微波等离子体

微波等离子体微波等离子体反应器特点：微波：为交流能量（信号），通过波导传输，每一种波导具有一定的特征阻抗（射频传输线理论）等离子体的反应器：本质上是具有一定阻抗的负载。微波等离子体工作要求：波导特征阻抗=等离子体负载阻抗。微波反射波能量将至最低。微波等离子体反应器发展：小尺寸共振腔----表面波长细等离子体---大面积（体积）表面波等离子体。微波等离子体反应器结构：⊙单模谐振腔谐振腔尺寸:dR,（谐振条件）阻抗匹配:好，可以不设置附加匹配。激励电场单模（单一本征模）方向：图中电场沿轴向。状态：驻波缺点：体积小（？）电场不均匀-----〉等离子体空间均匀性差。应用：放电灯，光谱分析。石英管同轴耦合天线微波源同轴传输线谐振条件：dR,⊙多模腔谐振腔尺寸:dR;（非谐振）阻抗匹配:差，需要附加匹配。优点：电场较均匀-----〉等离子体空间均匀性好。⊙表面波等离子体（surfacemicrowaveplasma,SWP）源尺寸:R（谐振条件），轴向尺寸没有限制阻抗匹配:需要设置附加匹配。激励电场单模或多模（单一本征模）状态：行波优点：大体积，细长缺点：面积小应用：气体反应（甲烷---乙炔），有害气体处理顶视图表面波行波侧视图多管SWP源大面积/体积SWP源两种方式：（a）顶面馈入;(b)侧面馈入三种典型装置：（a）日本平面狭缝（顶面）耦合；(b)德国环状狭缝（侧面）耦合；（c）法国改进型表面波导（侧面）耦合美国：中国（中国科大、合肥等离子体物理所----德国版）日本顶面狭缝（重点）（1）两种加热模式bulkheating:整体加热surfaceheating:表面加热分界点：电子等离子体波ff截止nn○不同加热模式下等离子体参数轴向分布不同加热模式的电子加热机理截止密度点(共振点)处的特性及验证预测：实验验证：装置ICP等离子体密度轴向分布不同功率下的微波轴向分布共振点附近的等离子体密度和电子温度（2）不同的微波模式无限大平面波2/1n1122ppdp等离子体相对于石英而言为光疏媒质，微波由石英窗口向等离子体传播时：（i）反射+折射(ii)全反射---实际情况：微波在光疏媒质中指数衰减。(iii)当等离子体密度足够大时，0122pp微波（光）传播特性不同于通常的反射、折射出现新的行为：微波从界面起在两个介质内衰---即微波场强在界面最大---表面波有界体系中微波模式不同微波模式下的放电图像、电场分布[注意]照片在高气压（？）下拍摄。[问题]随着等离子体密度的提高，不同的微波模式出现，该特性对放电有无影响？等离子体密度随入射功率的变化。（3）表面波吸收物理机理假设表面波微波能量由电子碰撞吸收（欧姆加热），吸收功率222Epabs2．45G的微波放电，放电气压为10mtorr时，01.0，低气压时电子碰撞吸收效率很低，低气压表面微波放电应该通过其他电子加热方式放电。-----无碰撞电子加热需要满足的条件：（a）电子通过表面微波层的时间短于微波振动周期即：2thV(？)（b）表面共振层处的微波电场足够大（c）电子热速度pthVV电磁波（EM）：真空真空等离子体ppppVVV模式转换电子等离子体(EP):真空等离子体ppVV----电子热速度pthVV----朗道阻尼德国环状狭缝耦合（侧面耦合）；(a)实物照片(b)微波电场分布示意图(m=5)(c)微波模式：m=0不存在-----GHzcmfR2.实验结果：m=3slot数量：2个。f=2.45GHz,R=4cmfR=12.5GHzcmm=5slot数量：10个。f=2.45GHz,R=8cmfR=20GHzcmm=15slot数量：30个。f=2.45GHz,R=33cmfR=80GHzcm(d)放电照片slot数量：10个f=2.45GHz,R=8cmm=5(e)等离子体密度空间分布轴向分布（f）临界击穿放电功率磁场，装置尺寸，气压，法国表面波等离子体源大源小源（a）电场角向分布(m=3)（小源）（b）放电模式跳跃理论实验（大源）0.00.51.01.52.00.00.20.40.6(a)Pinc1Pinc2mode1mode2mode310987654321Pref(kW)Pin(kW)0.00.51.01.52.0050100150200250(b)mode1mode2mode3Ioes(a.u.)Pin(kW)0.00.51.01.52.00.00.20.40.60.81.0-5051015202530Prefmode2waveguidemodemode1plasmamodePref(kW)Pin(kW)VfVf(V)美国：（MichiganUniversity）中国表面波等离子体源（德国版）(a)合肥等离子体所装置示意图微波模式随气压的变化m=8（660Pa）---m=16(1000Pa)装置及不同微波模式放电照片(b)中国科技大学装置示意图密度径向分布产生区下游区微波模式P0=10Pa,m=4,P0=230Pa,m=6大面积SWP的特点：（1）多种模式共存（？）（2）放电出现跳跃（3）有两种电子加热模式（不等同微波模式）优点：SWP的优点：无溅射污染（？）无磁场，结构简单（相对而言）缺点：存在模式跳跃，放电不稳定，无法自动匹配放电角向均匀性差一种大面积均匀的等离子体源