динамики развития турбулентности плазмы.

3.4. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ РАДИООТРАЖАЮЩИХ СЛОЕВ (ПРАКТИЧЕ

СКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ).

4.1. Введение.

4.2. Разработка технологии плазменно-дугового напыления.

4.3. Расчет коэффициента отражения ЭМВ от многослойных структур с тонкопленочным проводящим и защитным покрытием.

4.4. Измерение коэффициента отражения ЭМВ от многослойных структур с тонкопленочным проводящим и защитным покрытием.

4.5. Технические характеристики многослойных радиоотражающих слоев.

4.6. Практические приложения.

4.7. Выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

J

Создание установок большого объема (V> 1 м) для получения плазмы высокой концентрации с однородным распределением по объему является актуальной задачей, т.к. с использованием плазмы связано решение ряда перспективных проблем техники: упрочнение поверхности рабочего инструмента и деталей машин ионным имплантированием, получение тонких сверхтвердых упрочняющих пленок и т.д.

С помощью плазменных установок возможно получение хорошо проводящих многослойных структур, обладающих высоким коэффициентом отражения в радио и в оптическом диапазоне частот, которые можно использовать в технологии построения специальных антенн. Например, используя нанесение проводящих слоев на различные композитные материалы, в больших плазменных камерах можно изготавливать крупные разворачиваемые рефлекторные СВЧ - антенны космического базирования с хорошими электродинамическими и механическими параметрами для использования в перспективных системах, таких как SVLBI (интерферометр космического базирования с большой базой).

Кроме того, быстрое развитие в электронной промышленности приобретает метод плазменного травления силиконовых подложек, из которых, в последствии, получают микросхемы с высокой плотностью расположения полупроводниковых и пассивных элементов. Для решения этой задачи также необходимы установки с высокой и однородной концентрацией плазмы.

Помимо технологических задач, приоритетную актуальность имеют проблемы фундаментальных физических исследований, связанные с моделированием космических явлений в лабораторных условиях таких, как: взаимодействие солнечного ветра с земной магнитосферой; проблемой распространения длинных волн по волноводу ионосфера - земля; функционированием космических антенных систем в околоземной плазме и т.д. Реализовать в лабораторном эксперименте постановку таких задач возможно только на установке больших размеров, когда можно, в первую очередь, отстраниться от влияния стенок камеры, а также, более корректно применить законы подобия при пересчете параметров, реализуемых в космических условиях к параметрам лабораторной плазмы.

Для развития новых плазменных технологий и изучения фундаментальных свойств плазмы, необходимо создание всего комплекса оборудования, обеспечивающего как получение плазмы, так и измерение и контроль ее параметров в реальном масштабе времени. В каждой конкретной ситуации, в зависимости от необходимых параметров плазмы, используются определенные плазмообразующие системы, а так же набор диагностических средств, позволяющий достоверно определять характеристики получаемой плазмы. Основными диагностическими средствами являются измерительные антенны, приемные СВЧ системы, зондовые устройства, корпускулярное оборудование.

Наиболее перспективными в настоящее время являются установки, в которых при помощи антенных систем ВЧ диапазона реализуется индукционный разряд как при атмосферном давлении, так и в вакууме. Разряд индукционного типа позволяет получать плазму высокой концентрации в больших вакуумных объемах. Разработка плазменных установок такого типа сопряжена с рядом трудностей, главным образом с необходимостью согласования генератора с антенной, находящейся в динамически изменяющейся во времени окружающей среде (плазме). Кроме того, выбор конфигурации плазмосоз-дающей антенной системы, в значительной мере, определяет однородность создаваемой плазмы.

Цель работы. Целью диссертационной работы является: • разработка методов, технологических устройств и диагностического комплекса для изучения особенностей получения и исследования плазмы с заданными параметрами в большом вакуумном объеме; изучение взаимодействия мощной волны, излучаемой рамочной антенной, с замагниченной плазмой в области нижнегибридного диапазона частот; разработка технологии создания многослойных радиоотражающих покрытий на крупных элементах космических антенн на углепластиковой основе с помощью плазменно - дугового напыления, а также изучение свойств полученных структур.

Научная новизна. Новизна работы состоит в том, что: создана автоподстраивающаяся система "ВЧ-генератор - антенна", позволяющая получать в вакуумной камере большого объема (У~ 15 м) замагниченную плазма с температурой Те ~ 12 эВ и концентрацией электронов Ne~ 1.5 - 2 1013 см'3; разработана конфигурация плазмообразующей системы, обеспечивающей однородность плотности замагниченной плазмы в большом объеме; разработан комплекс диагностического оборудования, позволяющий измерять и контролировать параметры плазмы при проведении физических и технологических экспериментов; разработана и внедрена экспериментальная методика измерения слабых колебаний плотности плазмы, возбуждаемых в ней в результате развития модуляционной неустойчивости. Необходимая для этого чувствительность диагностической системы обеспечивалась за счет использования резонансного СВЧ-зонда; на крупномасштабном экспериментальном стенде, оснащенном широким набором диагностических средств, показана возможность лабораторного моделирования в соответствии с критериями подобия явлений, протекающих в космической плазме;

• разработаны основы технологии получения многослойных радиоотра-жающих покрытий углепластиковой подложки (материал космических конструкций) методом плазменно-дугового напыления в больших объемах плазменных установок с целью использования их при создании крупных трансформируемых рефлекторных антенн космических аппаратов.

Научная и практическая ценность. Представленные в диссертации экспериментальные результаты по изучению основных закономерностей индукционного ВЧ-разряда в объеме низкого давления, позволили разработать антенные системы специальной конфигурации, с помощью которых стало возможным создание эффективных и экономичных плазменных источников для научных и технологических целей. Практическая значимость этой работы заключается в том, что такие источники позволили впервые создавать однородную плазму с высокой плотностью (Ne ~ 1.5 - 2 1013 см'3) в больших вакуумных объемах (F~ 15 м ). Кроме этого, набор диагностических средств позволяет проводить измерение и контроль параметров плазмы на различных типах плазменных установок.

Важное прикладное значение для интерпретации и понимания основных физических эффектов, протекающих в магнитосфере Земли, имеет цикл экспериментальных исследований, проведенных на крупномасштабном стенде "Крот" по моделированию в лабораторных условиях воздействия интенсивных волн нижнегибридного диапазона частот на околоземную плазму.

Предложена новая технология напыления медных, алюминиевых, нитрид - титановых покрытий на плазменно-дуговой установке, которая заключается в реализации нанесения на подложки большой площади (S>1m2) металлы с хорошей проводимостью и защитные покрытия. Кроме того, появилась возможность изготовления крупных разворачиваемых рефлекторных антенн космического базирования, изготовленных из углепластика.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на: XXIV Генеральной Ассамблее УРСИ (Киото, Япония, 1993 г.); на Рабочем совещании Европейского Космического Агентства по антенным технологиям (Турин, 1995 г.); XXV Генеральной Ассамблее УРСИ (Лиль, Франция, 1996 г.); III Международном рабочем совещании "Сильное СВЧ излучение в плазме" (Н. Новгород, Россия, 1996 г.); Межвузовской научной конференции "Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства" (НГТУ, Н. Новгород, Россия, 1996 г.); Европейском геофизическом обществе (Вена, Австрия, 1997 г.); X Объединенном Русско - Германском совещании (Н. Новгород, Россия, 1998 г.); Международной школе НАТО (Созополь, Болгария, 1998 г.); Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, Россия, 1999 г.); IV Международном рабочем совещании "Сильное СВЧ излучение в плазме" (Н. Новгород, Россия, 1999 г.); I Международном конгрессе по радиационной физике, высокоточной электронике и модификации материалов (Томск, Россия, 2000 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора, четырех глав, и заключения. Она изложена на 122 стр. машинописного текста, снабжена 1 таблицей и иллюстрирована 40 рисунками. Библиография включает 136 наименования литературных источников.

Основные результаты работы состоят в следующем:

• Разработана система автоматического согласования мощного импульсного генератора с нагрузкой - антенной, окруженной плазмой. Для сведения к минимуму влияния окружающей среды, антенна была покрыта слоем диэлектрика. Была достигнута устойчивая работа высокочастотного генератора на нагрузку.

• Благодаря специальной конфигурации плазмообразующей системы получены потенциальные поля вдоль оси установки, необходимые для первоначального пробоя рабочего газа и равномерного заполнения плазмой большого вакуумного объема (~15 м3).

• В результате проделанной работы на экспериментальном стенде стало возможным проведение исследований по созданию источников плазмы высокой концентрации посредством индукционного пробоя, способных равномерно заполнять большой вакуумный объем, а также проведение комплексных научных исследований в полученной плазме с заданными параметрами по ряду проблем физики плазмы.

• В результате проделанной работы, на экспериментальной установке "Крот" создан диагностический комплекс для измерения параметров за-магниченной плазмы. Для увеличения точности были проведены измерения и сравнительная оценка получаемых результатов разными методами. В результате измерений разными способами получена возможность оценки параметров плазмы с точностью ~ 20 - 30 %. В результате создания и внедрения системы диагностик на стенде "Крот", была реализована возможность исследования процессов создания замагниченной плазмы высокой концентрации в большом вакуумном объеме и проведение измерений при постановке модельных экспериментов Достоверность получения информации о происходящих процессах в вакуумном объеме, позволяет создавать плазму с требуемыми параметрами.

• При исследовании нелинейных процессов взаимодействия интенсивной волны накачки на частоте вблизи нижнегибридного резонанса с плазмой наблюдалось, что при превышении волной накачки порогового значения, в системе развивалась модуляционная неустойчивость, приводящая к образования вытянутых вдоль магнитного поля каверн - областей пониженной концентрации плазмы с запертыми в них интенсивными нижнегибридными волнами. Глубина модуляции в подобных образованиях составляла величину порядка 20 %. Было обнаружено формирование энергетического хвоста у электронной функции распределения с характерной температурой в 20-30 раз превышающей начальную температуру плазмы. Установлено, что появление ускоренных частиц с такими энергиями может быть обеспечено полями, возникающими в кавернах. Было обнаружено наличие временной корреляции потоков ускоренных частиц, плотности плазмы и амплитуд ВЧ-полей. Установлено, что тепловая нелинейность, сказывающаяся на более поздних временах, нежели стрикционная, приводила к стабилизации процесса коллапса и, в последствии, к расплыванию и слиянию каверн.

• Экспериментально апробирована и исследована технология плазменно-дугового напыления тонких проводящих медных, алюминиевых пленок на композитные материалы в вакууме. В ходе экспериментальных работ были получены тонкие медные пленки на углепластиковой основе. Получена пленка необходимой толщины 5 мкм).

• Проведено измерение коэффициента отражения (Котр.) электромагнитной волны от многослойной структуры. Приводится результат численного счета коэффициента отражения, подтверждающий данные, полученные экспериментально.

• Разработанные основы технологии позволяют получать проводящие покрытия с защитным слоем на больших площадях композиционных подложек, используемых при изготовлении крупных (до 10 метров в диаметре) трансформируемых космических антенн.

В заключении диссертант хотел бы выразить признательность Ю.К. Богатыреву, за руководство и помощь в работе; Ю.И. Белову за неоценимую помощь в написании диссертации; А.В. Кострову за помощь в проведении измерений и плодотворную дискуссию при обсуждении полученных результатов, О.Н. Толкачевой за помощь при оформлении диссертационной работы, а также всему коллективу лаборатории 123 за техническое содействие при постановке экспериментов на стенде "Крот".

1. Chapman B.N. Glow Discharge Processes. Viley, NY, 1980

2. Oda S., Noda J. and Matsumura M // Jpn. J. Appl. Phys. 1990.29. P. 18891895.

3. Heintze M., Zedlitz R. and Bauer G. H. // J. Phys. D, Appl. Phys, 1993. V.261. P. 1781-1786.

4. Oda S. // Plasma Sources Sci. Technol. 1993. 2. P. 26-29.

5. Howling A.A., Dorier J.L., Hollenstein C., Kroll and Finger, F. // J. Vac. Technol. A 1992. 10(4). P. 1080-1085.

6. Oda S., and Jasukawa,M, J. // Non-Cryst. Solids 1991. V. 137- 138. P. 679680.

7. Finger F., Kroll U., at al. // J. Appl. Phys. 1992. V.71, N. 11. P. 5665-5674.

8. Hittorf W. // Ann. Phys. 1884. V. 21. P. 137.

9. Boulos I.M.I. // Pure Appl. Chem. 1985. V. 57. P. 1321.

10. Hopwood J. // Plasma Sources. 1992. V. 1. P. 109.

11. Hopwood J.I., Gnarnieri at al. // J. Vac. Sci. Technol.A. 1993. V. 11. P. 152.

12. Koller J.H., Forster J.C. and Barnes M.S. // J. Vac.Sci. Technol.A. 1993. V. 11. P. 2487.

13. Corter J.R., Holland J.P. at al. // J. Vac. Sci. Technol.A. 1993. V. 11. P. 1301.

14. Patrick R., Schoenborn P. at al. // J. Vac. Sci. Technol.A. 1993. V. 11. P.296.

15. Bell F.H., Joubert O. at al. // J. Vac. Sci. Technol.A. 1994. V. 12. P. 3095.

16. Keller J.H., presented at 9th International Colloquium on Plasma Processes. Antibes, France, June, 1993

17. Ibbotson D.E., Johnson A.D. at al. Studies of a High Density, Radio Fre18