Использование емкостного высокочастотного разряда низкого давления в радиальном магнитном поле для получения ускоренного потока ионов

Цель исследования - изучение емкостного высокочастотного разряда в геометрии ускорителя с замкнутым дрейфом электронов. Сделано предположение, что при наличии радиального магнитного поля в приэлектродных слоях емкостного ВЧ-разряда могут быть организованы замкнутый дрейф электронов и ускорение ионов. Выполнены численное моделирование емкостного ВЧ-разряда в радиальном магнитном поле методом макрочастиц (при помощи программы КАРАТ) и экспериментальное исследование подобного разряда. В ходе анализа результатов численного моделирования определено, что плотность плазмы имеет максимум в районе наибольшей величины радиальной компоненты индукции магнитного поля; приэлектродный слой, соответствующий заземлённому электроду, локализуется на срезе разрядного канала, а электрическое поле в слое имеет постоянную составляющую, близкую по величине к амплитуде ВЧ-составляющей. Электроны в области на срезе разрядного канала дрейфуют в скрещенных электрическом и магнитном полях в азимутальном направлении по тороидальному разрядному каналу. В случае открытого разрядного канала ионы выходят из него с энергиями, соответствующими среднему за период ВЧ-колебаний потенциалу плазмы относительно заземлённого электрода. Экспериментальное исследование разряда включало нахождение вольт-амперных характеристик разряда, зондовые измерения температуры и плотности электронов на выходе из разрядного канала и внутри него, спектроскопические измерения температуры электронов в разрядном канале, а также получение энергетических распределений и концентраций ионов в выходящем из разрядного канала потоке при помощи энергоанализатора и плоского направленного зонда. Экспериментальное исследование показало, что разрядная плазма сосредоточена на срезе разрядного канала, где магнитное поле принимает своё максимальное значение, её концентрация растёт с увеличением подводимой ВЧ-мощности и величины магнитного поля. Анализ вольт-амперных характеристик позволил определить степень вложения ВЧ-мощности в плазму разряда. На выходе из разрядного канала обнаружен поток ионов, энергии которых близки к заряду иона, умноженному на амплитуду разрядного ВЧ-напряжения. Средняя энергия ионов в потоке падала с ростом магнитного поля и практически не зависела от подводимой к разряду ВЧ-мощности. Установлено, что средняя энергия ионов в случае соединения активного электрода с землёй через большую индуктивность (дроссель) превосходит в три раза среднюю энергию ионов для случая с отсутствием дросселя. Рост ВЧ-мощности и величины магнитного поля приводил к росту концентрации ионов в потоке. Обнаружено, что среднюю энергию ионов в потоке можно увеличить посредством подачи на активный электрод помимо ВЧ-напряжения добавочного постоянного смещения через большую индуктивность. По результатам экспериментального исследования сделан вывод о принципиальной возможности использования емкостного ВЧ-разряда в радиальном магнитном поле для создания ускоренного потока ионов и указаны две наиболее подходящие для этой цели схемы организации разряда: с внутренним активным электродом, на который подаётся дополнительное постоянное смещение, и с внешним активным электродом, который значительно превосходит по площади заземлённый электрод (или ту часть корпуса устройства, которая играет роль заземлённого электрода).