Разработка методов получения, контроля и применения плазмы с заданными характеристиками в больших вакуумных объемах

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 магнитосферойпроблемой распространения длинных волн по волноводу ионосфера — земляфункционированием 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 объемеизучение взаимодействия мощной волны, излучаемой рамочной антенной, с замагниченной плазмой в области нижнегибридного диапазона частотразработка 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 объемеразработан комплекс диагностического оборудования, позволяющий измерять и контролировать параметры плазмы при проведении физических и технологических экспериментовразработана 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-зондана 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 работеЮ.И. Белову за неоценимую помощь в написании диссертацииА.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» .