Стоячая поверхностная электромагнитная волна (ПЭВ) m = 0 моды [1] возбуждается на плазменном столбе СВЧ разряда между двумя металлическими зеркалами. Отличительная особенность данного эксперимента заключается в самосогласованном режиме: возбуждается стоячая поверхностная волна, которая сама создает и поддерживает плазму. Разряд на поверхностной волне инициировался в длинной кварцевой трубке (〖 10λ〗_0) волноводным аппликатором [2], мощностью 800 Вт, генерирующим одиночные прямоугольные импульсы длительностью до 50 мс на частоте 2.45 ГГц. Измерения проводились в аргоне в диапазоне давлений от 0.02 Торр до 7 Торр. В работе проведены измерения параметров разряда, таких как профиль плотности плазмы и характеристики электрического поля поверхностной волны для случая свободного разряда и для разряда между зеркалами, поддерживаемого стоячей волной.
Возбуждение стоячей волны на плазменном столбе приводит к формированию локальных минимумов и максимумов плотности плазмы, период которых равен половине длины поверхностной волны. Установлено, что время формирования модулированной структуры близко к характерному времени диффузии, а степень модуляции растет с ростом давления. Экспериментально продемонстрирована возможность создания плазменного столба с модуляцией плотности плазмы n_max/n_min≈5 и длиной около 10 длин волн.
Для исследования характеристик электромагнитного поля стоячей поверхностной волны в программе CST Microwave Studio была создана численная модель с заранее заданными значениями плотности плазмы n_e и частотами столкновения электронов с нейтральными атомами ν_n. Эксперимент и численное моделирование демонстрируют, что продольная Ez и радиальная Er компоненты сдвинуты по фазе друг относительно друга на π/2. При этом основной вклад в поддержание плазмы вносится компонентой Ez, определяющей распределение плотности. Моделирование позволяет на основании измеренных концентраций электронов оценить соотношение между долями энергии поля ПЭВ в вакууме Wvac и внутри плазмы Wpl. Так, в хвостовой части разряда, где концентрация электронов стремится к n_min=4⋅10^11 〖см〗^(-3) (n_min – критическая концентрация для распространения ПЭВ [3]) отношение Wpl/Wvac стремится к единице. При максимально достигнутой в эксперименте плотности плазмы n_e=4⋅10^13 〖см〗^(-3) отношение Wpl/Wvac ≈ 0.02, т.е. подавляющая часть энергии поля ПЭВ не проникает в плазму. В таком случае радиальный профиль плотности плазменного столба сильно неоднороден с максимумом концентрации электронов вблизи стенки.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-32-90162.
АВТОРЫ
Жуков В.И., Карфидов Д.М.
Институт общей физики имени А.М. Прохорова Российской академии наук