Ионное распыление медного катода на установке ПС-1

                                                                                                  (7.4)

где - коэффициент гидравлического сопротивления трения, который в данном случае равен .

Для условий эксперимента длина трубки с охлаждающей водой, включая выводы, составляет l » 5 м.

Поскольку слив из трубки свободный, для обеспечения указанных выше условий охлаждения, давление на входе  трубки должно быть не менее

Па.                                    (7.5)                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 8. КОЭФФИЦИЕНТ  ЗАХВАТА

 

Рассмотрим произвольную структуру, содержащую несколько поверхностей. Плотность потока молекул, покидающих элементарную площадку i- й поверхности вокруг точки с радиус – вектором

                                                                   

Где – плотность «собственного» потока молекул, создаваемого источником, если он есть на этой площадке;

 – плотность потока, падающего  на площадку  ;

  – параметр взаимодействия.

Введём понятие дифференциального  углового коэффициента . Он определяется вероятностью непосредственного попадания на площадку молекул, вылетевших с площадки вокруг точки . Иными словами, это доля потока, покидающего площадку в направлении площадки .

Рис. 19 Общая расчётная схема для определения угловых коэффициентов

Она определяется телесным углом  , под которым площадка видна из центра площадки , и законом рассеяния молекул. При диффузном рассеянии

                                                                                 (8.1)

где

                                                            (8.2)

Интегрируя по всей поверхности получаем локальный угловой коэффициент:

                                                                                (8.3)

определяющий вероятность  прямого молекулярного обмена между  элементарной площадкой  и поверхностью . Полагая далее, что , и интегрируя по всей поверхности , получаем средний угловой коэффициент:

                                                              (8.4)

определяющий вероятность прямого молекулярного обмена между поверхностями и .

Условие в реальных системах обычно не выполняется. В этом случае j – ю поверхность делят на n зон, в пределах каждой из которых указанное выше условие можно считать выполненным.

Выражения показывают, что введённые угловые коэффициенты определяются только геометрическими характеристиками[7].

 

 

 

Рис. 20 Расчётная схема для определения угловых коэффициентов

  - радиус плазмы,

  - радиус диска

,                                                  (8.5)

где           

                          – высота столба плазмы.

                        – доля выходящего потока,     

где                                                     – температура плазмы        

                                               – плотность плазмы

Рис. 21  Зависимость углового коэффициента от отношения высоты столба плазмы к радиусу плазмы

 

Плотность потока получена методом угловых коэффициентов 

                                

                                            , 

с учётом ослабления потока плазмы по экспоненциальному закону

 

  ,   

где - число вылетевших атомов,

         - число ионизованных на длине пробега в плазме с ионизационным пробегом  .

 

 

ГЛАВА 9. ЭКСПЕРИМЕНТ

 

Процесс распыления, как отмечалось вначале, имеет широкое практическое применение, поэтому необходимо экспериментально исследовать все его особенности. Теоретические расчеты показали, что распыление медного катода и последующие ионизация и захват вылетевших атомов меди осуществимы на установке ПС-1. В связи с этим, был проделан ряд экспериментов по определению зависимостей, таких как зависимость тока на катод от его положения в камере установки, зависимость светимости меди от положения катода, зависимость этих же параметров от давления в установке и от напряжения, подаваемого на катод.

9.1 Зависимость  интенсивности распыления от  давления в установке

 

Ниже приведены результаты экспериментов по зависимости светимости и тока от давления в установке. При проведении этих экспериментов катод находился в камере установке и не двигался вдоль ее оси.

Приняты следующие обозначения:

Рис. 22 Светимость и ток на катод при давлении

Торр

Рис. 23 Светимость и ток на катод при давлении

Торр

Рис. 24 Светимость и ток на катод при давлении

Торр

Рис. 25 Светимость и ток на катод при давлении

Торр

 

Из представленных данных хорошо видно, что при увеличении давления в камере установки распыление катода растет. Более того, можно  говорить о пороге давления, при  котором ток на катод и светимость меди становятся стационарны во времени, а не спадают по гиперболе. С точки  зрения теории это явление сложно объяснимо, так как оно связано  со сложным движением потоков  газа и плазмы в камере установки. Однако с практической точки зрения оно имеет важное значение, ведь эффективность распыления при переходе через пороговое давление становится намного выше.

Для выявления более точной зависимости интенсивности распыления от давления приведены следующие  графики.

Рис. 26 Ток на катод от давления в установке

 

Рис. 27 Светимость меди от давления в установке

Светимость меди измерялась монохроматором МДР-12, принцип работы которого был описан в главе 5.2.

9.2 Интенсивность  распыления при разных положениях  катода 

 

Далее представлены результаты эксперимента по снятию зависимости  интенсивности распыления от положения  катода в камере установки.

Первая серия экспериментов  выполнялась при давлении в установке

Торр.

Для того чтобы зависимости  были более понятны приведена  схема расположения катода в камере установки. Начало координат выбрано в пробке магнитной ловушки. Точка 24,7 см обозначает центр магнитной ловушки и одновременно место, куда направлен объектив монохроматора.

Рис. 28 Расположение катода в камере

 

Целью первого эксперимента было снятие зависимости светимости атомарной меди от положения катода в камере установки.

Рис. 29 Зависимость светимости меди от положения катода в камере

 

В начальный момент катод  находится в пробке, т.е. на расстоянии 27.4 см от центра ловушки и соответственно от объектива монохроматора. Монохроматор показал, что атомарной меди при  положении катода зафиксировано  мало. Это объясняется тем, что  при пролете нейтральными атомами  меди от катода до центра ловушки, большая  часть из них ионизуется, и монохроматор уже не видит их.  При движении катода к центру ловушки ионизованных атомов становится все меньше, что  прекрасно видно на графике. После  же прохождения катодом центра ловушки, светимость резко падает.

 

 

Рис. 30 Зависимость тока на катод от его положения в камере

На графике зависимости  тока от положения катода видно, что  при приближении катода к центру ловушки ток на него растет, а, следовательно, растет и распыление. Это можно объяснить тем, что при приближении к центру ловушки начинается существенное распыление катода с обратной стороны. Также в районе зафиксированного максимума распыления проходят резонансные линии ЭЦР, влияние которых на распыление не изучено. Однако можно предположить, что они существенно улучшают распыление.

Следующая серия экспериментов  также показывает зависимость интенсивности  распыления от положении катода, однако она проводилась уже при давлении в Торр, где распыление становится стационарным во времени.

Рис. 31 Зависимость тока на катод от его положения в камере

 

Полученная зависимость  совпадает с предыдущей. За исключением того, что значения тока на катод здесь выше. Увеличение тока объясняется увеличение давления в установке по сравнению с прошлым экспериментом. Положение же максимума распыления остается в той же точке. Итак, при разных давлениях форма зависимости сохраняется, меняются только значения тока на катод.

Следующий график описывает зависимость уже ионов  меди от положения катода в камере.

Рис. 32 Светимость ионов меди от положения катода

 

Анализирую данный график, видно, что при приближении катода к центру магнитной ловушки светимость ионов меди падает. Длина ионизации  меди, как было рассчитано в главе 6, равна 30 см. Соответственно при расстоянии между катодом и объективом монохроматора  более 30 см светимость ионов должна быть максимальна, по мере уменьшения расстояния - она должна уменьшаться. Минимум же светимости зафиксирован в положении, максимально близком к объективу монохроматора, так как количество ионизированных атомов меди там крайне мало.

 

 

9.3 Интенсивность распыления от  напряжения на катоде

 

Данный эксперимент заключался  в измерении интенсивности распыления при подаче пилообразного напряжения на катод. Подача такого напряжения и  анализ результатов эксперимента позволят сравнить полученные зависимости с теоретически рассчитанными по теории Зигмунда. На приведенном ниже графике можно наблюдать полученную зависимость.

Рис. 33 Интенсивность распыления от напряжения на катоде

Рис. 34 Светимость меди от напряжения на катоде

 

Напряжение, подаваемое на катод, пропорционально энергии  иона бомбящего его. Поэтому можно  провести аналогию между проведенным  экспериментом и теоретическим  результатам по зависимости коэффициента распыления от энергии падающих ионов. Видно, что полученная зависимость согласуется с рассчитанной по теории Зигмунда-Мацунами.

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дипломной работе:

1. Рассмотрена конструкция  установки ПС-1 и основные физико-технические принципы ее работы.

2. По теории Зигмунда-Мацунами рассчитаны коэффициенты распыления меди и урана.

3. Рассчитаны энергетические  и угловые распределения распыленных  атомов.

4. Проведен расчет длины  ионизации атомов меди, который  показал, что эта длинна сравнима с размерами плазмы в установке и что эксперимент может быть проведен на ПС-1.

5. Проведены тепловой и гидравлический расчеты, для подготовки проведения эксперимента.

6. Рассчитан коэффициент  захвата атомов меди в плазме.

7. Экспериментально получены зависимости тока на катод и светимости меди от давления в камере, положения катода в камере установки и от напряжения подаваемого на катод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

 

1. Жильцов В.А. и др. // Атомная энергия//, Т. 101, ВЫП. 4, 2006/

2.  Sigmund P. //Theory of sputtering // Phys. Rev., (1969), v.184, n.2, pp.383-416.

3. Плешивцев Н.В., Бажин А.И. //Физика воздействия ионных пучков на материалы//

4. Dembowski J. //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research// Amsterdam, 1987, pp.464-470

5. Стриганов А.Р., Свентицкий Н.С. //Таблица спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов//, М., Атомиздат, 1966.

6. Физические величины. Справочник, под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова, М.: Энергоиздат, 1991.

7. Саксаганский Г.Л. //Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах// М: Атомиздат, 1980