Для разряда в скрещенных полях должно соблюдаться следующее правило: Силовые линии магнитного поля должны быть параллельны поверхности электродов.

Рассмотрим для примера коаксиальную цилиндрическую систему электродов. При аксиальном магнитном поле (поле, направленном вдоль оси системы, как на рис. 1.3.а мы имеем случай поперечного магнитного поля или скрещенных полей, так как аксиальное магнитное поле ортогонально радиальному электрическому. Для создания аксиального магнитного поля используют внешний коаксиальный соленоид или постоянный магнит с осевой намагниченностью. При радиальном магнитном поле мы имеет случай параллельных полей (рис. 1.3.6). Для создания радиального магнитного поля используют коаксиальные полюсные наконечники или радиально намагниченные магниты, поверхность которых может служить электродами. Направление вектора индукции В не принципиально для работы систем.

Рис. 1.3. Коаксиальные системы электродов с аксиальным (а) или радиальным (б) магнитным полем; внешний электрод - катод

Рис. 1.4. Системы с плоскими электродами и аксиальным (а) или радиальным (б) магнитным полем, нижний электрод - катод

 

Коаксиальную систему электродов со скрещенными полями назвали магнетроном (1921 г., [14]). Вакуумный магнетрон с внутренним накалённым катодом до сих пор применяется как электронный прибор для генерации микроволновых (СВЧ) колебаний. В электронной технике приборы со скрещенными полями принято называть приборами М-типа. Коаксиальные цилиндрические магнетроны с аксиальным магнитным полем разделяют на два вида в зависимости от полярности электродов. Систему с внутренним катодом называют нормальным магнетроном, а систему с внутренним анодом - обращённым или инверсным магнетроном. Соответственно, разряд, создаваемый в магнетроне, называют магнетронным. Сейчас этим термином обозначают все виды разрядов со скрещенными полями независимо от конфигурации электродов.

Рассмотрим системы с плоскими электродами (рис. 1.4), в которых магнитное поле создаётся с помощью соленоидов. Здесь при аксиальном магнитном поле (а) имеем продольные параллельные поля; при радиальном магнитном поле (б) - скрещенные поля, но только в области, где силовые линии магнитного поля параллельны поверхности электродов. Систему на рис.1.4.б называют планарным магнетроном. Направление вектора индукции В не принципиально для работы систем.

Рис. 1.5.Системы с квадрупольным магнитным полем, квадрупольными стержневыми (а) и плоскими кольцевыми электродами (б)

 

На рис 1.5 показаны системы с квадрупольным магнитным полем. Система, показанная на рис.1.5.а, отличается от системы на рис.1.5.б наличием двух катушек и размещением электродов только в той области, где В ^ Е.

Примером разряда со смешанными полями является разряд Пеннинга, создаваемый в двухкатодной электродной системе с аксиальным магнитным полем типа ячейка Пеннинга (рис.1.6). В центральной части ячейки электрическое и магнитное поля параллельны друг к другу, а на периферии - поля ортогональны, т.е. скрещенные.

Рис. 1.6. Ячейка Пеннинга с кольцевым (цилиндрическим) анодом

Рис. 1.7. Трансформация ячейки Пеннинга в магнетрон с катодными торцами

 

В результате, разряд в центральной части является отражательно-колебательным, исходя из характера траекторий электронов, колеблющихся между катодами вдоль магнитного поля, а на периферии - как в нормальном цилиндрическом магнетроне. Направление вектора В не принципиально.

При значительном увеличении концентрации колеблющихся электронов в условиях слабой компенсации пространственного заряда электронов зарядом ионов при очень низком давлении газа потенциал на оси ячейки может понизиться до потенциала, близкому к потенциалу катода. В этом случае ячейка Пеннинга превращается в нормальный магнетрон с виртуальным цилиндрическим катодом на оси и торцевыми катодами. На рис.1.7 показана подобная трансформация ячейки Пеннинга путём помещения на её оси реального цилиндрического катода 3. МРС с такими электродами известна как стержневой цилиндрический магнетрон [4].

Ячейки Пеннинга полезны для распыления магнитных материалов, поскольку в них отсутствует шунтирование магнитного поля при изготовлении катодов из таких материалов.

Возможны и другие варианты электродных систем для поддержания разрядов в магнитном поле. В МРС наиболее часто используют планарный магнетрон. Затем по частоте применения следуют цилиндрические магнетроны и ячейка Пеннинга.

Разряды можно классифицировать и по другим признакам, но основы физики всех этих разрядов составляет магнетронный эффект – искривление траекторий заряженных частиц при их движении поперек линии магнитного поля из-за действия силы Лоренца:

, (1.4.а)

где α – угол между векторами v и В.

Поскольку величина магнетронного эффекта обратно пропорциональна массе частицы, его влияние на движение электронов намного сильнее, чем на движение ионов и максимально при α=90⁰, т.е. в случае скрещенных полей. Удлинение траекторий электронов приводит к росту числа ионизирующих столкновений, совершенных каждым электроном на пути к аноду, а это в свою очередь приводит к увеличению концентрации ионов и плотности ионного тока на катод (по сравнению с разрядом без магнитного поля). Кроме того увеличивается ионно-электронная эмиссия и интенсивность распыления катода.

Увеличение количества столкновений на пути к аноду при наложении поперечного магнитного поля в какой-то мере эквивалентно повышению давления газа, которое в первом приближении можно оценить как [2]:

, (1.4)

где Р₀ – давление рабочего газа при отсутствии магнитного поля;

ω_е – циклотронная частота электрона;

τ_е – среднее время между столкновениями электрона с молекулами газа.

В типичных для МРС условиях величина ω_еτ_е порядка 300.

Кроме того, под действием силы Лоренца заряженные частицы при своем движении сталкиваются с нейтральными газовыми молекулами и передают последним часть своей энергии, увлекая их за собой, что может вызвать перемещение всех компонент газовой среды.

На макроскопическом уровне механизм перемещения можно объяснить, используя закон Ампера, который определяет, как известно, силу, действующую на проводник с током, помещенный в магнитное поле. Газоразрядная плазма в определенном смысле также представляет собой проводник с током. Поэтому все вещество плазмы должно перемещаться в направлении силы Ампера. Эта сила dF_a, действующая на элемент проводника dl с током i, определяется выражением

, , (1.5)

где - вектор элемента длины проводника в направлении тока,

β – угол между и .

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки. Величина силы Ампера максимальна при β=90⁰, т.е. случай скрещенных полей. Следовательно, плазма в МРС может перемещаться как единое целое под действием силы Ампера поперек электрического и магнитного полей в направлении . Это направление совпадает с направлением , так как направление тока совпадает с направлением . Поэтому, если магнетронная система имеет круговую симметрию, плазма должна вращаться. Однако для плазмы магнетронного разряда в МРС характерны относительно небольшие значения индукции магнитного поля – до 0,1Т (1кГе), поэтому сила Ампера (как следствие действия силы Лоренца оказывает эффект только на электронную компоненту плазмы. В результате – вращаются вокруг оси системы только электроны, создавая так называемый кольцевой азимутальный ток или ток Холла. Вращение электронного газа в МРС способствует выравниванию по азимуту распределений концентраций электронов и ионов, а также ионной эрозии (выработки) мишеней.

Вращательное движение электронного газа называется дрейфом. Если линия дрейфа электронов не замкнута, то они либо выходят за пределы межэлектодного промежутка, либо «прижимаются» к стенкам камеры, что приводит к потерям электронов и затрудняет возникновение и поддержания разрядов.

 

 

Рис. 1.8. Магнетронные системы с замкнутым азимутальным дрейфом электронов: а - цилиндрический обращённый магнетрон, б -цилиндрический нормальный магнетрон, в - планарный магнетрон с радиальным магнитным полем, г - магнетрон с квадрупольным магнитным полем и профилированными электродами, д-ячейка Пеннинга.

 

Если же линия дрейфов замкнута (замкнутый дрейф), то электроны при своем движении возвращаются в исходную точку, а это создает более облегченные условия существования разряда (поскольку нет потерь электронов). А это означает, что плазма может существовать при более низких давлениях рабочего газа, более низких напряжениях и более низкой индукции магнитного поля. Поэтому подавляющее число практических МРС имеет замкнутый дрейф электронов. На рис 1.8 представлены типовые конфигурации таких магнетронных систем.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: