Wave Phenomena in Helicon Plasma

Abstract

Employing of the electrodeless, low-pressure inductive discharges (ICPs) is preferable in many applications. A helicon discharge, which is known as the most efficient magnetized ICP [1], operates with excitation of electromagnetic helicon waves (whistlers) obeying the dispersion relation w=wcek₂kc²/w²pe where wpe and wce are the electron plasma and cyclotron frequencies, and k = (k₂²+k₁²)¹/² is the total wave number. In a radially bounded plasma, the wave fields vary as exp[i(kzz-wt-mq)] where m is the azimuthal wavenumber. Helicons are excited by external rf antennas of various designs and propagate into plasma giving rise to various wave phenomena that considerably affect the discharge operation. Some of these phenomena are examined below experimentally and theoretically.

Представлено результати експериментальних та теоретичних досліджень хвильових процесів у густій плазмі, які збуджуються ВЧ антенами різних конструкцій в діапазоні геліконних частот. Експерименти проведено в комбінованому ЕЦР-геліконному джерелі плазми. Виявлено, що виміряна багатопікова структура залежності поглинання від густини плазми задовільно узгоджується з результатами обчислень і пов’язана зі збудженням стоячих поздовжніх мод. Зі збільшенням ВЧ потужності досліджено перехід до самостійного геліконного розряду. В чисто геліконному розряді виміряні спектри шумових коливань, які включають НЧ смугу з шириною порядку 1 МГц та ряд ВЧ смуг поблизу основної частоти та її гармонік. Збудження НЧ коливань має поріг по потужності, тобто відбувається параметричним чином, а також по магнітному полю. Ці коливання ідентифіковано з іонно-звуковими хвилями, що розповсюджуються по азимуту у напрямку обертання електронів. Їхні кореляційні довжини зменшуються зі зростанням магнітного поля, а інтенсивність різко збільшується безпосередньо під антеною. Обчислення показують, що в умовах експерименту генерація звуку можлива як за рахунок параметричної нестійкості, так і внаслідок дрейфової течії електронів в полі пондеромоторної сили. Досліджено також геліконний розряд в неоднорідному магнітному полі та виявлено різке зростання генерації плазми порівняно з випадком однорідного поля.

Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований волновых процессов в плотной плазме, возбуждаемых ВЧ антеннами различных конструкций в диапазоне геликонных частот. Эксперименты проведены в комбинированном ЭЦР-геликонном источнике плазмы. Обнаружено, что наблюдаемая многопиковая структура зависимости поглощения от плотности плазмы удовлетворительно согласуется с результатами вычислений и связана с возбуждением стоячих продольных мод. При увеличении ВЧ мощности исследован переход к самостоятельному геликонному разряду. В чисто геликонном разряде измерены спектры шумовых колебаний, которые включают НЧ полосу с шириной порядка 1 МГц и набор ВЧ полос вблизи основной частоты и ее гармоник. Возбуждение НЧ колебаний имеет порог по мощности, т.е. происходит параметрическим образом, а также по магнитному полю. Эти колебания идентифицированы с ионнозвуковыми волнами, распространяющимися по азимуту в направлении вращения электронов. Их корреляционная длина уменьшается с ростом магнитного поля, а интенсивность резко возрастает непосредственно под антенной.. Вычисления показывают, что в условиях эксперимента генерация звука возможна как за счет параметрической неустойчивости, так и вследствие дрейфового течения электронов в поле пондеромоторной силы. Исследован также геликонный разряд в неоднородном магнитном поле и обнаружено резкое возрастание генерации плазмы в сравнении со случаем однородного поля.