Контрольная работа: Наиболее важные применения газового разряда

 N(Ar₀)^opt·R~10¹⁴см^-2 или P_Ar^opt·R = 0,005…0,01 Тор∙см (21)

и максимальным плотностям тока, которые ограничиваются лишь явлением электрофореза газа, а также перегревом и разрушением разрядной трубки:

I^opt/R ≤ 450 А/см, (22)

при этом

κ₀^maxR = 5∙10^-3 иP_вых^max(Вт) = π·L(см) ,(23)

где L-длина ПС.

Импульсные газоразрядные лазеры низкого и среднего давления. Импульсный режим газового разряда в некоторых случаях оказывается полезнее стационарного. Он позволяет снизить среднюю тепловую нагрузку на разрядную трубку лазера при высокой вкладываемой в разряд импульсной мощности. Кроме того, на некоторых квантовых переходах инверсия в стационарном разряде невозможна, однако она может быть создана в импульсном режиме в интервалы времени, когда возникают так называемые «ионизационная» и «рекомбинационная» неравновесность плазмы.

В период ионизационной неравновесности, а именно - в начальные моменты протекания разрядного тока, как принято говорить - на «переднем фронте» импульса тока, инверсия возникает у группы лазеров, работающих на переходах с резонансного (верхнего) на метастабильный (нижний) квантовые уровни. В качестве примера на рис. 10 показана схема лазера на смеси паров меди с буферным газом. Пары меди (давление до 1Тор) создаются за счет “саморазогрева” протекающим импульсным током разрядного канала трубки с навесками меди. Импульсы тока через трубку формируются путем разряда накопительного конденсатора (заряжаемого от выпрямителя) через управляемый коммутаторный газоразрядный прибор (тиратрон или таситрон, см., ниже). Инверсия населенностей и генерация на переходах в атоме меди с λ510 нм и 578 нм (зелёная и жёлтая линии) реализуется в течении первых нескольких десятков наносекунд после начала протекания тока (передний фронт нарастания импульса тока). Далее инверсия отсутствует и ток прекращается. Лазер работает в т.наз. «импульсно-периодическом» режиме при частоте повторения импульсов до 10² кГц.

Наличие буферного газа обеспечивает начальное зажигание разряда и дальнейший саморазогрев разрядной трубки, препятствует появлению плёнки меди на внутренних поверхностях окон трубки, а также для данного лазера ускоряет релаксацию атомов меди из нижнего лазерного квантового состояния в основное энергетическое состояние атома.

Лазеры с созданием инверсии в период «рекомбинационной» неравновесности плазмы, в интервал времени сразу после окончания импульса тока (в «послесвечении» разряда), называют также «рекомбинационными» или «плазменными». Примером такого лазера, схема которого показана на рис. 11, является гелий-стронциевый импульсный лазер. Гелий в этом лазере выполняет все функции буферного газа в лазерах на парах металла. Инверсия создается на квантовых переходах однократно-ионизированного стронция с λ416нм и 430,5нм в фиолетовой части спектра. Накачка лазерного перехода осуществляется в «послесвечении» разряда путем трёхчастичной ударно-излучательной рекомбинации двукратно-ионизированного стронция Sr⁺⁺ с участием остывающих электронов плазмы ПС. Инверсия при этом создаётся за счет «сверхупругих» столкновений ионов стронция в нижнем лазерном состоянии с этими же остывающими электронами. Двукратно-ионизированные атомы стронция Sr⁺⁺ с высокой концентрацией создаются во время протекания импульса тока главным образом путем «прямой» и «ступенчатой» ударной ионизации атомов стронция.

Импульсные газоразрядные лазеры с несамостоятельным разрядом высокого давления (электроионизационные лазеры).

Проблема повышения мощности импульсного газоразрядного лазера может быть решена путём повышения концентрации активных частиц, т.е. давления газа. Это приводит к пропорциональному повышению напряжения зажигания (см., (2.7) и кривую Пашена на рис. 2.1), поэтому в электроионизационных лазерах используется ПС разряда, в котором вектор электрического поля-E_z направлен перпендикулярно оптической оси резонатора (разряд «поперечного» типа). После приложения напряжения к электродам-U, меньшего, чем напряжение зажигания-U_заж, т.е. U<U_заж, условия для возникновения электронной лавины не создаются и разряд не возникает. Зажигание разряда происходит в момент включения источника дополнительной ионизации: либо облучения межэлектродного промежутка импульсом УФ-излучения через прозрачную стенку разрядной кюветы, либо введения в межэлектродный промежуток лазера через тонкую металлическую фольгу пучка быстрых электронов.

. Приборы плазменной газоразрядной электроники

Действие всех приборов этой группы основано на явлении газового разряда различных типов (дугового, тлеющего, искрового, коронного). К таким приборам относятся выпрямительные, коммутаторные и индикаторные ионные приборы тлеющего и дугового разряда: газотроны, разрядники, тиратроны, таситроны, стабилитроны и др.

Выпрямительные газоразрядные приборы в настоящее время в значительной степени вытеснены соответствующими полупроводниковыми приборами, и мы не будем на них останавливаться.

Достоинства газоразрядных коммутаторов по сравнению с электровакуумными определяются тем, что в газоразрядной плазме имеются положительные ионы, и они компенсируют объемный заряд электронов. Поэтому концентрация электронов, которая определяет проводимость прибора, может быть сделана гораздо большей, чем в электровакуумных лампах, что приводит к значительно большим значениям коммутируемого тока и большему к.п.д.

В разрядниках с высоким давлением наполняющего газа начальный искровой разряд переходит в сильноточный дуговой. Двухэлектродные разрядники применяются в устройствах защиты от перенапряжений и в качестве коммутаторов высокого напряжения, трёхэлектродные разрядники с управляющим (поджигающим) электродом используются также в качестве коммутаторов наряду с тиратронами и таситронами.

Тиратрон-обладающий вентильными свойствами и работающий в ключевом режиме газоразрядный прибор с сеточным управлением момента возникновения тлеющего (холодный катод с ИЭЭ) самостоятельного разряда или дугового (подогревной катод с ТЭЭ) несамостоятельного разряда. В качестве коммутаторов коротких импульсов (1нс…неск. мкс), больших напряжений (до 10⁵ В) и токов (до 10 кА) наиболее часто используются импульсные водородные тиратроны с катодом, работающим в дуговом режиме. Промежуток анод-катод включается всегда в прямом направлении. Помимо величины коммутируемого тока, важной характеристикой тиратрона является максимальное значение напряжения на промежутке анод-катод U_А-К при отсутствии управляющего напряжения на сетке и анодного тока. С целью повышения U_А-К в тиратронах используется область давлений наполняющего газа не превышающих 1Тор (левая ветвь кривой Пашена), а в качестве такого газа - водород, ионы которого из-за малой массы минимально разрушают катод вследствие катодного распыления. Зажигание разряда происходит при подаче напряжения U_А-К, а затем импульса положительного напряжения на сетку. В результате в промежутке сетка-катод возникает плазма, которая проникая за счет диффузии в промежуток сетка-анод, инициирует электронную лавину и зажигание разряда по всему промежутку катод-анод. После зажигания разряда, в отличие от вакуумного триода, сетка теряет управляющие свойства, так как её потенциал “проникает” в плазму разряда промежутка анод-катод лишь на глубину, не превышающую величину дебаевского радиуса экранирования r_д. Поэтому ток в промежутке анод-катод прекращается только после снятия напряжения U_А-К (например, после полного разряда конденсатора). На рис. 10 и 11 приведены электронные схемы формирования импульсов тока большой величины при высоком напряжении в газоразрядных лазерах, где используется разряд накопительной емкости на нагрузку, а качестве коммутатора (ключа) применяется импульсный водородный тиратрон с дуговым разрядом. В таситроне в отличие от тиратрона сетка делается с мелкими, размером меньше величины дебаевского радиуса r_д, ячейками, что позволяет управлять величиной анодного тока, в том числе и обрывать импульс тока даже при наличии анодного напряжения.

В “индикаторных” тиратронах тлеющего разряда (“холодный” катод, стеклянный баллон, наполнение-инертный газ) в момент подачи управляющего импульса на сетку, возникают анодный ток и свечение плазмы, и такие тиратроны используются в качестве элементов матричных индикаторов экранов (табло) коллективного пользования.

Наряду со стабилитронами тлеющего разряда для многократно более высокого напряжения применяются стабилитроны коронного разряда, с водородным наполнением при давлении порядка атмосферного.

. Газовый разряд в ионно-плазменной технологии

При бомбардировке поверхности твердого тела (мишени) отдельными атомами или ионами с кинетической энергией, превышающей энергию связи атомов в решетке, атомы мишени перемешаются в новые положения, образуя поверхностные повреждения решетки, что может привести к выбиванию атомов из мишени, то есть - к переводу их в газовую фазу. Обычно бомбардировка осуществляется ионами, т.к. с помощью электрических полей ионы можно ускорять до достаточных энергий, и такое явление называется ионным распылением.

Непосредственно перед столкновением с поверхностью ион нейтрализуется электроном, выбитым из мишени за счет поля, создаваемого самим ионом (автоэлектронная эмиссия электрона). Оказалось, что пороговая энергия для распыления слабо зависит от масс налетающего иона и атома мишени, и это говорит о том, что в столкновениях принимают участие, как правило, несколько атомов решетки. Типичная пороговая энергия иона для ионного распыления составляет несколько десятков эВ. Скорость распыления мишени, кроме энергии ионов, зависит от электронной структуры атомов газа и мишени, ориентации кристаллической решетки, энергии связи атомов в ней и ряда других факторов.

На практике наиболее часто применяется бомбардировка поверхности твердого вещества ионами в следующих технологических процессах, цепочка которых составляет ионно-плазменную эпитаксиальную технологию:

ионное плазменное травление-очистка поверхности подложки за счет катодного распыления бомбардировкой ионами газа, при этом подложка является катодом в разряде постоянного тока или одним из электродов в высокочастотном разряде (ВЧ-плазменное травление) (см., схему на рис. 12,а.) В результате получают атомарно чистую поверхность подложки-катода за счет того, что из поверхностного слоя катода выбиваются как атомы металла, так и атомы примесей (т.е. происходит удаление поверхностного слоя и содержащихся в нем примесей);

катодное (ионное или ионно-плазменное) распыление мишени с последующим нанесением «распыленных» атомов мишени на подложку (см., рис. 12,б.). Используются как разряд постоянного тока в газе (мишень либо является катодом, либо находится в плазме под отрицательным потенциалом), так и высокочастотный разряд, при этом мишень является одним из электродов (ВЧ-плазменное распыление);

катодное осаждение: подложка является катодом, созданные при испарении (возгонке) из испарителя атомы вещества ионизируются в плазме газового разряда, ускоряются в электрическом поле катодной области и бомбардируют поверхность подложки-катода, проникая в её поверхностный слой (см., рис. 12,в.).

Ионное плазменное распыление мишени может быть реализовано двумя способами: ускорение ионов происходит в катодной области аномального тлеющего разряда в газе, при этом мишень, либо является катодом, либо неся отрицательный потенциал, помещается в плазму, созданную вспомогательным разрядом, и вытягивает на себя ионы газа. Несмотря на то, что ионное распыление уступает в скорости образования пленки на подложке вакуумному испарению, оно успешно используется для распыления тугоплавких металлов, допускает распыление «холодной» мишени, не изменяя при этом ее структуру, позволяет использовать как мишени большой площади, что обеспечивает однородность толщины пленки на подложке, так и мишени-катоды нужной формы. Например, для нанесения пленки на внутреннюю поверхность трубы можно использовать коаксиально расположенную внутри этой трубы мишень-стержень, если же нужно нанести пленку на стержень, можно вокруг него разместить трубчатый катод.

Аналогично при катодном осаждении подложка либо является катодом, либо неся отрицательный потенциал, помещается в плазму, созданную вспомогательным разрядом, и вытягивает на себя ионы испаренного вещества.

Травление поверхности и распыление диэлектрических материалов обычно производится с помощью высокочастотного поля, поскольку в ВЧ-разряде вблизи электродов так же, как и в КТП тлеющего разряда, возникает постоянное по направлению электрическое поле, ускоряющее ионы.

Если разрядная камера будет заполнена химически активным по отношению к частицам мишени газом, то распыленные частицы мишени перед осаждением на подложку вступают с ним в реакцию, и такое распыление (осаждение) называют реактивным.

Рис. 1. а-схема включения ртутной лампы низкого давления, питаемой от сети переменного тока промышленной частоты со «стартерным пуском». 1-лампа, 2- стартер тлеющего разряда с биметаллическим электродом, Др-балластный дроссель, С-пусковой конденсатор; б - блок-схема питания лампы с преобразованием частоты.

Рис. 2. Зависимости параметров плазмы ПС ртутной лампы низкого давления от давления паров ртути

Рис. 3. Схема включения ртутной лампы высокого давления в сеть переменного тока промышленной частоты. 1-“горелка”лампы, 2-основные электроды, 3-вспомогательные (поджигающие) электроды, 4-вводы электродов в кварц “через металлическую фольгу”, Др-балластный дроссель; R- балластные резисторы в цепи вспомогательных (поджигающих) электродов. Стеклянная оболочка не показана.

Рис. 4. Кривые Пашена для зажигания разряда в ртутной лампе высокого давления: 1-в “холодной” лампе между основными электродами, 2- в “холодной” лампе между основным и вспомогательным электродами, 3-в «горячей» лампе при неполной дезактивации плазмы, U_C-напряжение сети, приложенное к лампе.

Рис. 5 Газоразрядная плазменная панель с импульсным «безэлектродным» разрядом: а-устройство ячейки, б-схема электродов и адресации ячейки (субпикселя).

Рис. 6. Конструкция He-Ne лазера. 1 - капилляр (область ПС), 2 - анод («+» источника питания), 3 - катод («-» источника питания), 4 - выходное окно трубки, 5 - зеркала открытого оптического резонатора, 6 - стеклянная оболочка трубки. Источник питания не показан.

Рис. 7. Зависимости скорости накачки лазерных уровней и мощности излучения на линии λ632,8 нм Ne в ПС разряда в смеси гелия и неона (активной среде гелий-неонового газоразрядного лазера) от тока (а) и давлений компонентов смеси (б,в).

Рис. 8. Схема лазера на двуокиси углерода (смесь СO₂-N₂-He) с водяным охлаждением и возбуждением в ПС продольного разряда. 1 - разрядный канал с ПС, 2 и 3 - электроды, 2-катод, 3-анод, 4 - рубашка водяного охлаждения, 5 - стеклянная оболочка трубки, 6 - зеркала открытого оптического резонатора. Источник питания не показан.

Рис. 9. Схема ионного лазера на парах металла (Cd, Se) с продольным разрядом и введением паров металла с помощью катафореза. 1 - анод («+» источника питания), 2 - катод («-» источника питания), 3 - капилляр (область ПС), 4 - выходное окно трубки, 5 - испаритель, 6 - холодильник, 7 - зеркала открытого оптического резонатора. После переключения полярности напряжения, приложенного от источника питания (на схеме не показан), функции электродов (анода и катода), а также испарителя и холодильника изменяются на противоположные.

Рис. 11. Схема импульсного лазера на парах металла (стронция) с созданием паров путем «саморазогрева» разрядной трубки. 1 - разрядный канал с ПС, 2 и 3 - электроды, 2-анод, 3-катод, 4 - навески рабочего вещества (стронция), 5 - оболочка трубки (кварц, керамика), 6 - зеркала открытого оптического резонатора.

Рис. 12. Схемы ионно-плазменных газоразрядных методов в планарно-эпитаксиальной технологии. а - ионное травление поверхности подложки: 1- подложка (катод), 2-анод, 3-стеклянный колпак установки, Г⁺-ион газа,-распыленные частицы поверхностного слоя подложки; б - ионно-плазменое (катодное) распыление материала мишени с последующим нанесением его на подложку: 2-мишень, М-частицы мишени; в - катодное осаждение вещества “И” из испарителя на подложку в виде высокоэнергетического иона: 1- подложка (катод), 4 - испаритель с веществом 5, “И”-частицы испаряющегося вещества, наносимые на подложку в виде иона “И⁺”.