Поверхностные волны пространственного заряда в СВЧ-структурах

• Автор: Бабенко, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 114 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ.
Введение
Глава 1. Теоретический анализ распространения поверхностных волн пространственного заряда (ПВГО) вдол поверхности диэлектрического цилиндра
1.1 Постановказадачи
1.2 Определение дисперсионшлх характеристик ПВГО
1.3 Результаты
Глава! Экспериментальная установ ка для исследования ПВГО в цилиндрической
СВЧ-структуре.
2.1 Устройсівадля возбуждения ПВГО. Расчет СВЧ-устройства для возбуждения ПВШ
и вакуумной камеры
2.2 Описание установки
2.3 Результаты
ГлаваЗ. Исследование параметров ПВГО, распросіранянмц ихся вдол> поверхности
кварцевого цилиндра
3.1 Параметры симметричной ПВГО
3.2 Параметры несимметричной ПВГО
3.3 Результаты
Глава4. Исследование свойств ПВГО, распространяющейся вдоль плоской волноведущей
СВЧ-струкгуры, и возможностей её прикладного использования.
4.1 Теоретический анализ ПВГО, распространяющейся вдоль плоской волноведущей СВЧрукгуры
4.2 Использование ПВГО в плоской мегаллодиэлектрической СВЧ-сгруктуре для осаждения плёнки аморфного углерода на диэлектрические подложки
4.3 Результаты
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ.
Газовый разряд, инициируемый электрическим пробоем, в резуллаге которого возникает плазменная среда, является богатым физическим явлением, стоящим на одном из первых мест по своему использованию как в научных, так и прикладных исследованиях.
В зависимости от способавозбуждения существуют несколько основных ввдов тазового разряда, а именно : разряд постоянного тока, импульсный разряд и разряд в переменном, обычно гармоническом, электрическом поле. В последние годы большой интерес привлекает к себе газовый разряд, возбуждаемый СВЧ-колебаниями различного вида;это объясняется несколькими причинами:
1) широкими возможностями возбуждения СВЧ-разряда с разнообразными энергетическими характеристиками и геометрией за счёт многообразия СВЧ-волноводных и резонансных структур и элементов, наличием высокоэффективных мощных СВЧ-генерагоров и контрольно-измерительной аппаратуры в этом диапазоне;
2) возникновением специфических «слоистых» резонансных или волноводных структур, важнейшим из элементов которых является плазменная среда, придающая упомянутым СВЧ-струкгурам новые полезные свойства;
3) высокой активностью и другими особенностями физико-химических процессов, происходящих в газовом СВЧ-разряде, позволяющими использовать его в целом ряде новых перспективных технологий, в частности, для получения диэлектрических плёнок различного типа, применяемых в микроэлектронике, медицине И Т.Д.
Кроме того, скорость образования плёнок, их физико-химические свойства и геометрия могут служить своеобразным индикатором свойств газового СВЧ-разряда, таких как распределение поглощённой мощности, концентрации электронов и пр.
Основная идея данной работы состоит в использовании для возбуждения, изучения и практического применения СВЧ-разряда в газах волноводов поверхностной волны, прежде всего плоских или круглых в силу их простоты и удобства использования. При подведении достаточной СВЧ-мощности к такой структуре, окруженной газовой смесью определённого состава, на ней возбуж-

дается поверхностный разряд в результате распространения поверхностной волны пространственного заряда(ПВПЗ) вдоль поверхности волновода
Впервые поверхностная волна пространственного заряда исследовалась в работе [1]: волна пространственного заряда распространявшаяся по внутренней поверхности стеклянной трубы, расположенной внутри металлического волновода, впоследствии получившей название «волна Трайвелписа-Гоудда». Позже появились устройства, позволяющие создавать плазменные столбы большой протяжённости (до 2-х метров и больше [43]) при распространении ПВГО по внутренней поверхности диэлектрических труб при пониженном давлении газовой среды (ьянГаПоп) [44,45]. ВЧ-и СВЧ-разряды, создаваемые этими устройствами в различных условиях, исследовались целым рядом авторов [46-51,55,69-70 и др.] и нашли широкое применение в различных научно-технических приложениях: для создания инверсной заселённости в активных средах Ш7 (или Б-Б) [21] и Не-Ме [22] лазеров, в спектральных источниках для атомной эмиссионной спектроскопии [23-25], в источниках ионов [26], в спектральных лампах [6], для нанесения тонких плёнок на плоские подложки [27,28], защитного покрытия наволоконные световоды [29] и пр.
Распространение поверхностной электромагнитной (как считают авторы статьи) волны, поля которой в диэлектрике определялись гиперболическими функциями, вдоль плоской волноведущей меташюдиэлектрической структуры, находящейся в продольном (вдоль структуры) магнитном поле, рассмотрено в теоретической работе [41]. В ней показано, что в зависимости от величины последнего изменяются поперечный и продольный размеры плазменной среды, локализованной вдоль структуры.
Распространение поверхностной электромагнитной волны вдоль металлодиэлектрических структур цилиндрической геометрии рассмотрено в [56,57], причём в последней работе в качестве диэлектрика была вакуумная прослойка между металлическим стержнем и плазменной средой, которая образовывалась (прослойка) засчёт приложении к стержню постоянного потенциала
Плазменная средав длинной (до 1,5 м, ширина-0,04 м) полосковой линии, образованной двумя плоскими металл-тонкий диэлектрик структурами исследовалась в [58,59]. Показано, что при подведении ВЧ-мощности (/=21 МГц) в полосковой линии при пониженном давлении газовой среды (Р(Аг}=1-120 Па) образуется существенно неоднородный по сечению и вдоль структур плазменный слой из-за образования рекима«стоячей волны» вдоль полосковой линии.

Было установлено, что Wyb не зависит от знамения начальной концентрации алейронов и их
распределения вдол, оси кварцевого цилиндра, и имеет пропорциональную зависимость от эффек-

тивной частоты столкновений (?) (см. рис. 10). Поскол>ку к,ф (Р) ос Р , то учитывая зависимость !а>) (Рис- Ю), можно сделать вывод, что <*revxj,(P) ос Р , из которого следу-
ет, что концентрация электронов и их продол>ное распределение не зависят от давления газовой среды Р в рассматриваемом интервале изменения последнего (0,5-5 Topp, см. глЗ).
Дальнейший анализ* ПВПЗ проведем пренебрегая потерями в плазменной среде, то есть полагая е" = 0 и, следовагешго, р2 = g2 = 0.
1-моды ПВПЗ типа Е01 по физическим свойствам являются аналогом ПВПЗ, распространяющихся по внутренней поверхности диэлектрических труб [6] (яг=0).
Из ур® нений (1.12,1.13) следует, что ПВПЗ могут распространяться при выполнении условия | > . Коэффициент замедления U > и с увеличением ка стремится к пределу
и, = Vkktkl-) (см-рис-Щ как и в случае плоского неограниченного диэлектрического волновода, граничащего с плазменной средой [7].
Условие распространения 1-мод азимутально-несимметричной ПВПЗ типа НЕп остается
таким же, как и для 1-мод ПВПЗ типа E0l : к | > г, , при этом коэффициент замедления U > . При малых ка (см. рис. 11) ПВПЗ имеют аномальную дисперсию - коэффициент замедления U с понижением частоты возрастает, а на высоких частотах стремится к тому же пределу, что и для ПВПЗ типа Е01 . Радиашшое распределение осевой компоненты электрического поля ПВПЗ показано нарисунке 12.
J-моды ПВПЗ гибридного типа НЕп распространяются с коэффициентами замедления , лежащ ими в интервале >U'>0 (см. рис. 11), в отсутствии ПВПЗ (я, / якр = 0) коэффициенты замедления электромагнитных волн находятся в интервале ä U ä 1, при этом, для фиксированного значения а выполняется условие U >£/.
* См. сноску настр. 21.