Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes
This work is devoted to the method of measuring the external and internal parameters of gas-discharge plasma in conditions of non-potential "ground" using a multi-grid probe with ungrounded electrodes and a casing. The technique was developed in the plasma of a pulsed high-current high-vol...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2019 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2019
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/194835 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes / А.G. Chunadra, К.N. Sereda, I.K. Tarasov // Problems of atomic science and technology. — 2019. — № 1. — С. 219-221. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-194835 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Chunadra, А.G. Sereda, К.N. Tarasov, I.K. 2023-11-30T14:54:42Z 2023-11-30T14:54:42Z 2019 Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes / А.G. Chunadra, К.N. Sereda, I.K. Tarasov // Problems of atomic science and technology. — 2019. — № 1. — С. 219-221. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 51.50.+v, 52.25.Jm https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/194835 This work is devoted to the method of measuring the external and internal parameters of gas-discharge plasma in conditions of non-potential "ground" using a multi-grid probe with ungrounded electrodes and a casing. The technique was developed in the plasma of a pulsed high-current high-voltage magnetron discharge with the electrodes detached from the ground. This technique makes it possible to measure ion and electron densities and plasma temperatures and potentials, as well as the ion and electron energy distribution functions, with the usual accuracy for probe measurements. The measurements were carried out by a three-electrode probe installed in the cathode sputtering zone. Selection of the investigated particles was carried out through a screen located under a floating potential. Розглянуто метод вимірювання зовнішніх і внутрішніх параметрів газорозрядної плазми в умовах непотенційного «заземлення» з використанням багатосіточного зондa з незаземленими електродами та корпусом. Методика була розроблена в плазмі імпульсного сильнострумового високовольтного магнетронного розряду з електродами, відокремленими від землі. Цей метод дозволяє виміряти щільності іонів і електронів, температури та потенціали плазми, а також функції розподілу енергії іонів і електронів iз звичайною точністю для зондових вимірів. Виміри проводилися трьохелектродним зондом, встановленим у зоні катодного розпилення. Відбір досліджуваних часток проводився за допомогою екрана, розташованого під плаваючим потенціалом. Рассмотрен метод измерения внешних и внутренних параметров газоразрядной плазмы в условиях непотенциального «заземления» с использованием многосеточного зонда с незаземленными электродами и корпусом. Методика была разработана в плазме импульсного сильноточного высоковольтного магнетронного разряда с электродами, отсоединенными от земли. Этот метод позволяет измерять плотности ионов и электронов, температуры и потенциалы плазмы, а также функции распределения энергии ионов и электронов с обычной точностью для зондовых измерений. Измерения проводились трехэлектродным зондом, установленным в зоне катодного распыления. Выбор исследуемых частиц проводился через экран, расположенный под плавающим потенциалом. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Low temperature plasma and plasma technologies Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes Спосіб вимірювання зовнішніх і внутрішніх параметрів плазми iз незаземленими електродами газового розряду Способ измерения внешних и внутренних параметров плазмы с незаземленными электродами газового разряда Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes |
| spellingShingle |
Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes Chunadra, А.G. Sereda, К.N. Tarasov, I.K. Low temperature plasma and plasma technologies |
| title_short |
Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes |
| title_full |
Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes |
| title_fullStr |
Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes |
| title_full_unstemmed |
Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes |
| title_sort |
method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes |
| author |
Chunadra, А.G. Sereda, К.N. Tarasov, I.K. |
| author_facet |
Chunadra, А.G. Sereda, К.N. Tarasov, I.K. |
| topic |
Low temperature plasma and plasma technologies |
| topic_facet |
Low temperature plasma and plasma technologies |
| publishDate |
2019 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Спосіб вимірювання зовнішніх і внутрішніх параметрів плазми iз незаземленими електродами газового розряду Способ измерения внешних и внутренних параметров плазмы с незаземленными электродами газового разряда |
| description |
This work is devoted to the method of measuring the external and internal parameters of gas-discharge plasma in conditions of non-potential "ground" using a multi-grid probe with ungrounded electrodes and a casing. The technique was developed in the plasma of a pulsed high-current high-voltage magnetron discharge with the electrodes detached from the ground. This technique makes it possible to measure ion and electron densities and plasma temperatures and potentials, as well as the ion and electron energy distribution functions, with the usual accuracy for probe measurements. The measurements were carried out by a three-electrode probe installed in the cathode sputtering zone. Selection of the investigated particles was carried out through a screen located under a floating potential.
Розглянуто метод вимірювання зовнішніх і внутрішніх параметрів газорозрядної плазми в умовах непотенційного «заземлення» з використанням багатосіточного зондa з незаземленими електродами та корпусом. Методика була розроблена в плазмі імпульсного сильнострумового високовольтного магнетронного розряду з електродами, відокремленими від землі. Цей метод дозволяє виміряти щільності іонів і електронів, температури та потенціали плазми, а також функції розподілу енергії іонів і електронів iз звичайною точністю для зондових вимірів. Виміри проводилися трьохелектродним зондом, встановленим у зоні катодного розпилення. Відбір досліджуваних часток проводився за допомогою екрана, розташованого під плаваючим потенціалом.
Рассмотрен метод измерения внешних и внутренних параметров газоразрядной плазмы в условиях непотенциального «заземления» с использованием многосеточного зонда с незаземленными электродами и корпусом. Методика была разработана в плазме импульсного сильноточного высоковольтного магнетронного разряда с электродами, отсоединенными от земли. Этот метод позволяет измерять плотности ионов и электронов, температуры и потенциалы плазмы, а также функции распределения энергии ионов и электронов с обычной точностью для зондовых измерений. Измерения проводились трехэлектродным зондом, установленным в зоне катодного распыления. Выбор исследуемых частиц проводился через экран, расположенный под плавающим потенциалом.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/194835 |
| citation_txt |
Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes / А.G. Chunadra, К.N. Sereda, I.K. Tarasov // Problems of atomic science and technology. — 2019. — № 1. — С. 219-221. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT chunadraag methodformeasuringexternalandinternalparametersofplasmawithungroundedgasdischargeelectrodes AT seredakn methodformeasuringexternalandinternalparametersofplasmawithungroundedgasdischargeelectrodes AT tarasovik methodformeasuringexternalandinternalparametersofplasmawithungroundedgasdischargeelectrodes AT chunadraag sposíbvimírûvannâzovníšníhívnutríšníhparametrívplazmiiznezazemlenimielektrodamigazovogorozrâdu AT seredakn sposíbvimírûvannâzovníšníhívnutríšníhparametrívplazmiiznezazemlenimielektrodamigazovogorozrâdu AT tarasovik sposíbvimírûvannâzovníšníhívnutríšníhparametrívplazmiiznezazemlenimielektrodamigazovogorozrâdu AT chunadraag sposobizmereniâvnešnihivnutrennihparametrovplazmysnezazemlennymiélektrodamigazovogorazrâda AT seredakn sposobizmereniâvnešnihivnutrennihparametrovplazmysnezazemlennymiélektrodamigazovogorazrâda AT tarasovik sposobizmereniâvnešnihivnutrennihparametrovplazmysnezazemlennymiélektrodamigazovogorazrâda |
| first_indexed |
2025-11-26T20:39:24Z |
| last_indexed |
2025-11-26T20:39:24Z |
| _version_ |
1850774044531490816 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2019. №1(119)
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2019, № 1. Series: Plasma Physics (25), p. 219-221. 219
METHOD FOR MEASURING EXTERNAL AND INTERNAL PARAMETERS OF
PLASMA WITH UNGROUNDED GAS DISCHARGE ELECTRODES
А.G. Chunadra, К.N. Sereda, I.K. Tarasov
V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, Ukraine
This work is devoted to the method of measuring the external and internal parameters of gas-discharge plasma in
conditions of non-potential "ground" using a multi-grid probe with ungrounded electrodes and a casing. The
technique was developed in the plasma of a pulsed high-current high-voltage magnetron discharge with the
electrodes detached from the ground. This technique makes it possible to measure ion and electron densities and
plasma temperatures and potentials, as well as the ion and electron energy distribution functions, with the usual
accuracy for probe measurements. The measurements were carried out by a three-electrode probe installed in the
cathode sputtering zone. Selection of the investigated particles was carried out through a screen located under a
floating potential.
PACS: 51.50.+v, 52.25.Jm
INTRODUCTION
In experimental studies of gas discharges, the main
task is to study the external (discharge current,
discharge voltage) and internal parameters of the gas
discharge plasma, such as: plasma concentration, ion
and electron temperatures, plasma potential and their
space-time distribution. The existing traditional methods
of measuring such parameters involve the use of a
number of diagnostic tools and recording equipment
that require good grounding. At the same time, recently
gas-discharge devices working both in stationary and
pulse modes, with electrodes of the system, detached
from the ground, are of interest. In such cases,
monitoring the discharge parameters by traditional
methods is difficult, and in some cases impossible.
This work is devoted to the method of measuring the
external and internal parameters of gas-discharge
plasma in conditions of non-potential "ground" using a
multigrid probe with ungrounded electrodes and a
casing. The technique was developed in the plasma of a
pulsed high-current high-voltage magnetron discharge
with the electrodes detached from the ground [1, 2].
This technique makes it possible to measure ion and
electron densities and plasma temperatures and
potentials, as well as the ion and electron energy
distribution functions, with the usual accuracy for probe
measurements. The measurements were carried out by a
three-electrode probe installed in the cathode sputtering
zone. Selection of the investigated particles was carried
out through a screen located under a floating potential.
The electron and ion energy distribution functions were
calculated from the measured delay curves. The
standard measurement technique assumes the grounding
of one of the terminals of the power supply and the first
grid of the energy analyzer. In our case, because of the
structural features, both the MSS and the three-electrode
probe are not grounded.
1. EXPERIMENTAL EQUIPMENT
The experiments were conducted on an installation
of the type NNV–6.6–I1, upgraded to use a planar MSS
with a copper sputtered target of size 45×180 mm.
The working pressure in the chamber was set at
5∙10
-3
Torr and ensured by a continuous uniform inlet of
the working gas (argon) through the gas distribution
system directly into the discharge region.
A pulsed power supply unit of capacitive type with a
thyristor switch provides a single voltage pulse with a
duration of 3 ms and an amplitude of up to 1.5 kV to the
cathode-anode gap.
A single voltage pulse was applied between the
cathode and the anode of the MSS against the
background of the stationary voltage of a magnetron
discharge burning with parameters Up = 350 V and
Ip = 0.5 A. The limiting discharge current at a high-
voltage pulse of voltage was within Iimp = 6…7 A. The
choice of such parameters of the pulse duration and
voltage is due to the existence of a certain optimal
relationship between the parameters of stationary and
pulsed magnetron discharges [4]. The power supply of
the energy analyzer, MSS and the pulse unit was carried
out through an isolating transformer, which ensured
reliable isolation along the power supply circuits and
protection against spurious signals.
In the course of the experiments, the discharge
current was measured using a current transformer
(Rogowski belt), which allowed recording pulse
processes in a wide range of durations.
In Fig. 1 shows a block diagram of an installation for
studying discharge parameters using a multi-grid
analyzer. During the measurements, the limiting
diaphragm, the first grid and the body of the energy
analyzer were under floating potential. The distance
from the magnetron to the limiting grid was 120 mm.
The diameter of the slit of the limiting diaphragm was
18 mm. The voltage (0...250) V was applied to the
grids 2, 3 of the energy analyzer. The collector –
(0...100) V.
A schematic diagram of the power supply of the
multigrid probe for the case of the electronic component
of the distribution function is shown in Fig. 2.
Accordingly, for the ionic component, the terminals “+”
and “–” PSE1 and PSE2 swapped their positions.
When differentiating the volt-ampere characteristic
of the collector, the ion and electron distribution
functions were obtained.
220 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2019. №1(119)
Fig. 1. Block-scheme of the installation for the
study of discharge parameters using a multi-grid
analyzer: 1 – magnetron sputtering system;
2 – bounding diaphragm; 3 – energy analyzer;
PSM – magnetron power supply;
PSE 1, 2 – energy analyzer power supplies
Fig. 2. Schematic diagram of the power supply of
the multigrid probe for the case of the electronic
component of the distribution function
2. RESULTS OF EXPERIMENTS AND
DISCUSSION
In Figs. 3, 4 shows the distribution functions of
electrons and ions for different values of the cutting
potential applied to the grids 2 and 3 of the multigrid
probe.
On the ion distribution function for all values of the
blocking potential on the grid of the energy analyzer
there are two clearly expressed peaks. The presence of
two peaks on the distribution function indicates that in
the pulsed regime, two spatially separated ionization
zones arise in the MSS. Taking into account the
configuration of the magnetic field lines in the MSS
with a magnetically insulated anode, it can be assumed
that these two ionization zones occur in the regions of
the cathode and the anode transverse magnetic fields.
The additional ionization zone near the anode provides
increasing of the pulsed plasma density and, as a
consequence, the flux of ions that bombarding and
sputtering the MSS target.
0 20 40 60 80 100
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
- U, V
a
.
u
.
- 100 V
- 150 V
- 200 V
- 250 V
Fig. 3. Electron distribution function of MSS
0 20 40 60 80 100
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
a
.u
.
U , V
100 V
150 V
200 V
250 V
Fig. 4. Ion distribution function of MSS
CONCLUSIONS
Thus, the use of a multigrid energy analyzer made it
possible to effectively measure the distribution
functions of charged particles in the combined
stationary-pulsed mode of operation of a MSS with a
magnetically insulated anode in a non-potential ground.
The appearance of an additional ionization zone in
the volume of the discharge is shown, which leads to a
substantial increase in the plasma density, an increase in
the ion flux to the MSS target, and ultimately to an
increase in the sputtering rate of the target material and
an increase in the mass transfer of the sputtered material
to the surface being treated.
REFERENCES
1. A.G. Chunadra, K.N. Sereda, I.K. Tarasov,
A.A. Bizyukov. Increasing of mass transfer efficiency at
magnetron deposition of metal coating // Problems of
Atomic Science and Technology. Series “Plasma
Physics” (21). 2015, № 1 (95), p. 181-183.
+ –
PS1
+ –
PS2
Grid 1 Grid 2
Grid 3
Collector
1
2
3
PSM
PSE1
PSE2
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2019. №1(119) 221
2. A.A. Bizyukov, K.N. Sereda, V.V. Sleptsov,
I.K. Tarasov, A.G. Chunadra. High-current pulsed
operation modes of the planar mss with magnetically
insulated anode without transition to the arc discharge //
Problems of Atomic Science and Technology. Series
“Plasma Physics” (18). 2012, № 6 (82), р. 190-192.
3. A.A. Bizyukov, K.N. Sereda, V.V. Sleptsov,
I.K. Tarasov, A.G. Chunadra. Pulsed magnetron
sputtering system power supply without limitation and
forced interruption of the discharge current // Problems
of Atomic Science and Technology. Series “Plasma
Physics” (19). 2013, № 1 (83), p. 225-227.
4. A.G. Chunadra, K.N. Sereda, I.K. Tarasov,
A.A. Bizyukov, A.I. Girka. Features of coatings
deposition in combined stationary-pulsed operation
mode of the magnetron sputtering system // Problems of
Atomic Science and Technology. Series “Plasma
Physics” (23). 2017, № 1 (107), p. 227-230.
Article received 23.10.2018
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ
С НЕЗАЗЕМЛЕННЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
А.Г. Чунадра, К.Н. Середа, И.К. Тарасов
Рассмотрен метод измерения внешних и внутренних параметров газоразрядной плазмы в условиях
непотенциального «заземления» с использованием многосеточного зонда с незаземленными электродами и
корпусом. Методика была разработана в плазме импульсного сильноточного высоковольтного
магнетронного разряда с электродами, отсоединенными от земли. Этот метод позволяет измерять плотности
ионов и электронов, температуры и потенциалы плазмы, а также функции распределения энергии ионов и
электронов с обычной точностью для зондовых измерений. Измерения проводились трехэлектродным
зондом, установленным в зоне катодного распыления. Выбор исследуемых частиц проводился через экран,
расположенный под плавающим потенциалом.
СПОСІБ ВИМІРЮВАННЯ ЗОВНІШНІХ І ВНУТРІШНІХ ПАРАМЕТРІВ ПЛАЗМИ
IЗ НЕЗАЗЕМЛЕНИМИ ЕЛЕКТРОДАМИ ГАЗОВОГО РОЗРЯДУ
А.Г. Чунадра, К.М. Середа, І.К. Тарасов
Розглянуто метод вимірювання зовнішніх і внутрішніх параметрів газорозрядної плазми в умовах
непотенційного «заземлення» з використанням багатосіточного зондa з незаземленими електродами та
корпусом. Методика була розроблена в плазмі імпульсного сильнострумового високовольтного
магнетронного розряду з електродами, відокремленими від землі. Цей метод дозволяє виміряти щільності
іонів і електронів, температури та потенціали плазми, а також функції розподілу енергії іонів і електронів iз
звичайною точністю для зондових вимірів. Виміри проводилися трьохелектродним зондом, встановленим у
зоні катодного розпилення. Відбір досліджуваних часток проводився за допомогою екрана, розташованого
під плаваючим потенціалом.
|