КАФЕДРА
ФИЗИЧЕСКОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ

Плазменные и ионно-пучковые технологии

Руководитель - Кралькина Елена Александровна

ЦКП к. 1-1, тел. 8(495)939-7-73

Основным направлением фундаментальных работ группы плазменных и ионно-пучковых технологий является продолжение исследований физики ВЧ разрядов, плазменных струй и коронных разрядов, начатых на кафедре профессорами А.А. Кузовниковым, В.П. Савиновым, А.Ф. Александровым, А.А. Рухадзе, И.Б. Тимофеевым и А.П. Ершовым.

Основными направлениями работы группы являются:

• Фундаментальные экспериментальные исследования ВЧ и СВЧ разрядов,
• Разработка математических моделей различных типов газовых разрядов.
• Фундаментальные и прикладные исследования физико-химических и элементарных процессов в атмосфере и ионосфере Земли.
• Разработка источников плазмы на основе газового разряда,
• Исследование физических характеристик перспективных конструкций электроракетных двигателей для космических аппаратов (КА).
• Разработка ионно-пучковых и плазменных технологий поверхностной модификации материалов, напыления и осаждения покрытий.

К настоящему времени центр тяжести фундаментальных работ по изучению ВЧ разряда приходится на изучение в широком частотном диапазоне электродинамических и электротехнических свойств индуктивного и емкостного ВЧ разряда, а также разряда, поддерживаемого распространяющимися волнами, в том числе при наличии внешнего магнитного поля, гибридных и комбинированных модификаций ВЧ разряда, обладающих как индуктивной, так и емкостной составляющими.

Изучение спектров волн, возбуждаемых в безграничной плазме, в том числе при наличии магнитного поля важная задача для понимания множества процессов в межпланетной космической плазме, ионосферной плазме, мощных создания источников излучения в диапазонах от радиочастот до Терагерц. Этой задачей занимались множество физиков – В.Л. Гинзбург, А. Берс, Т. Стикс и другие. На кафедре аналогичные исследования проводились профессорами А.А. Рухадзе и А.Ф. Александровым. Особенностью лабораторных источников плазмы, в том числе используемых в промышленности, является ограниченность их объема. Ограниченность плазмы приводит к изменению структуры возбуждаемых ВЧ полей, появлению новых частот и резонансов. Источники плазмы становятся резонаторами, в которых эффективность поглощения ВЧ мощности существенно зависит не только от индукции магнитного поля, концентрации электронов и их частоты столкновений с тяжелыми частицами, но и от геометрических размеров самих источников. Огромный пласт физических явлений в источниках плазмы, связан с процессами на границе плазмы с твердым телом – образованием слоев пространственного заряда и нелинейными процессами в них. Целенаправленно воздействуя на процессы в слоях с помощью внешних электромагнитных полей, можно управлять энергиями ионов плазмы, бомбардирующих подложку, что важно для множества реализации физических и химических процессов модификации поверхности. Наличие слоев пространственного заряда между плазмой и металлов приводит к качественному изменению электродинамических свойств разряда в целом. При высоких плотностях электронов в такой системе распространяются поверхностные электромагнитные волны, которые полностью меняют электродинамику разряда при больших размерах электродов.

В работах группы изучаются поверхностные волны, распространяющиеся на границе плазмы с металлом в условиях неравновесности контакта. Именно эти волны определяют существование емкостного ВЧ разряда при больших размерах плазмы и высоких плотностях электронов выше удвоенной критической. Дисперсия этих волн зависит от плотности электронов в плазме, а также от толщины слоя пространственного заряде на границе плазмы с металлом. Поскольку амплитуда колебаний электронов в плазме порядка толщины слоя эти волны оказываются сильно нелинейными, а их свойства в настоящее время недостаточно изучены как теоретически, так и экспериментально.

Поскольку поверхностные волны существуют при плотностях электронов выше удвоенной критической n_C=mω²/4πe², то при переходе через это значение происходит перестройка собственных функций электромагнитного поля. Расчеты показывают, что эта перестройка (перезамыкание постоянных распространения собственных волн при переходе через критическое значение) может происходить по-разному в зависимости от соотношения между частотой столкновения электронов и частоты электромагнитного поля, а также от соотношения между размерами слоев пространственного заряда и плазмы. Этот результат принципиален для разработки технологических устройств, использующих эти волны для создания разряда.

Еще один фундаментальный результат – даже если в разряде существуют поверхностные волны, существенную роль во вложении энергии в плазму играют высшие типы волн, которые вносят индуктивный импеданс. Поэтому кроме резонансов, связанных с кратностью размеров системы и длины поверхностной волны наблюдается резонанс, обусловленный компенсацией импеданса вносимого поверхностной волной и импеданса, вносимого поверхностной волной.

Описание свойств разряда как целого проводится с помощью математических моделей, основанных на совместном решении уравнений баланса частиц и уравнения баланса энергий, и уравнений Максвелла. Такие модели рассчитывались на кафедре с 70-х годов прошлого века (в частности, в научной группе Г.С. Солнцева). В последние двадцать лет аналогичные модели для разных форм разряда в научной литературе получили название глобальных.

Одно из достижений группы в фундаментальной теории разрядов низкого давления – выведена новая форма уравнения плазмы и слоя Ленгмюра и Тонкса, учитывающая дополнительно перезарядку ионов, применимое при произвольном соотношении между длиной свободного пробега ионов и размерами системы, что существенно облегчает проведение расчетов таких разрядов. Аналитически рассчитаны двумерные распределения плотности при учете инерции ионов.

Полученные результаты принципиальны для разработки плазменных технологических устройств для обработки подложек большого размера. Пример расчета импеданса и пространственного распределения показан на рис. 1 и 2. Численные расчеты проводятся с помощью пакета Comsol Multiphysics®.

Еще одной особенностью ВЧ разряда является тот факт, что не вся мощность отдаваемая ВЧ генератором, вкладывается в плазму; часть мощности теряется во внешней согласующей цепи. При этом возникает интересная ситуация: доля мощности, поступающая в разряд, зависит от внешних (индукции внешнего магнитного поля и др.) и внутренних (концентрации электронов и др.) параметров разряда, в свою очередь внутренние параметры разряда, в частности, концентрация электронов, в значительной степени определяются вложенной мощностью. Таким образом, при изменении величины магнитного поля происходит самосогласованное изменение параметров плазмы. Нахождение областей внешних параметров разряда, при которых достигаются максимальные значения концентрации электронов при заданной мощности генератора, имеют не только фундаментальное, но и большое прикладное значение, как при реализации космических, так и земных технологий.

Начиная с 60х годов ХХ века в промышленно развитых странах стартовали разработки электроракетных двигателей (ЭРД). Они предназначены для коррекции обрит, маневрирования космических аппаратов в космосе. Конструкция ЭРД включает в свой состав газоразрядную камеру, где генерируется плотная плазма. Полученные в плазме ионы затем ускоряются, как правило, с использованием или электростатических систем ускорения, или электрических полей, возникающих в плазме в области скрещенных электрических и магнитных полей. Поток ускоренных ионов создает тягу с типичными значениями от единиц до сотен мН.

Важными характеристиками работы ЭРД являются количество затраченной энергии на получение 1 мН, а также так называемая газовая экономичность, равная отношению потока ускоренных ионов, истекающего из ЭРД, к потоку атомов рабочего тела, поступающих в ЭРД. Очевидно, что конкурентноспособными являются ЭРД, позволяющие получить заданную тягу при минимальных энергозатратах и максимальной газовой экономичности. Фундаментальные работы, выполненные в группе, позволили найти оптимальные режимы и разработать оригинальный прототип ВЧ индуктивного ионного двигателя с внешним магнитным полем. Характеристики двигателя не уступают мировым аналогам.

Разработанный прототип ионного двигателя работает на ксеноне – тяжелом инертном газе с большим сечением ионизации. В настоящее время в связи с развитием телекоммуникационных систем появилась потребность в разработке двигателей для космических аппаратов, работающих на низких (порядка 200 км) орбитах, где присутствует достаточно большое количество азота и кислорода. В связи с этим актуальной стала разработка двигателей, а также катода-нейтрализатора, работающих на воздухе. Наиболее перспективными для этой цели устройствами являются ВЧ ЭРД, т.к. они не требуют использования катодов, время жизни которых в присутствии воздуха сильно ограничено. В настоящее время в группе ведутся поисковые работы по нахождению оптимальных режимов прототипов ВЧ ионного, ВЧ Холловского и «геликонного» двигателей, катода-нейтрализатора при использовании воздуха в качестве рабочего тела. В дополнение к указанным исследованиям, в рамках изучения ближнего космоса проводятся исследования физико-химических процессов в тропосфере и ионосфере Земли, включающие выяснение роли процессов наработки электронов, ионов, атомарных и молекулярных компонентов в образованной плазме и в механизмах воздействия на электромагнитные и термические свойства среды вокруг и внутри летательных аппаратов.

Фундаментальные исследования ВЧ разряда, выполненные сотрудниками группы применяются и для разработки новых и усовершенствования существующих наземных технологий. В частности, прототип ВЧ ионного двигателя использован для создания источника ускоренных ионов инертных и химически активных газов для поверхностной модификации материалов, распыления материалов в технологии получения тонких пленок. К настоящему времени в группе разработаны ВЧ источники ионов диаметром 50 и 100 мм, позволяющие получать потоки ускоренных инертных и химически активных ионов с энергией 300 – 1500 эВ, безэлектродный «геликонный» источник плазмы, позволяющий получать потоки ускоренных ионов с энергией 20 – 40 эВ, ВЧ ускоритель ионов на основе Холловского двигателя, позволяющий получать потоки ионов с энергией 180 – 400 эВ, плазменные реакторы с внешним магнитным полем. Разработанные источники использованы сотрудниками группы в ряде ионно-пучковых и плазменных технологий.

Источник плазмы на основе ВЧ индуктивного разряда с внешним магнитным полем использован для ассистирования процессам напыления пленок. На основе разработок кафедры совместно с НИИ Точного Машиностроения (г. Зеленоград) была создана полупромышленная установка (см. рисунок 4).

На основе емкостного ВЧ разряда в толуоле разрабатывается технология получения толстых алмазоподобных пленок по заданию ОАО «ТРЭМ ИНЖИНИРИНГ».

Малогабаритный «геликонный» источник плазмы, позволяющий получать поток ускоренных ионов с энергией 50–70 эВ, использован для придания гидрофильных и усиления сорбционных свойств углеродной ткани, разработанной в НИИГРАФИТ. Ткань используется в медицинских целях для лечения ран и ожогов.

Параллельно с разработкой источников плазмы, работающих при пониженном давлении в группе разработаны источники плазмы, позволяющие обрабатывать материалы при атмосферном давлении на основе коронного и ВЧ разрядов. На основе исследований плазмы, образованной плазменными струями, выполняются эксперименты с капиллярными разрядами, модифицирующими поверхности металлических и диэлектрических образцов, изменяя их свойства и создавая новые материалы.

Параллельно с этим идет создание новых типов капиллярных разрядов с жидкими и дисперсными электродами для воздействия на поверхность жидкости или сыпучего материала, приводящих к появлению новых структур на поверхности жидкостей и дисперсных материалов, улучшающих свойства порошков (в том числе почвы и зерна) и уничтожающих вредные бактерии и вирусы.

В распоряжении сотрудников группы находятся 4 вакуумные установки (примеры приведены на рис. 8 и рис. 9), оснащенные источниками ионов, магнетронами, комплектом ВЧ генераторов с частотой 2, 4 и 13.56 МГц, аппаратурой, необходимой для диагностики плазмы, а также устройства для генерации плазмы при атмосферном давлении.

Коллектив лаборатории

Кралькина Елена Александровна	д.ф.-м.н., в.н.с.
Бычков Владимир Львович	д.ф.-м.н., в.н.с.
Двинин Сергей Александрович	д.ф.-м.н., доцент
Задириев Илья Игоревич	к.ф.-м.н., н.с.
Никонов Александр Михайлович	к.ф.-м.н., м.н.с.
Вавилин Константин Викторович	к.ф.-м.н., вед.инж.
Швыдкий Георгий Вячеславович	к.ф.-м.н., вед.инж.
Андреев Глеб Игоревич	магистр
Савченко Федор Игоревич	магистр
Сороковых Дмитрий Евгеньевич	магистр
Исаев Георгий Дмитриевич	специалист
Рахман Вивиан Имранурович	специалист
Щербаков Владимир Александрович	специалист