Untersuchungen an einer gepulsten DC−Entladung bei 500 kHz in

Untersuchungen an einer gepulsten DC−Entladung bei 500 kHz in Wasserstoff
U. Czarnetzki, D. Luggenhölscher und H.F. Döbele
Institut für Laser− und Plasmaphysik, Universität GH Essen, 45117 Essen
Institut für Laser−
und Plasmaphysik,
Uni GH Essen
http://www.ilp.physik.uni−essen.de/doebele
Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung
Experimenteller Aufbau
Elektrische Charakteristik
f = 500 kHz U0 = 400 V
L0 = 0,24 µH C0 = 90 nF
100
p = 80 Pa
R0 = 8 Ω ⇒
f0 = 34 Mhz τ0 = 60 ns
100
a)
−200
−300
−400
0
100
Elektrodendurchmesser 10 cm
Elektrodenabstand 2,5 cm
1000
1500
2000
−400
−500
0
100
−100
−200
−300
−400
Plot1
−500
−600
Messung der Plasmaemission bei Hα mittels
einer gegateten CCD−Kamera.
0
500
1000
1500
50 100 150 200 250 300 350 400
time (ns)
b)
applied voltage (V)
Messung der elektrischen
Feldstärkeverteilung mittels Fluoreszenz−Dip−
Spektroskopie an atomarem Wasserstoff.
b)
0
−100
−200
−300
−400
2000
time (ns)
1000
1050
1100
1150
time (ns)
Abschaltphase
Einschaltphase
Die verschiedenen Phasen der Entladung
−300
0
applied voltage (V)
Die Messungen zeigen eine Reihe von unerwarteten Ergebnissen: Das Einschalten
der Entladung erfolgt aufgrund der Eigenimpedanz der Entladungskammer mit einer
RF−artigen Hochfrequenzanregung von ca. 36 MHz. Diese ca. 100 ns lange Phase
bestimmt nachhaltig die Elektronendichte in der Entladung. Weiterhin zu nennen
sind u.a. das Auftreten eines negativen Plasmapotentials sowie einer sehr geringen
Beweglichkeit der negativen Ladungsträger. Die Ergebnisse der verschiedenen Dia−
gnostiken werden miteinander verglichen und diskutiert.
500
−200
−600
−50
Plot1
−600
−100
990820B.org
applied voltage (V)
applied voltage (V)
−100
−500
GEC−Referenz Zelle:
a)
0
0
Hier wird die Untersuchung einer gepulsten DC−Entladung in Wasserstoff bei 500
kHz mit einem symmetrischen Puls−Pausen−Verhältnis vorgestellt. Durch ein spezi−
ell entwickeltes Netzteil sind sehr steile zeitliche Flanken von nur ca. 10 ns möglich.
Die Untersuchungen werden in einem standardisierten Parallelplattenreaktor (Elek−
trodendurchmesser 10 cm, −abstand 2,5 cm), der sogenannten "GEC−Zelle, durchge−
führt. Als Meßmethoden werden die laserspektroskopische Bestimmung der elektri−
schen Feldstärkeverteilung durch Fluoreszenz−Dip−Spektroskopie, optische Emis−
sionsspektroskopie bei Balmer−alpha und Langmuir−Sondenmessungen eingesetzt.
990820B.org
Gepulste Entladungen erlauben durch die gezielte Einstellung der Frequenz und des
Puls−Pausen−Verhältnises die Erzeugung von extremen Nichtgleichgewichtszustän−
den z.B. der Elektronenenergieverteilung oder der chemischen Zusammensetzung,
wie sie in kontinuierlich betriebenen Entladungen nicht vorkommen.
a) Einschaltphase
(0 < t < 200 ns)
b) quasistationäre Einphase
(200 ns < t < 1000 ns)
c) Abschaltphase
(1000 ns < t < 1200 ns)
d) quasistationäre Ausphase
(1200 ns < t < 2000 ns)
Plasmaemission bei Hα über eine Entladungsperiode
Plasmaemission bei Hα während der Einschaltphase
Plasmaemission bei Hα während der Abschaltphase
Quasistationäre Einphase
50
1200
t = 170 ns
t = 430 ns
t = 690 ns
t = 950 ns
800
600
− Die Feldstärkeverteilungen zeigen, daß sich während
der Abschaltphase die Ionendichte in der Schicht erhöht,
d.h. zu Beginn der Einschaltphase liegt eine höhere
Ionendichte vor als während der quasistationären
Einphase. Dies führt zu einem in der Einschaltphase
anfänglich erhöhten Ionenstrom und zu einer verstärkten
Plasmaheizung.
t = 95 ns
t = 170 ns
t = 430 ns
t = 690 ns
t = 950 ns
40
V/cm
electric field (V/cm)
1000
30
20
400
10
0
1
2
3
4
5
distance from powered electrode (mm)
0
0,0
6
Feldstärkeverteilung vor der getriebenen Elektrode
9
2,0
t = 170 ns
1,0
0
1
2
3
4
5
distance from powered electrode (mm)
600
400
200
990816a.org
t = 690 ns
0,5
800
probe voltage during off−phase:
Uoff = 0 V
Uoff = 5 V
Uoff = 10 V
Uoff = 15 V
7
6
5
− Das Fehlen einer Schicht vor der geerdeten Elektrode,
der gemessene Feldstärkeverlauf und das mit der Sonde
gemessene negative Plasmapotential sind konsistent.
4
3
2
1
0
0
6
Nettoladungsträgerdichte vor der getriebenen Elektrode
8
000324b.opj
1,5
measurement
1/2
fit x
2/3
fit x
Probe Current (mA)
electric field (V/cm)
2,5
− Deutlich ist am Feldverlauf die Änderung der
Beweglichkeit der Ionen zu erkennen. Der Vergleich mit
dem aus den Querschnitten erwarteteten Verhalten deutet
auf eine Dissoziation von H3+ in H+ und H2 hin.
− Der aus der Anpassung des Feldstärkeverlaufs sich
ergebende Ionenstrom von 4,8 A/m2 ist vergleichbar mit
einem Ionensättigungsstrom bei einer Plasmadichte von
1016 m³ und einer Elektronentemperatur von 1 eV.
10
1000
ion density (1015m−3)
3,0
Feldstärkeverteilung vor der geerdeten Elektrode
„Ionenchemie“ im Bulk und in der Schicht
3,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Abstand zur geerdeten Elektrode (mm)
1
2
3
4
distance from cathode (mm)
5
6
0
− Die sich daraus ergebende kleine Beweglichkeit der
negativen Ladungsträger ist allerdings nicht realistisch.
Plot1
0
Plot2
Plot1
200
−1
−60
−55
−50
−45
−40
−35
−30
−25
Probe Voltage Uon (V)
Vergleich von Messung und theoretisch erwartetem Verhalten
− Die Feldmessungen könnten jedoch auch das Mikrofeld
des Plasmas und damit den Verlauf der Plasmadichte
wiederspiegeln.
Sondenkennlinie im Plasmazentrum
Quasistationäre Ausphase
50
1000
− Die relativ starke Fluoreszenz während der Ausphase ist
überraschend. Rekombination mit H3+ führt zu keiner
Fluoreszenz und sowohl die Dichte wie auch die Raten für
H+ sind um Größenordnungen zu klein. Rekombination
von H− mit H2+ würde eine Rate in der richtigen
Größenordnung ergeben. Raten mit H3+ sind uns nicht
bekannt.
900
t = 1020 ns
t = 1175 ns
t = 2000 ns
700
40
600
30
500
U (V)
electric field (V/cm)
800
400
20
300
200
10
Plasmaemission bei Hα während der quasistationären Ausphase
Feldstärkeverteilung vor der geerdeten Elektrode
0
1000
1200
10
5
0
0
2
4
6
8
10
12
Distance from powered electrode (mm)
14
Feldstärkeverteilung vor der getriebenen Elektrode
1020 ns
1175 ns
2000 ns
8
6
4
4
3
1
−1
0,2
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
distance from grounded electrode (mm)
1,8
Nettoladungsträgerdichte vor der geerdeten Elektrode
− Vor der geerdeten Elektrode baut sich eine Schicht mit
einem zeitlich konstanten Potential von 40 V auf. In
diesem Potenial fließen die Ionen aus der Schicht ab, und
die Schicht dehnt sich aus.
− Nimmt man an, daß aus dem Bulk die Ionen nur mit
thermischer Geschwindigkeit nachfließen, so ergibt sich
über die Dichte in der Schicht nahe der Elektrode und die
Driftgeschwindigkeit der Ionen eine Plasmadichte von
1,5 1016 m−3, was realistisch erscheint.
− Vor der getriebenen Elektrode baut sich keine Schicht
auf. Möglich ist auch hier, daß die Meßung das Mikrofeld
und damit die Plasmadichte wiederspiegelt.
2
0
2
0
0,0
2000
Plot2
15
1800
probe voltage during on−phase
Uon = −50 V
Uon = −45 V
Uon = −40 V
10
Probe Current (mA)
20
net charge density (1015 m−3)
t = 1500 ns
25
1600
time (ns)
6
5
30
1400
Spannung über der Schicht vor der geerdeten Elektrode
12
990715B.opj
electric field strength (V/cm)
35
Voltage
0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4
distance from grounded electrode (mm)
Plot1
100
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Probe Voltage Uoff (V)
Sondenkennlinie im Plasmazentrum
− Ein Anstieg der Ionendichte in der Schicht allein durch
ambipolare Diffusion ist auf der Zeitskala von 1 µs nicht
möglich. Das hohe Feld und der große Strom während
des feldumkehrartigen Prozesses in der Abschaltphase
könnten hier die Ursache sein.
− Es wird nun ein positives Plasmapotential gemessen.