المصادر: : الاستنتاجات يلاحظ أن هناك الثابت يكون أكبر بشكل عام ويتخذ قيمة موجبة عند الضغط 0.8 باسكال وهذا ما لم يلاحظ في المنطقة السابقة.

Transcript

1 تشابه التصرف مع علاقة باشن في التفريغ الراديوي في غاز الا ركون a 1 يلاحظ أن هناك الثابت يكون أكبر بشكل عام ويتخذ قيمة موجبة عند الضغط 0.8 باسكال وهذا ما لم يلاحظ في المنطقة السابقة. كذلك فان الثوابت a و a 3 تتخذ قيما أعلى في هذه المنطقة وتبلغ أقصى قيمة لها عند الضغط 0.8 باسكال. ان مقارنة هذه النتاي مع التصرف في الشكل (4) يو دي إلى الاستنتاج بان تصرف التفريغ عند الضغط 0.8 باسكال هو ذي طبيعة خاصة حيث يمثل هذا الضغط نقطة الانتقال من الجهة اليسرى إلى الجهة اليمنى من منحنى باشن. مما يو يد الفكرة القاي لة بان التفريغ بالموجات الراديوية يشابه في بعض النواحي خواص التفريغ بالتيار المستمر. : الاستنتاجات يتبين مما ورد أعلاه بان طبيعة التفريغ التوهجي باستخدام الموجات الراديوية ميكاهرتز يمكن أن توصف باستخدام معادلة محورة عن معادلة باشن يو خذ فيها بنظر الاعتبار تا ثير مركبة المجال المغناطيسي الذي يو دي إلى تسهيل عملية التفريغ كما يمكن بوضوح ملاحظة نقطة أوطا قدرة على المنحني. إن انعكاسات منحني باشن يمكن أن تظهر أيضا بشكل واضح إلى حد كبير في منطقة انتقال التفريغ من كونه ذات طبيعة سعوية إلى أن يصبح ذات طبيعة حثية. المصادر: [1]Makabe, T. and Petrovic, Z., Plasma Electronics: Applications in Microelectronic Device Fabrication, (Taylor & Francis Group, LLC,006). []Boyd, T.I.M. and Sanderson, J. J., The Physics of Plasmas, (Cambridge University Press, 003). [3]Raizer, Y.P., Gas Discharge Physics, (Springer-Velag, 1987). [4]Lieberman, M.A. and Lichtenberg, A.J., Principles of Plasma Discharges and Material Processing, (John Wiley & Sons, 1994). [5]Chung, T. H., et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 9 (1996) [6]Lisovskiy, V.A. and Yegorenkov, V.D., J. Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) [7]Park, J., et al., J. of Appl. Phys. 89 (001) 1. [8]Lisovskiy, V., et al., EPL (Europhysics Letters) 8 (008). [9]Moon, S., et al., Phys. of Plasmas, 13 (006) [10]Carazzetti, P. and Shea, H.R., J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 8(3) (009)

2 Article Yaser Al-Jwaady 0.05 Parameter a Parameter a1 (Watt) (a) x 10-3 Parameter a 0.8 Parameter (a) (Watt) (b) 1 Parameter a Parameter a (c) الشكل (7): علاقات المعاملات الثلاثة في المعادلة (7) مع الضغط. يتضح من ملاحظة تغير قيم المعاملات الثلاثة أعلاه في الشكل (7) أن أقيامها تكاد تكون ثابتة مع الضغط ضمن نطاق الا خطاء التجريبية عند قيم الضغوط التي a 1 تزيد عن 1.5 باسكال حيث تتراوح قيم الثابت في هذه المنطقة مابين 0.3 و 0.15 وتتراوح قيم الثابت مابين 0.03 و 0.3 في حين تتراوح قيم a 3 ما بين 17 و. 0 أما في المنطقة التي الثابت تمثل الضغوط التي تقل عن 1.5 باسكال فيلاحظ وجود تغير كبير نسبيا بالمقارنة مع المنطقة السابقة حيث a 104

3 تشابه التصرف مع علاقة باشن في التفريغ الراديوي في غاز الا ركون,D C في تمثل المنطقة المحصورة بين النقطتين إلى عملية الانتقال من التفريغ السعوي (3) الشكل محاولة معرفة طبيعة عملية ولا جل الحثي. التفريغ الانتقال هذه فقد تم عزل النقاط المحصورة بين,D C عمليات إجراء وتم (1) لجميع المنحنيات في الشكل مواءمه مع المعادلة التجريبية: المواءمة بين القياسات العملية للمنطقة D,C مع العلاقة التجريبية (7). إن الا شكال عند جميع الضغوط تسلك سلو كا مشابه ا للشكل (6) حيث تم الحصول على نتاي مواءمة جيدة جدا في جميع الحالات وبدرجة ثقة تزيد عن %95 وهو اقل قيمه لقبول نتاي المواءمة لبرنام ماتلاب الذي تم استخدامه. بعد إجراء عمليات المواءمة تم رسم علاقة قيم المعاملات الثلاثة في المعادلة (7) مع الضغط في الا شكال (7 :a,c).,b P + p / a3 = a a e (7) 1 حيث تمثل كل من P و p القدرة والضغط على a3, a معاملات التوالي في حين تمثل كل من, a1 تجريبية حرة. ويبين الشكل (6) إحدى نتاي عملية data fit Probe Curren (Mico Amperes) Power (Watt) الشكل (6): إحدى نتاي عملية المواءمة بين القياسات العملية للمنطقة D,C مع العلاقة التجريبية (7). 103

4 Article Yaser Al-Jwaady E P = (4) 377 حيث يمثل العدد 377 الممانعة الذاتية للفراغ بوحدات الا وم. أي أن المجال E سوف يتناسب مع القدرة المجهزة وبذلك فانه يمكن إعادة كتابة المعادلة () بدلالة القدرة بالشكل التالي: P Ap = BK (ln( Bp) + (5) C) حيث تمثل كل من A و B و C ثوابت اختيارية يمكن حسابها من مواءمة النتاي العملية مع العلاقة (5) P BK في حين تمثل قدرة العتبة لا حداث التفريغ. لقد تم استبدال المسافة بين القطبين d والمعامل b الذي يعتمد على كل من نوع الغاز ومادة الا قطاب في المعادلة () بالثابت الاختياري B الذي يعتمد على الابعاد الهندسية لحجرة التفريغ والثابت C على التوالي في حين يتضمن الثابت A معاملات التحويل الا خرى. تمت عملية مواءمة النتاي العملية للعلاقة بين مقدار القدرة الراديوية المتولدة من المصدر واللازمة لا حداث الانهيار وبين الضغط ويوضح الخط المنقط في الشكل (5) نتاي المقارنة بين النتاي العملية ونتاي المواءمة مع المعادلة (5). يتضح هنا ان التوافق بين النتاي في الحالتين هو ضعيف جدا خصوصا عند الضغوط العالية حيث تعطي المعادلة (5) قيما أعلى لقدرة الانهيار من النتاي العملية مما يدل على أن المعادلة (5) لا تصلح كا ساس لوصف العلاقة بين قدرة الانهيار والضغط. إن السبب في ذلك قد يعود إلى وجود المجال المغناطيسي المتغير للموجات الراديوية الذي يعمل على زيادة عدد التصادمات غير المرنة نتيجة لتا ثيره في جعل الالكترونات تسلك مسارات لولبية بين كل تصادمين مما يودي إلى سهولة أكبر في إحداث التفريغ. إن عدد التصادمات يزداد بزيادة الضغط لقد جرت في السابق محاولات لاستخدام علاقات مح ورة عن معادلة باشن تحت ظروف معينة نذكر منها ما قام به Carazzetti وShea [10] باستخدام صيغة مح ورة عن معادلة باشن لتطبيقها على الحالات التي تكون فيها المسافة بين القطبين صغيرة جدا (500-10) مايكرون ولذلك فانه قد يكون من المفيد التعبير عن تا ثير المجال المغناطيسي أعلاه عن طريق تحوير المعادلة (5) با ضافة حد آخر يعتمد على الضغط بشكل أو با خر وبذلك تا خذ هذه المعادلة الشكل التالي P BK = Ap Dp (ln( Bp) + C ) + n (6) حيث,n D هي ثوابت مواءمة حرة جديدة ولقد وجد من خلال إجراء المواءمة بان المعادلة (6) تتوافق مع النتاي العملية بشكل أفضل من المعادلة (5) وتبين إن أفضل توافق يكون باستخدام = n أي أن الحد الا ضافي يتناسب مع مربع الضغط. ويوضح المنحني المنقط في الشكل (5) مدى التوافق بين النتاي العملية والمعادلة (6) Breakdown Power (Watt) Experimental Data 90 Modefied Paschen Law Conventional Paschen Law الشكل (5): مقارنة النتاي العملية للعلاقة بين الضغط وقدرة القدح مع كل من معادلة باشن العامة وعلاقة باشن المحورة. 10

5 تشابه التصرف مع علاقة باشن في التفريغ الراديوي في غاز الا ركون Breakdown Peak Dip Saturation Point 150 Power (Watt) الشكل (4): علاقات تغير القدرة اللازمة لا حداث التفريغ والانتقال من مرحلة إ ىل أخرى. V d BK = E BK p = ln( pd) + b () يتبين من ملاحظة الشكل (4) إن تصرف مختلف نقاط التحول مع الضغط مشابه إلى حد كبير لتصرف القدرة اللازمة لا حداث التفريغ لا ول مرة ولذلك فان التركيز سيكون على منحني القدح الا ولي Breakdown المتمثل بالنقطة (A). يكتسب الشكل (4) أهمية من ناحية كونه ولقيم الضغوط التي تقل عن 3 باسكال يشابه إلى حد كبير منحني باشن المعروف في التفريغ باستخدام الجهود المستمرة حيث يلاحظ حدوث انخفاض واضح في القدرة الراديوية اللازمة لا حداث التفريغ مع زيادة الضغط مابين 0.5 و 1.4 باسكال تعود بعدها تلك القدرات بالارتفاع مع الزيادة في الضغط. ولا جل التحقق من هذا التصرف فقد تم مواءمة النتاي التجريبية مع علاقة محو رة عن علاقة باشن. ولا جل توضيح التحوير الذي تم استخدامه نذكر هنا أن معادلة باشن تعطي وصفا جيدا لعلاقة جهد الانهيار بكل من الضغط والمسافة الفاصلة بين القطبين في التفريغ باستخدام المجال المستمر بالشكل: V pd = BK pd + (1) ln( ) b وهذه العلاقة يمكن إعادة كتابتها بالشكل التالي: إن تطبيق هذه العلاقة على التفريغ التوهجي الحثي بالموجات الراديوية يتطلب بعض الحذر فا ن جهد V BK الانهيار (1) العلاقة في E BK يكافي مجالا كهرباي يا بحيث تكون الطاقة التي يكتسبها مقداره من هذا المجال خلال مسافة طولها معدل الا لكترون أكبر من طاقة التا ين أو طول المسار الحر مساوية لجزيي ات الغاز φ أي أن: e ρ E BK = φ (3) حيث تمثل المسار الحر. و ρ الا لكترون شحنة e معدل طول إن عملية ضخ الطاقة في التفريغ الحثي لا تعتمد على استخدام فرق جهد أو مجال كهرباي ي خارجي بل يحدث التفريغ عندما تصبح قيمة المجال الكهرباي ي المصاحب للمجال المغناطيسي الذي يولده ملف الحث مساويا أو اكبر من قيمة مجال الانهيار. إن عملية التفريغ الحثي تتضمن ضخ القدرة مغناطيسيا وما يتم قياسه في الحقيقة هو مقدار القدرة الداخلة إلى الملف. وإن المجال الكهرباي ي E المتولد داخل الغاز يرتبط بالكثافة السطحية للقدرة P بالعلاقة: 101

6 Article Yaser Al-Jwaady ولا جل إلقاء الضوء على ما تعنيه هذه المنحنيات وبالرجوع إلى الشكل (3) فان من الممكن القول بان ما يعكسه كل من هذه المنحنيات يمثل وجود ثلاث مراحل مختلفة لتطور البلازما مع زيادة القدرة. ونظرا للتشابه الكبير في أشكال هذه المنحنيات فا نه يمكن الاستنتاج با ن طبيعة مراحل التطور لا تعتمد على الضغط ولكن قيم القدرات التي تبدأ عندها كل مرحله من المراحل بالحدوث تعتمد على الضغط طبعا. يمثل الشكل (3) رسما لا حد المنحنيات الموجودة في الشكل () وهو يمثل القياسات الما خوذة عند الضغط 1.5 باسكال D E 0.4 P ro be C urre nt (10-4 Am peres) A B C الشكل (3): احد منحنيات التطور عند الضغط 1.5 RF power (Watt) باسكال يبين علاقة تيار المجس مع القدرة موضح عليه مختلف نقاط التحول. تمثل النقطة (A) اللحظة الا ولى لبدء حدوث الانهيار التوهجي الذي يستغرق فترة صغيرة جدا ليكتمل معتمدا على التفريغ السعوي للوصول إلى النقطة (B) ويكاد يكون مقدار التيار الذي يسحبه المجس لجميع الضغوط عند لحظة بدء التوه متساويا ولا يعتمد على الضغط. إن معدل قيمة فرق القدرات بين 1.5 النقطة (A) و( B ) ولجميع الضغوط هو 9% 0.1 ثانية واط وتمثل فترة زمنية تبلغ حوالي 01. وعلى اعتبار أن مسح قيم القدرات من صفر وحتى 190 واط من قبل منظومة تغيير القدرة التي سبق وصفها هي 14 ثانية وهذه قيمة صغيرة ولم تلاحظ أي تغيرات نظامية مع الضغط. لقد تم تحديد نقاط التحول الموضحة في الشكل (3) لجميع المنحنيات المبينة في الشكل () ولجميع الضغوط. تم رسم قيم القدرات التي تحدث عندها هذه التحولات في الشكل (4). 100

7 تشابه التصرف مع علاقة باشن في التفريغ الراديوي في غاز الا ركون الحجرة. وقد كانت قيم الضغط المستخدم من باسكال وبزيادة مقدارها 0.1 باسكال. التفريغ السعوي إلى طور التفريغ الحثي. إن الم سا لة الا خيرة تعتبر من المساي ل المهمة في تصميم منظومات التفريغ التوهجي الراديوي. تم استخدام هذه المنظومة في دراسة علاقة قدرة العتبة اللازمة لا حداث الانهيار مع ضغط الغاز داخل الحجرة ولستة وعشرون قيمة لضغط غاز الا ركون داخل تمت عملية اكتساب البيانات وتحليلها باستخدام برنام ماتلاب. الشكل (1): مخطط للمنظومة التجريبية المستخدمة النتاي والمناقشة يعرض الشكل () مجملا لجميع النتاي التي تم تسجيلها من قبل منظومة اكتساب البيانات أثناء التجربة ولمختلف الضغوط ويبين الشكل تطور تيار المجس عند كل ضغط. إن تسلسل ظهور المنحنيات من اليسار الى اليمين لا يمثل بالضرورة الزيادة التصاعدية في الضغط وإن تحليل العلاقة مع الضغط سيا تي لاحقا وذلك من خلال فصل كل منحنى من هذه المنحنيات على حده و نإ عرض الشكل بهذه الصورة قد جاء فقط لا عطاء صورة شاملة لكل القياسات التي تم إجراؤها على رسم واحد بدلا من الحاجة إلى استخدام 6 رسما منفصلا Probe current power (Watt) الشكل (): مجمل القياسات الخاصة بتيار المجس مع القدرة لمختلف الضغوط 99

8 Article Yaser Al-Jwaady ذلك فان هناك بعض المحاولات لدراسة هذا الموضوع نورد منها قيام [6] Lisovskiy and Yegorenkov بدراسة موسعة شملت مدى واسعا من الضغوط لعلاقة جهد التفريغ التوهجي مع الضغط في الا ركون والهيدروجين والهواء توصلا من خلالها وجود التواء في منحنيات العلاقة بين الضغط وجهد التفريغ باستخدام مجالات هجينه مستمرة راديوية بتردد 10 ميكاهرتز. ومن أهم التا ثيرات التي تمت مناقشتها تولد توافقيات ذات طول موجي يساوي ضعف الطول الموجي الا صلى وبينوا بان هذا التا ثير سوف يعطي منحني تفريغ يختلف بدرجة كبيرة عن المنحني النات عن الترددات النقية. كما قام Park وجماعته [7] بدراسة علاقة جهد الانهيار تحت الضغط الجوي مع المسافة الفاصلة بين القطبين في التفريغ الراديوي السعوي بتردد ميكاهرتز في غاز الهليوم الذي أضيف إليه كميات صغيرة من الا ركون أو الا وكسجين أو النيتروجين وبينوا أن علاقة جهد الانهيار تشابه إلى حد كبير الجهة اليمنى من منحنى باشن رغم اعتماد تلك العلاقة على التردد بدرجة كبيرة. كما بين Lisovskiy وجماعته [8] وجود تشابه بين علاقة جهد الانهيار باستخدام الترددات الراديوية المختلفة في التفريغ السعوي في حالة تحقق شرط كون حاصل ضرب التردد والمسافة بين الا قطاب متساويا. قدم Moon وجماعته[ 9 ] نتاي تجريبه لعمليات الانتقال من النمط α إلى النمط γ للتفريغ العادي وفوق العادي في التفريغ التوهجي الراديوي السعوي باستخدام تردد ميكاهرتز. وبينوا أن هناك تشابها مع منحني باشن. المنظومة التجريبية تتكون المنظومة التي تم استخدامها وكما موضح في الشكل (1) من حجره زجاجيه اسطوانية محاطة بملف اسطواني متصل بمصدر الموجات الراديوية ميكاهرتز المصنع من قبل شركة Coaxial Power Systems Ltd والذي تبلغ قدرتة القصوى 600 واط. يتصل المصدر بملف الحث المحيط بحجرة التفريغ من خلال منظومة مواي مة اوتوماتيكية مصنعة من قبل الشركة ذاتها. تتصل الحجرة إضافة إلى فتحة تفريغ الغاز بمنظومة ثناي ية الصمامات لا دخال الغاز والتحكم بالضغط داخل الحجرة وبالاستعانة بمقياس الضغط المتصل بالحجرة. إن النقطة الا ساسية في هذا العمل هي محاولة معرفة النقطة التي يبدأ عندها التفريغ التوهجي بالحدوث. إن الاعتماد على الملاحظة البصرية لظهور التوه لا يمكن أن يوفر مقيا سا دقي قا لذلك فقد تم تصميم منظومة الكترونية يمكنها التحسس السريع والدقيق ليس فقط بلحظة بدء التفريغ التوهجي بل بطريقة تطوره مع زيادة القدرة. تعتمد المنظومة في الا ساس على وضع مجس كهرباي ي داخل الحجرة. يتكون المجس من سلك من التنكستن قطره 0.5 ملم محاط بجدار زجاجي بشكل كامل عدا الجزء المعرض للبلازما والبالغ طوله 1 ملم. يكون هذا المجس ذا جهد موجب بدرجة كبيرة إلى الحد الذي يجعله ضمن منطقة عمل تيار التشبع الالكتروني لمجس لانكمور. إن حصول أي تفريغ داخل الحجرة سيو دي إلى تكون تيار الكتروني في المجس. تم ربط المجس الى داي رة اكتساب بيانات حاسوبية تقوم بتسجيل تيار المجس بشكل متناغم مع تغير القدرة الراديوية المسلطة على الملف. ولا جل الحصول على التناغم الذي ورد ذكره فقد تم تصميم الية كهروميكانيكية تتضمن وجود محرك كهرباي ي صغير يقوم بتغيير القدرة الصادرة عن المصدر الراديوي فور البدء باكتساب البيانات عن طريق إيعاز صادر من الحاسبة. يقوم المحرك الكهرباي ي بتحريك بكرة زيادة القدرة للمولد الراديوي بسرعة ثابتة باستخدام داي رة تحكم الكترونية في نفس الوقت الذي تقوم فيه الحاسبة الالكترونية باكتساب البيانات الخاصة بالتيار الكهرباي ي المار في المجس. تم اكتساب البيانات الخاصة بتيار المجس بسرعة مقدارها قياس في الثانية الواحدة مما يضمن تحسسا دقيقا تجاه التغيرات السريعة والا نية في كثافة البلازما. عند بدء التشغيل وعند القدرات الواطي ة وعدم وجود تفريغ فان تيار المجس سيكون صفرا تقريبا. حال بدء التفريغ فان الجهد الموجب العالي للمجس سيو دي إلى قيام المجس بسحب تيار مساوي لتيار التشبع الا لكتروني والذي بدوره يتناسب مع كثافة الالكترونات في البلازما المتولدة. إن هذا الترتيب يعطي مقياسا ليس فقط عن مقدار قدرة العتبة التي يحدث عندها التفريغ بل أيضا عن كيفية تطور كثافة البلازما مع زيادة القدرة. إن معرفة هذا التطور يو دي إلى الحصول على معلومات مهمة تتعلق بطبيعة انتقال البلازما من طور 98

9 ص. المجلد 4 العدد 011.ص المجلة الا ردنية للفيزياء ARTICLE التصرف تشابه مع علاقة باشن في التفريغ الراديوي في غاز الا ركون ياسر عبد الجواد عبد الله الجوادي قسم الفيزياء كلية العلوم جامعة الموصل الموصل العراق. Received on: 0/6/011; Accepted on: 6/9/011 الملخص: تم في هذا البحث استخدام منظومة تجريبية للتفريغ التوهجي الراديوي الحثي بتردد ميكاهرتز لدراسة العلاقة بين ضغط غاز الا ركون داخل حجرة التفريغ والقدرة اللازمة لا حداث الانهيار التوهجي. أظهرت النتاي العملية أن تلك العلاقة رغم تشابهها في بعض الخواص العامة مع معادلة باشن إلا أن معادلة باشن بشكلها التقليدي الذي يصف التفريغ باستخدام الجهود المستمرة لا يمكن ان تعطي وصفا كميا جيدا لتلك النتاي. على هذا الا ساس تم إجراء تحوير على المعادلة مما أدى إلى الوصول إلى توافق جيد مع النتاي العملية. كما أظهرت الدراسة وجود انعكاسات واضحة لعلاقة باشن على طبيعة عملية الانتقال من النمط السعوي إلى النمط الحثي للتفريغ. Paschen like Behavior in Argon RF Discharge Yaser Al-Jwaady: Physics Department, College of Science, Mosul University, Mosul, Iraq. Abstract: A MHz radio frequency inductively coupled discharge system is used in this work to study the relation between Argon gas pressure in the discharge chamber and the threshold breakdown RF power needed to create the discharge. Experimental results indicated that although the data involve some features related to the traditional Paschen relation used in DC discharges, this relation cannot provide a quantitative description of experimental data. For such reason, a modified form of Paschen relation is suggested. The modified relation provides good agreement with experimental data. Furthermore, it seems that the Paschen relation will have significant reflections on the behavior of the transit process from capacitive to inductive discharge. This is demonstrated by studying the transit region. PACS: 5.5-b Plasma Properties V Electrical Properties. Keywords: RF Plasma; Breakdown plasma; Paschen; Glow Discharge. المقدمة على الرغم من العدد الهاي ل من الدراسات المتعلقة بالانهيار الكهرباي ي التوهجي باستخدام الجهود المستمرة التي تتوفر خلال المي ة سنة الماضية حيث شملت تلك الدراسات مختلف الغازات والضغوط والترتيبات الهندسية [5-1] إلا أن ما يماثل تلك الدراسات قدر تعلق الا مر بالتفريغ التوهجي الراديوي قليل نسبيا على الرغم من الاستخدام الواسع لهذه التقنية في الكثير من التطبيقات المتعلقة بمعالجة السطوح. قد يكون السبب في قلة هذا النوع من الدراسات هو السهولة النسبية التي يمكن بواسطتها إحداث هذا النوع من التفريغ بشقيه السعوي والحثي. لذلك فا ن مسا لة الاهتمام بالحدود الدنيا لشروط إحداث الا نهيار لم تلاق اهتماما كبيرا لدى الباحثين. على الرغم من Corresponding Author: Yaser Al-Jwaady. yaseraljwaady@yahoo.com.