Submit an Article
Become a reviewer
Vol 217
Pages:
29
Download volume:
RUS
Mining

Ion velocity distribution function in arbitrary electric field plasma

Authors:
A. S. Mustafaev1
V. S. Sukhomlinov2
About authors
  • 1 — National Mineral Resources University (Mining University)
  • 2 — St. Petersburg State University
Date submitted:
2015-07-14
Date accepted:
2015-09-28
Date published:
2016-01-01

Abstract

Experimental investigations of the ion velocity distribution function (IVDF) are of great importance to various kinds of application: plasma nanotechnology, surface treatment, nanoelectronics, etching processes et al. In this paper, we propose a new probe method for diagnostics of anisotropic IVDF. The possibilities of the method have been demonstrated in arbitrary electric field plasma under conditions when an ion acquires a velocity on its mean free path comparable with the average thermal velocity of atoms. The energy and angular dependency of seven IVDF Legendre components for He + in He and Ar + in Ar have been measured and polar diagrams of the ion motion have been plotted. In order to verify the reliability and accuracy of the method the analytic solution of the kinetic Boltzmann equation for ions in plasma of their own gas has been found. Conditions under which resonant charge exchange is the dominant process and the ambipolar field is arbitrary have been considered. For the ambipolar field the dependence of resonant charge cross-section on the relative velocity has been taken into account. It is shown that the form of the IVDF is significantly different from the Maxwellian distribution and defined by two parameters. The results of theoretical and experimental data taking into account the instrumental function of the probe method are in good agreement. Calculations of the drift velocity of Hg + ions in Hg, He + in He, Ar + in Ar, and mobility of N 2 + in N 2 are well matched with known experimental data in wide range of electric field values.

Go to volume 217

References

  1. Голант В.Е. Основы физики плазмы / В.Е.Голант, А.П.Жилинский, С.А.Сахаров: М.: Атомиздат, 1977. 150 с.
  2. Демидов В.И. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы / В.И.Демидов, Н.Б.Колоколов, А.А.Кудрявцев. М.: Энергоатомиздат, 1996. 237 с.
  3. Иванов Ю.А. Методы контактной диагностики в неравновесной плазмохимии / Ю.А.Иванов, Ю.А.Лебедев, Л.С.Полак. М.: Наука, 1981. 144 с.
  4. Иванов Ю.А. Энергетическое распределение электронов в низкотемпературной плазме/ Ю.А.Иванов, Л.С.Полак; Под ред. Б.М.Смирнова // Химия плазмы. М.: Атомиздат. 1975. Вып.2. С.161-198.
  5. Каган Ю.М. О движении положительных ионов в собственном газе / Ю.М.Каган, В.И.Перель // Доклады Академии наук СССР. 1954. Т.98. С.575-581.
  6. Каган Ю.М. О теории зондов Лэнгмюра / Ю.М.Каган, В.И.Перель // Журнал экспериментальной и теорети-ческой физики. 1955. Т.29. С.411-450.
  7. Лапшин В.Ф. Метод плоского одностороннего зонда для диагностики анизотропной плазмы / В.Ф.Лапшин, А.С.Мустафаев // Журнал технической физики. 1989. Т.59. № 2. С.35-45.
  8. Лебедев Ю.А. Электрические зонды в плазме пониженного давления (http:// plasma. karelia. ru›pub / fntp / Lebedev.pdf).
  9. Мустафаев А.С. Динамика электронных пучков в плазме // Журнал технической физики. 2001. Т.71. С.111-121.
  10. Мустафаев А.С. Зондовая диагностика анизотропной функции распределения электронов в плазме / А.С.Мустафаев, А.Ю.Грабовский // Теплофизика высоких температур. 2012. Т 50. № 6. С.841-850.
  11. Мустафаев А.С. Зондовые измерения электронной функции распределения в неравновесной плазме / А.С.Мустафаев, А.П.Мезенцев, В.Я.Симонов // Журнал технической физики. 1984. Т.54. С.2153-2161.
  12. Мустафаев А.С. Пучковая неустойчивость плазмы послесвечения инертных газов // Журнал технической физики. 2004. Т.74. № 9. С.120-121.
  13. Мустафаев А.С. Функция распределения электронов в анизотропной плазме / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб, 2013. 135 с.
  14. Мустафаев А.С. Экспериментальное и теоретическое определение сильно анизотропной функции распределения ионов по скоростям в плазме собственного газа при больших полях / А.С.Мустафаев, В.С.Сухомлинов, М.А.Аинов // Журнал технической физики. 2015. Т.85. Вып.12. С.45-55.
  15. Мустафаев А.С. Электронно-поляризационное исследование фукции распределения электронов в анизотропной плазме / А.С.Мустафаев, И.Б.Мовчан, А.П.Мезенцев // Журнал технической физики. 2000. Т.70. № 11. С.24-30.
  16. Овсянников А.А. Диагностика низкотемпературной плазмы / А.А.Овсянников, В.А.Энгельшт, Ю.А.Лебедев. Новосибирск: Наука, 1994. 483 с.
  17. Перель В.И. Вычисление скорости дрейфа ионов в собственном газе // Журнал экспериментальной и теоре-тической физики. 1957. Т.32. С.526-534.
  18. Сена Л.А. Столкновения электронов и ионов с атомами газа // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1946. Т.16. С.734-741.
  19. Смирнов Б.М. Подвижность ионов в собственном газе // Журнал технической физики. 1966. Т.36. С.75-103.
  20. Сравнение на основе аппаратных функций различных зондовых методов измерения энергетического распределения электронов в плазме / Л.М.Волкова, В.И.Демидов, Н.Б.Колоколов, Е.А.Кралькина // Теплофизика высоких температур. 1984. Т.22. № 4. С.757-766.
  21. Фок В.А. О движении ионов в плазме // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1948. Т.18. С.134-145.
  22. Фриш С.Э. Спектроскопическое изучение движения ионов в плазме / С.Э.Фриш, Ю.М.Каган // Журнал экс-периментальной и теоретической физики. 1947. Т.17. С.577-582.
  23. Эндер А.Я. Кинетика ионов в нейтральном газе при резком включении электрического поля. Ч.1. CEM-модель / А.Я.Эндер, И.А.Эндер // Журнал технической физики. 2010. Т.80. Вып.2. С.8-17.
  24. Эндер А.Я. Кинетика ионов в нейтральном газе при резком включении электрического поля. Ч.2. Различные модели взаимодействия / А.Я.Эндер, И.А.Эндер // Журнал технической физики. 2010. Т.80. Вып.2. С.18-28.
  25. Berger E. The determination of electron energy distributions in discharges with secondary plasma parts / E.Berger, A.Heisen // J. Phys.D: Appl. Phys. 1975. Vol.8. Р.629-634.
  26. Bhatnagar P.L. A Model for Collision Processes in Gases. I. Small Amplitude Processes in Charged and Neutral One-Component Systems / P.L.Bhatnagar, E.P.Gross and M.Krook // Phys. Rev. 1954. Vol.94. P.511-518.
  27. Comparison of measurements and particle-in-cell simulations of ion energy distribution functions in a capacitively coupled radio-frequency discharge/ D.O’Connell, A.R.Zorat, A.R.Ellingboe, M.M.Turner // Physics of Plasmas. 2007. Vol.14. P.103510-103517.
  28. Demidov V.A. Probe measurements of electron-energy distributions in plasmas: what can we measure and how can we achieve reliable results? / V.A.Demidov, V.I.Godyak // J.Phys. D: Appl. Phys. 2011. Vol.44. Р.233001-233009.
  29. Else D. On the reliability of the Bhatnagar–Gross–Krook collision model in weakly ionized plasmas / D.Else, R.Kompaneets and S.V.Vladimirov // Physics of Plasmas. 2009. Vol.16. P.62106-62118.
  30. Israel D. Charge exchange collisions and the ion velocity distribition at the electrode of low pressure capacitive RFdischarges / D.Israel, K.-U.Riemann, L.Tsendin // Journal of Applied Physics. 2006. Vol.99. P.093303-093308.
  31. Langmuir I. The Theory of Collectors in Gaseous Discharges / I.Langmuir, H.M.Mott-Smith // Phys. Rev. 1926. Vol.28. Р.723-727.
  32. Larry A.Viehland. Gaseous lon mobility in electric fields of arbitrary strength / A.Viehland Larry, E.A.Mason // Annals of Physics. 1975. Vol.91. P.499-506.
  33. Mustafaev A.S. Probe Method for Investigation of Anisotropic EVDF. Electron Kinetics and Applications of Glow Discharges. [ed.] L.Tsendin, U.Kortshagen. N.Y.–London: Plenum Press: NATO Int. Sci. Session. 1998. Vol.367. Р.531-534.
  34. Phelps A.V. Cross Sections and Swarm Coefficients for Nitrogen Ions and Neutrals in N2 and Argon Ions and Neutrals in Ar for Energies from 0,1 eV to 10 keV // Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1991. Vol.20. Р.557-561.
  35. Recent advances in the application of Boltzmann equation and fluid equation methods to charged particle transport in non-equilibrium plasmas / R.D.White, R.E.Robson, S.Dujko, P.Nicoletopoulos, B Li // Journal of Physics D: Applied Physics. 2009. Vol.42. P.194001-194007.
  36. Reconstruction of ion energy distribution function in a capacitive RF discharge / W.C.Chen, X.M.Zhu, S.Zhang, Y.K.Pu // Applied Physics Letters. 2009. Vol.94. P.211503-211509.
  37. Swift J.D. Electrical Probes for Plasma Diagnostics / J.D.Swift, M.J.R.Schwar // London: Iliffe Books. 1970. P.172-178.
Access statistics
Abstract Views
827
Full-Text Views
101
Cited
Scopus:
0
Crossref:
0
Article Menu

Similar articles

Chemical and technological mechanisms of a alkaline aluminum silicates sintering and a hy-drochemical sinter processing
2016 V. M. Sizyakov
Substantiation of intrastratal water shutoff technology in low permeability reservoirs
2016 M. K. Rogachev, A. O. Kondrashev
The phenomenon of isothermal transition of metastable aluminate solutions into the labile area and prospects of its industrial use
2016 V. N. Brichkin, A. Kraslavski
Geochemical features and prospects of ore content in black slates in Tajmyr-Severnaya zem-lya gold formation
2016 A. N. Evdokimov, V. I. Fokin, N. K. Shanurenko
The anomaly of iron plasticity as a result of transformation at ~ 650 ºC
2016 K. Yu. Shakhnazarov, E. I. Pryakhin
Engineering and geomechanical forecast for waste disposal in underground caverns including earthquake-prone zones
2016 O. V. Kovalev