Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634840)
Контекстум
Руконтекст антиплагиат система
Прикладная механика и техническая физика

Прикладная механика и техническая физика №5 2003 (352,00 руб.)

0   0
Страниц178
ID200341
АннотацияЖурнал публикует оригинальные статьи и заказные обзоры по механике жидкости, газа, плазмы, динамике многофазных сред, физике и механике взрывных процессов, электрическому разряду, ударным волнам, состоянию и движению вещества при сверхвысоких параметрах, теплофизике, механике деформируемого твердого тела, композитным материалам, методам диагностики газодинамических физико-химических процессов.
Прикладная механика и техническая физика : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2003 .— №5 .— 178 с. : ил. — URL: https://rucont.ru/efd/200341 (дата обращения: 27.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

44, N-◦ 5 4 УДК 533.9:539.194 МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ SiH (A2 ∆ → X2 Π) И ИЗМЕРЕНИЕ ВРАЩАТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СОСТОЯНИЯ A2 ∆ В ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЕ <...> С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090 Новосибирск Выполнено численное моделирование эмиссионного спектра полосы 0–0 перехода A2 ∆ → X2 Π молекулы SiH. <...> Путем сравнения расчетного и экспериментального спектров определена вращательная температура состояния A2 ∆ молекулы SiH в свободной струе чистого моносилана (SiH4 ) и смеси с гелием (He + SiH4 ), активированной электронным пучком. <...> Подтверждено предположение о том, что излучение молекулы SiH возникает в результате диссоциативного возбуждения SiH4 электронным ударом. <...> Впервые этот метод для эмиссионных спектров SiH был применен в работе [1], в которой в водородосилановом разряде получены вращательная температура SiH Trot = (1800 ± 90) К и колебательная температура Tvib = (3800 ± 150) К. <...> Вращательная температура, измеренная в силановом разряде, составила (2000 ± 50) К [5]. <...> В струе аргона за плазмотроном, в которую вдувался моносилан, вращательная температура равна 4000 К [7]. <...> Целью работы являлось моделирование электронно-колебательно-вращательного спектра полосы 0–0 перехода A2 ∆ → X2 Π молекулы SiH и измерение вращательной температуры состояния A2 ∆ молекулы SiH в электронно-пучковой плазме. <...> В качестве рабочего газа использовались как чистый моносилан, так и смесь моносилана с гелием. <...> Спектр свечения полосы 0–0 перехода A2 ∆ → X2 Π молекулы SiH для ветви Q1 : а — эксперимент [9]; б — расчет (Trot = 2270 К, α = 0,009 нм) При определении вращательной температуры необходимо обратить внимание на то, что процедура подгонки основана на достаточно высоком спектральном разрешении. <...> 3,а представлен спектр свечения смеси 10 % SiH4 + 90 % He в свободной струе. <...> 4,а представлен спектр свечения смеси 1 % SiH4 + 99 % He в свободной струе. <...> Таким образом, излучение возникает в результате диссоциативного возбуждения молекулы моносилана электронным ударом, что подтверждается результатами <...>
Прикладная_механика_и_техническая_физика_№5_2003.pdf
4 УДК 533.9:539.194 МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ SiH (A2∆→X2Π) И ИЗМЕРЕНИЕ ВРАЩАТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СОСТОЯНИЯ A2∆ В ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЕ Е. А. Баранов, С. Я. Хмель Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090 Новосибирск Выполнено численное моделирование эмиссионного спектра полосы 0–0 перехода A2∆→ X2Π молекулы SiH. Полученные результаты хорошо согласуются с известными расчетными и экспериментальными данными. Путем сравнения расчетного и экспериментального спектров определена вращательная температура состояния A2∆ молекулы SiH в свободной струе чистого моносилана (SiH4) и смеси с гелием (He+SiH4), активированной электронным пучком. Подтверждено предположение о том, что излучение молекулы SiH возникает в результате диссоциативного возбуждения SiH4 электронным ударом. Приведены значения вращательной температуры при различных концентрациях моносилана и расстояниях от сопла. В полученных спектрах зарегистрировано излучение иона кремния с длинами волн 412,807; 413,089 нм. Ключевые слова: оптическая эмиссионная спектроскопия, вращательная температура, электронный пучок, моносилан. Введение. Силановая плазма широко применяется для осаждения пленок кремния. Для диагностики такой плазмы часто используется оптическая эмиссионная спектроскопия [1]. Этот метод бесконтактный, невозмущающий и относительно простой, однако интерпретация результатов измерений достаточно сложна. Метод позволяет получать информацию об излучающих компонентах плазмы и о функции распределения электронов по энергиям. В силановой плазме основным излучающим молекулярным кремнийсодержащим компонентом является радикал SiH в состоянии A2∆ [1]. По спектру его излучения, а именно с ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2003. Т. 44, N◦ 5 использованием полос перехода A2∆→X2Π, можно получить информацию о вращательной температуре, которая является важной характеристикой излучающих компонентов плазмы. Для измерения вращательной температуры широко используется метод больцмановских графиков, с помощью которого обычно проверяют, является ли распределение заселенностей вращательных уровней в возбужденном состоянии больцмановским. В работе [2] показана справедливость предположений о частичном равновесии распределения заселенности вращательных уровней в возбужденном состоянии A2∆ радикала SiH. Вообще говоря, больцмановская статистика справедлива для распределения по вращательным уровням в возбужденном состоянии, если оно заселяется из основного состояния прямым электронным ударом [3]. Кроме того, в [4] обнаружен индуцированный столкновениями перенос вращательных квантов внутри состояния A2∆, что в принципе должно вести к термолизации этого состояния. Однако для SiH из-за присутствия близко лежащих Λ-дублетов и перекрытия линий разных ветвей спектр почти всегда недостаточно разрешен, что не позволяет использовать метод полулогарифмического (или больцмановского) графика. Таким образом, оптималь
Стр.1
Е. А. Баранов, С. Я. Хмель P0, T0 1 x 3 54 2 ным методом определения температуры является сравнение экспериментального и расчетного эмиссионных спектров. Впервые этот метод для эмиссионных спектров SiH был применен в работе [1], в которой в водородосилановом разряде получены вращательная температура SiH Trot = (1800±90) К и колебательная температура Tvib = (3800±150) К. В дальнейшем данный метод использовался для определения вращательной температуры из спектров среднего и низкого разрешения. Вращательная температура, измеренная в силановом разряде, составила (2000 ± 50) К [5]. В работе [6] измерения проводились в ячейке при активации моносилана электронным пучком для двух значений энергии: Trot = 1700 К при E = 20 эВ и Trot = 1400 К при E = 500 эВ. В струе аргона за плазмотроном, в которую вдувался моносилан, вращательная температура равна 4000 К [7]. В плазме микроволнового разряда смеси моносилана с гелием полученные значения находятся в интервале 300 ч 2000 К [8]. Такой широкий диапазон значений Trot автор работы [8] объясняет изменением степени диссоциации моносилана в смеси (ниже этот вопрос рассмотрен более подробно). Наконец, в работе [9] в тлеющем разряде моносилана из спектров высокого разрешения с высокой точностью определено значение Trot = (2840±50) К. В данной работе исследовались свободные струи чистого моносилана и смеси моносивание электронно-колебательно-вращательного спектра полосы 0–0 перехода A2∆→X2Π молекулы SiH и измерение вращательной температуры состояния A2∆ молекулы SiH в электронно-пучковой плазме. Экспериментальная установка. Эксперименты проводились на газодинамической лана с гелием, активированные электронным пучком. Целью работы являлось моделироустановке низкой плотности Института теплофизики СО РАН [10], схема которой приведена на рис. 1. Источником газа служило осесимметричное звуковое сопло диаметром d = 7,5 мм. Расход газа G через сопло контролировался расходомер-регуляторами фирмы “MKS Instruments”, при этом давление в форкамере сопла (давление торможения) изменялось в диапазоне 130 ч 2700 Па. Температура торможения поддерживалась на уровне комнатной и контролировалась термопарой. В качестве рабочего газа использовались как чистый моносилан, так и смесь моносилана с гелием. Установка оснащена плазменной электронной пушкой с системой дифференциальной откачки. Электронный пучок с энергией E = 2 ч 5 кэВ и током I  100 мА пересекает струю газа и попадает на коллектор, предназначенный для измерения тока пучка. Диаметр пучка электронов в сфокусированном состоянии составляет 3÷4 мм. Сопло установлено на трехкомпонентном координатном механизме, позволяющем изменять расстояние от сопла до электронного пучка и проводить юстировки сопла. Оптическое излучение, возбужденное пучком электронов, собиралось линзой на входную щель монохроматора МДР-6 и после разложения в спектр регистрировалось фотоэлектронным умножителем. Спектральное разрешение составляло 0,03 ч 0,08 нм/мм в зависимости от величины регистрируемого сигнала. Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — сопло, 2 — струя, 3 — пучок электронов, 4 — линза, 5 — монохроматор МДР-6 5
Стр.2
6 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2003. Т. 44, NВетвь Q1 Q2 Q12 Q21 J Ветвь 2,5÷20,5 R1 1,5÷16,5 R2 1,5÷20,5 R12 1,5÷15,5 R21 J 2,5÷20,5 2,5÷17,5 2,5÷16,5 1,5÷20,5 Ветвь P1 P2 P12 P21 Та бли ца 1 J 2,5÷19,5 2,5÷19,5 2,5÷19,5 1,5÷18,5 В эксперименте регистрировалось излучение, возбуждаемое пучком электронов, в диапазоне длин волн λ = 410÷420 нм. Измерения проводились на оси струи на фиксированном расстоянии от сопла при варьировании расхода и состава газа, а также для фиксированного расхода при изменении расстояния. Расчет спектра и определение вращательной температуры. Процедура определения вращательной температуры для молекулы SiH путем сравнения расчетного и экспериментального спектров описана в работах [1, 7, 9]. Численное моделирование спектров двухатомных молекул обычно осуществляется с помощью стандартных формул, приведенных, например, в работах [11, 12], однако из-за особенностей структуры молекулы необходимо уточнение метода расчета. Молекула SiH обладает сложным спектром, состоящим из 12 перекрывающихся ветвей без учета Λ-расщепления, что повышает требования к расчету термов. Поэтому авторами данной работы проведен анализ формул для расчета термов из [9, 13, 14] путем сравнения с экспериментальными данными для состояний A2∆ и X2Π [15]. Установлено, что наиболее точные значения термов получаются при расчете по формулам, приведенным в [9], с использованием молекулярных констант из этой же работы. По соотношениям из [13] рассчитывалось Λ-расщепление. Факторы Хенля — Лондона определялись с помощью формул для переходного случая, приведенных в [11] и уточненных в [9]. Важным моментом при расчете спектра является корректный выбор количества линий, принадлежащих разным ветвям. Для этого использовались расчетный и экспериментальные спектры [9, 16], а также экспериментальные спектры данной работы. В табл. 1 приведены диапазоны значений вращательного квантового числа J для соответствующих ветвей перехода A2∆→X2Π. Предполагалось, что распределение молекул по вращательным уровням состояния A2∆ больцмановское. Экспериментально полученная аппаратная функция является треугольной, интенсивность спектральной линии Iλ на длине волны λ: Iλ = i Ii 1− |νλ −νi|. α Здесь Ii — теоретически рассчитанная интенсивность i-й линии для волнового числа νi; α — ширина спектральной линии на полувысоте; |νλ −νi| < α. Подгонка расчетного и экспериментального спектров осуществлялась методом наименьших квадратов по формуле функции ошибки [6, 9] Ii ε = i  Ii Ii,max − I i,max где i — номер пика; штрих соответствует экспериментальным величинам, два штриха — расчетным для одинаковых длин волн. Вращательная температура использовалась в качестве подгоночного параметра. Температура, соответствующая минимуму функции ошибки, является искомой. 2 , ◦ 5
Стр.3