РАЗДЕЛ 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОТОКОВ ПЛАЗМЫ НА ВЕЩЕСТВО

ЛЕКЦИЯ 2

Развитие многих современных пучковых технологий требует использования пучков частиц (электронов, ионов) все большей и большей интенсивности, что зачастую приводит к необходимости увеличения плотности тока этих частиц. Это следует из рассмотрения, в частности, процессов нагрева материала электронными пучками, процессов легирования и распыления вещества ионными пучками. Повышение плотности тока заряженных частиц одного знака ограничено, в первую очередь, действием сил объемного заряда. Существенное же увеличение скорости частиц зачастую связано с техническими сложностями и низкой экономической эффективностью процесса их ускорения. Обойти первое ограничение можно путем использования частично или полностью компенсированных потоков заряженных частиц или квазинейтрального потока заряженных частиц, т.е. плазмы.

Одна из основных особенностей воздействия плазмы или плазменных потоков на вещество связана с одновременным воздействием частиц с зарядом разного знака и различной массы, нейтральных частиц, а также воздействием положительных ионов с разной кратностью заряда. Другие особенности рассматриваемого воздействия заключаются в сравнительно меньших энергиях частиц и относительной сложности управления потоком в сравнении с теми возможностями, которые реализуются при использовании пучков заряженных частиц одного знака.

Как и в случае воздействия на материалы энергетических потоков заряженных частиц, воздействие плазмы носит комплексный характер, сопровождающийся целым рядом явлений. Очевидно, и описание процесса воздействия плазменного потока на вещество в общем случае достаточно сложно ввиду одновременного воздействия частицами с различными массовыми, зарядовыми и энергетическими параметрами.

Воздействие потоков плазмы на твердые материалы сопровождается рядом явлений, среди которых можно выделить следующие:

■ нагрев материала;

■ удаление поверхностных слоев материала;

■ нанесение вещества плазмы на поверхность материала;

■ инициирование химических превращений в поверхностном слое материала при наличии определенных реагентов в потоке и на поверхности.

Кроме того, при определенных условиях в поверхностных слоях материала возможны существенное дефектообразование и имплантация ионов плазмы.

Насколько эффективно будет протекать тот или иной из перечисленных процессов в значительной степени определяется характеристиками плазмы и плазменного потока.

1.1. Плазма: основные понятия и характеристики

Плазма (от греч. plasma – буквально - вылепленное, оформленное) – частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы (т. е. выполняется условие квазинейтральности).

Плазма представляет собой смесь компонент: положительные ионы, отрицательные ионы, электроны и нейтральные частицы (атомы, молекулы, радикалы в стабильном или возбужденном состоянии).

Следует заметить, что в любом газе при отличной от нуля абсолютной температуре некоторое количество атомов ионизовано, т. е. наряду с нейтральными имеются заряженные частицы – электроны и ионы. Однако существенное влияние на свойства газа заряженные частицы оказывают лишь при концентрациях, при которых создаваемый ими пространственный заряд ограничивает их движение. С ростом концентрации заряженных частиц это ограничение становится все более значительным и при достаточно больших концентрациях взаимодействие положительно и отрицательно заряженных частиц приводит к поддержанию макроскопической нейтральности в объемах, сравнимых по размеру с объемом газа; при этом нарушения макроскопической нейтральности приводят к появлению сильных электрических полей, быстро восстанавливающих ее. Ионизованный газ при таких концентрациях и называется плазмой. Это название было предложено в 1923 г. американским физиком Ленгмюром.

Поскольку плазму можно получить при разогреве вещества, находящегося в газообразном (третьем агрегатном) состоянии, ее называют иногда четвертым состоянием вещества. Плазма, как система частиц, характеризуется степенью ионизации, электрической квазинейтральностью, а также, плотностью, температурой, элементным составом.

Степень ионизации плазмы a_i определяется отношением количества ионизованных частиц (ионов) в объеме плазмы к первоначальному количеству нейтральных частиц вещества. При равенстве скоростей ионизации и рекомбинации в плазме устанавливается равновесная степень ионизации. В зависимости от степени ионизации различают слабоионизованную, умеренно ионизованную и полностью или высокоионизованную плазму.

В слабо ионизированной (или низкотемпературной) плазме средняя энергия частиц значительно меньше энергии ионизации атомов, и степень ионизации плазмы a_i обычно составляет доли процента. В умеренно ионизованной плазме a_i составляет несколько процентов. Для полностью ионизованной плазмы a_i ≈ 1. Такая плазма в земных условиях существует только в процессе протекания термоядерной реакции и поэтому имеет весьма ограниченное практическое использование.