A N N A L E S
U N I V E R S I T A T I S M A R I A E C U R I E - S K Ł O D O W S K A L U B L I N — P O L O N I A
VOL. LII/LIII, 7_____________________ SECTIO AAA_________________________ 1997/1998
Instytut Fizyki, Uniwersytet Marii Curie-Sklodowskiej, 0 20-031 Lublin, pi. M Curie-Sklodowskiej 1
HELENA MURLAK-STACHURA, PIOTR SMOLEN
Rozkład energetyczny jonów poświaty ujemnej wyładowania jarzeniowego
Energy distribution o f ions produced in the negative glow gas discharge
1. WPROWADZENIE
Analiza jonów pochodzących z poszczególnych stref wyładowania jarzenio
wego jest w większości przypadków możliwa dzięki ich wcześniejszej ekstrakcji za pomocą małej elektrody z otworem, umieszczonej na ściance rury do wyła
dowań. Jeśli celem badań jest określenie rodzaju jonów obecnych w wyładowa
niu oraz ich stosunków ilościowych, to zaburzenie spowodowane przez sondę ekstrakcyjną je st mniej ważne, jednak podczas analizy procesów w wyładowa
niu jest konieczne, aby próbkowanie nie zakłócało parametrów plazmy [3-5].
W niniejszym artykule są przedstawione wyniki badania rozkładów energe
tycznych jonów azotu, wyciąganych z poświaty ujemnej wyładowania jarzenio
wego.
2. WYNIKI POMIARÓW
Jony wyciągano z poświaty za pomocą sondy z otworem, umieszczonej na ściance rury do wyładowań. Rozkład energetyczny jonów wyznaczono metodą siatek hamujących. Szczegółowy opis aparatury pomiarowej przed
stawiono w publikacji [1]. Na rycinie la punkty wyznaczają krzywe natężenia prądu kolektora / c w funkcji napięcia hamującego U. Krzywe odpowiadają
różnym potencjałom polaryzacji sondy ekstrakcyjnej. We wszystkich przedsta
wionych przypadkach potencjał sondy ekstrakcyjnej został odniesiony do poten
cjału pływania. Funkcje rozkładu jonów F(U) otrzymano na podstawie zależno
ści 7 , = / ^ [2],
F(e = e ■ U) = const ■ 1 d l c
JU ~ d U (1)
Na rycinie lb punktami zaznaczono eksperymentalnie otrzymane funkcje rozkładu jonów względem energii.
Jak wynika z otrzymanych krzywych, maksimum funkcji rozkładu przesuwa się wzdłuż osi energii wraz ze zmianą polaryzacji sondy ekstrakcyjnej. Zależ
ność ta ma charakter liniowy (Ryc. 2).
Wartość funkcji rozkładu w maksimum w zależności od napięcia sondy eks
trakcyjnej przedstawia rycina 3. Widać, że maksimum funkcji rozkładu rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem ujemnego potencjału polaryzacji sondy.
Postać funkcji opisującej zależności natężenia prądu kolektora od napięcia hamującego Ic=f(U) została dopasowana do krzywej doświadczalnej, którą względnie dobrze opisuje funkcja (półempiryczna)
, Pi ~ P iUh (2)
l ' ~ e (P 2 -u h)P, + J
Współczynniki p\, p-i, pi, pa, zostały numerycznie wyznaczone w oparciu o dane doświadczalne. Zależą one od natężenia prądu wyładowania, ciśnienia gazu i potencjału polaryzacji sondy ekstrakcyjnej. Na rycinie la krzywe 7C =f(U) wykreślone na podstawie wzoru (2) przedstawione są linią ciągłą.
Po obliczeniu pierwszej pochodnej funkcji Ic = f(U) określonej wzorem (2), otrzymano następującą postać funkcji rozkładu
F (e = e-U) = const ■ -j=
(
Pa P i i P A U h - P i ) e P l ( p : - Vh)
e P i ( P i U > , ) + \ [ e P , ( P i ~ U k ) + 1 (3)
Na rycinie lb linią ciągłą przedstawiono funkcję rozkładu jonów względem energii otrzymane na podstawie wyrażenia (3).
Zależność natężenia prądu kolektora w funkcji napięcia hamującego U — przy stałym potencjale polaryzacji sondy ekstrakcyjnej, a różnych natężeniach prądu wyładowania — przedstawia rycina 4. Funkcje rozkładu otrzymane na pod
stawie tych krzywych przedstawione zostały na rycinie 5. Na rycinach 4 i 5 porów
nano wyniki otrzymane doświadczalnie (krzywe zaznaczone punktami) z wyni
kami otrzymanymi z półempirycznych wzorów (2) i (3) (krzywe ciągłe).
Przedstawione tu rezultaty badań dowodzą, że otrzymane półempirycznie zależności (2) i (3) dość dobrze opisują kształt krzywych doświadczalnych.
3. PODSUMOWANIE
Otrzymane doświadczalnie funkcje rozkładu jonów poświaty ujemnej wyła
dowania jarzeniowego pozostają w dobrej zgodności z wynikami otrzymanymi z półempirycznych wzorów (2) i (3). Kształt tych funkcji jest bardzo podobny, zmiana położenia maksimum funkcji na osi energii oraz wielkość maksimum funkcji wykazują taki sam charakter zmian, jak w przypadku wyników ekspery
mentalnych (Ryc. 2 i 3).
Ryc. la. Natężenie prądu kolektoraIt w funkcji potencjału hamującego U. Ciśnieniep = 2,5 10'2Tr, natężenie prądu wyładowania Id= 30mA. 1 - Us= -130V; 2 - Us = -120V; 3 - Us = -110V;
4 - U = -100V; 5 - Us = -90V ; 6 - Us= -80V; 7 - U,= -70V; 8 - U, = -60V ; 9 - Us= -50V Collector current intensity lc vs retarding potential U. Pressurep = 2.5-10-2 Tr. Discharge current
intensity ld = 30 mA \-U = - 1 30V; 2 - U,= -120V; 3 - U,= - 1 10V; 4 - Us= -100V;
5 - U,= -90V ; 6 - U,= -80V ; 7 - U,= -70V ; 8 - U,= -60V ; 9 - U,= -50V
Rye. lb. Funkcja rozkładu jonów względem energii; p = 2,5 10':Tr; /rf=30mA: l - t / , = - 1 3 0 V ; 2 - Us = -120V; 3 - Us = - \ 10V; 4 - Us = -100V; 5 - U ,= -90V ; 6 - U ,= -80V; 7 - Us = -70V;
S - U 3 = - 6 0 V ; 9 - Us= -50V
Ion energy distributions. Symbols, measured distributions, solid lines, distributions fitted with formula (3).p = 2.5-10'2 Tr, Id= 30 mA. 1 - U,= -130V; 2 - Us = -120V; 3 - U, = - 1 10V;
4 - Ua■= -100V; 5 - Us =-90V ; 6 - l/,= -8 0 V ; 7 - C/,= -70V ; 8 - US= - 6 0 V ; 9-1/, = -50V
§ O
X o
X
o - z doświadczenia
* - przewidywana
i o
X i
110
■ 100
■90
80 P
i
i
■ 70
■60
— ■- i i i i--- 1--- 1--- 1 i--- 1--- 1--- 1 i--- 1--- 1--- 1--- 1--- 1--- 1--- 3 0
-140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40
U.|V|
Rys. 2. Położenie maksimum funkcji rozkładu na osi energii w zależności od potencjału polaryzacji sondy ekstrakcyjnej;p = 2,5 10'2Tr; Ij= 30mA
Position o f distributions maximum on the energy axis vs potential o f the extracting electrode.
p = 2.5- 10'2Tr; ld = 30 mA
O 0,9
o - z doświadczenia
* - przewidywana
o
x o
x
o
X fi
0.8
0,7
• 0,6
■ 0,5
- 0,4
>it DuT
ft o
X
0,3
0.2
, ■ i ■ i . i . ■ . ■ ■ i_____ ł i i i i_____i—
-140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50
u, m
- 1 0,1
•40
Ryc. 3. Maksymalna wartość F(U) w zależności od potencjału polaryzacji sondy ekstrakcyjnej.
p = 2,5 10'2Tr; Id= 30mA
Distributions maximum vs potential o f the extracting electrode, p = 2.5-10~2 Tr; ld = 30 mA
Rye. 4. Natężenie prądu jonów dochodzących do kolektora w funkcji potencjału hamującego w przypadku różnych wartości natężenia prądu wyładowania; p = 3,5 10'2Tr; Us = - 125 V:
Ml!) Ij= 45mA; 2-(A) ld= 35mA; 3-(x) Id= 30mA; 4—(*) U= 25mA; 5 -(-) ld= 20mA Intensity of ion flux arriving at the collector vs retarding potential for various discharge currents.
p = 3.510’2 Tr; Us = - 125 V; l - ( - ) 45 mA; 2-(A )/<,=35 mA; 3-(x) 7^=30 mA; 4-(*) ld =25 mA; 5-{-) ld =20 mA
U |eV]
Rys. 5. Funkcje rozkładu jonów względem energii w przypadku różnych natężeń prądu wyładowania;p = 3,5 10'2Tr; Us= - 125 V. l- ( ^ )Id= 45mA; 2-(A)Id= 35mA; 3 - (')^ = 3 0 m A ;
4—(*) Ij= 25mA; 5 -(-) I d = 20mA
Ion energy distributions for various discharge currents, p = 3.5-10-2 Tr; Us = -125 V.
M - ) Ij = 45 mA; 2-(A) Id = 35 mA; 3-(x) Id = 30 mA; 4-(*) Id = 25 mA; 5 -(-) Id= 20 mA
LITERATURA
[1] H. M u r l a k - S t a c h u r a , M. P i ł a t , Ann. UMCS. vol. XLV1/XLVII, 32 (1991/1992), 329.
[2] Z. W r o ń s k i , M. P i ł a t , Vacuum, 38 (1988) 547.
[3] P. F. K n e w s t u b b , A. W. T i c k n e r , J. Chem. Phys., 36 (1962), 674, 684.
[4] M. P a h 1, W. L i n d i n g e r , F. H o w o r k a , Z. Naturforsch, 27a (1972), 678.
[5] A. E n g e 1, Ionized Gases, Oxford 1965.
SUMMARY
Measured energy distributions of ions produced in the negative glow gas discharge are closed energy distributions calculated with semiempirical formula.
Shapes o f both measured and calculated distributions are much similar. Particularly the dependences of values o f characteristic distributions maximum and its position on ion energy seem to be similar for empirical and semitheoretical distributions.
