Физика плазмы, 2022, T. 48, № 1, стр. 41-53

1. ВВЕДЕНИЕ

В геликоновых источниках для создания плазмы высокой плотности используются газовые разряды с относительно низким энерговкладом по сравнению с обычными ВЧ-источниками [1, 2]. Источники на основе геликоновой плазмы могут работать даже при низком рабочем давлении и, следовательно, характеризуются пониженными потерями ионов ${{{\text{H}}}^{ - }}$ из-за столкновений с другими частицами [3].

Наряду с генерацией отрицательных ионов у водородной плазмы есть много других применений в различных областях техники типа травления, нанесения покрытий и т.д. [4–11]. Важно уметь описывать динамику водородной плазмы, которая содержит отрицательные ионы наряду с электронами и положительными ионами, что отличает ее от обычной плазмы аргона, где присутствуют только электроны и положительные ионы [12]. ВЧ-источники отрицательных ионов водорода являются перспективными, поскольку они рассматриваются как возможное средство для создания энергичных пучков нейтральных частиц, способных нагревать плазму в будущих термоядерных реакторах типа ИТЕР (международный термоядерный экспериментальный реактор) [13]. Поэтому газовые разряды типа ВЧ-разрядов в водороде привлекают внимание исследователей в этой области [14–16].

Энергия сродства атомов водорода к электрону составляет всего лишь 0.75 эВ, что гораздо меньше аналогичной величины для атомов других электроотрицательных газов; например, у атомов кислорода она равна 1.46 эВ. Потенциал ионизации атомов водорода, равный 13.6 эВ, гораздо больше их энергии сродства к электрону (0.75 эВ). Это значит, что внешний электрон у ионов ${{{\text{H}}}^{ - }}$ слабо связан, и его легко оторвать [17]. Поэтому обеспечить генерацию и существование отрицательных ионов водорода гораздо сложнее, чем ионов кислорода. Имеется два метода создания отрицательных ионов водорода – поверхностная генерация и объемная генерация [17, 18]. В методе поверхностной генерации отрицательные ионы водорода образуются на поверхности материала с низкой работой выхода электронов, обычно это поверхности, покрытые цезием [17]. При объемной генерации отрицательные ионы ${{{\text{H}}}^{ - }}$ создаются в две стадии. На первой стадии, обычно в первой камере источника, где генерируется плазма, образуются колебательно-возбужденные молекулы водорода. На второй стадии образуются ионы ${{{\text{H}}}^{ - }}$ при диссоциатвном прилипании электронов с низкой энергией к колебательно-возбужденным молекулам водорода. Как правило, эта стадия реализуется в расширительной камере, куда плазма диффундирует из первой камеры [18].

Хотя исследования в инертных газах типа аргона проводились многократно, экспериментов с геликоновым разрядом в газах типа водорода гораздо меньше [8, 15, 19, 20]. Среди этих работ [8, 15, 19, 20], рассматривающих ВЧ-разряд в водороде, переходы от емкостного режима к индукционному и потом к геликоновому упоминались только в работе [8], причем без детального обсуждения. В данной статье приводятся результаты детального наблюдения и обсуждения переходов между различными режимами, а также измерения концентрации отрицательных ионов водорода в геликоновом плазменном источнике.

В представленной работе измеряются параметры плазмы в первой камере источника для изучения характеристик переходов между режимами разряда в водороде и концентрация ионов ${{{\text{H}}}^{ - }}$ в расширительной камере. Статья организована следующим образом. В разделе 2 приводится механизм образования отрицательных ионов водорода и указывается на важность в этом механизме электронов с низкой энергией. Экспериментальная установка, работа источника и техника измерений для отрицательных ионов водорода обсуждаются в разделе 3. В разделе 4 приводится обсуждение результатов измерений и наблюдений, а в разделе 5 описываются выводы проведенного исследования.

2. МЕХАНИЗМ ОБЪЕМНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ${{{\text{H}}}^{ - }}$

Объемная генерация ионов ${{{\text{H}}}^{ - }}$ обычно включает две стадии. Первая стадия сводится к образованию сильно-возбужденных колебательно-вращательных состояний молекул водорода при столкновениях молекул H₂ в основном состоянии с высокоэнергичными электронами. На второй стадии происходит диссоциативное прилипание холодных (T_e < 2 эВ) электронов к колебательно-возбужденным молекулам водорода с образованием отрицательных ионов [18]. Основные реакции, отвечающие за образование и разрушение ионов ${{{\text{H}}}^{ - }}$ и соответствующие константы скорости (K) приведены в табл. 1.

В реакциях 1 и 2 происходит колебательно-вращательное возбуждение молекул водорода при их столкновениях с быстрыми (>20 эВ) электронами. Возбуждение молекул требует высоких электронных температур. Поэтому это возбуждение обычно происходит в первой камере источника, где присутствуют высокоэнергичные ионы, характеризуемые высокими температурами. В реакциях 3 и 4 снижается заселение возбужденных молекул водорода. Объемная генерация отрицательных ионов происходит, как правило, в реакции 5. Следующие три реакции (процессы 6–8) отвечают за убыль отрицательных ионов в столкновениях с высокоэнергичными электронами, при взаимной рекомбинации с положительными ионами и при взаимодействии с нейтральными атомами водорода. На рис. 1 приведены коэффициенты K_DA и K_ED в зависимости от температуры электронов, в то время как константы скорости остальных реакций, собранных в табл. 1, не зависят от этой температуры. Другие реакции, которые не приведены в табл. 1, также могут идти в водородном разряде. Здесь рассматриваются только процессы, наиболее важные для рождения и гибели отрицательных ионов. Информацию об этих реакциях и их параметрах можно найти по ссылкам [23, 26]. Из рис. 1 следует, что скорость образования отрицательных ионов при диссоциативном прилипании (K_DA) превышает скорость разрушения этих ионов при столкновении с энергичными электронами (K_ED) при низкой (<1 эВ) электронной температуре. При более высоких температурах отрыв электронов от ионов оказывается более эффективным, чем образование этих ионов при диссоциативном прилипании. В связи с этим для эффективной генерации отрицательных ионов в водородном разряде электронная температура должна быть низкой. Следовательно, чтобы обеспечить успешную наработку ионов ${{{\text{H}}}^{ - }}$ в объемном источнике, необходимо использовать внутри камеры магнитный фильтр, который делит плазменный источник на две части. В первой части (первая камера) электроны имеют высокую энергию, и создаются колебательно-возбужденные молекулы, а во второй части (расширительная камера) образуются отрицательные ионы при диссоциативном прилипании электронов к колебательно-вращательно-возбужденным молекулам Н₂ [27, 28]. Таким образом, магнитный фильтр обычно необходим в источниках отрицательных ионов водорода.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Камера для плазмы откачивается до давления (5–6) × 10^–6 мбар с помощью турбомолекулярного и центробежного насосов. Газообразный водород инжектируется в камеру, в которой во время эксперимента поддерживается постоянное давление. Эксперимент проводится при давлении в диапазоне от ~5 × 10^–3 до ~1 × 10^–2 мбар. ВЧ электромагнитная волна, обеспечивающая мощность от 100 до 2700 Вт, вводится через емкостные соединения L-типа в объем с помощью спиралеобразной антенны. В первой камере источника измеряются концентрация плазмы и температура электронов (см. рис. 5 и 6). Измерения выполняются с помощью компенсированного цилиндрического зонда Ленгмюра диаметром острия 0.15 мм и длиной 10 мм.

На рис. 5 демонстрируется переход между различными режимами разряда в водороде. Показано, что емкостной режим имеет место при мощностях от ~300 до 1250 Вт, индукционный режим – от ~1250 до 2500 Вт и геликоновый режим – выше ~2500 Вт. Молекула водорода, являясь наименьшей двухатомной молекулой, обладает относительно высоким потенциалом ионизации. Также, из-за высокой подвижности водородных ионов, потери заряженных частиц в плазме водорода больше, чем в других газах. Поэтому, по сравнению с другими газами типа кислорода, для водородной плазмы требуется более высокая мощность электромагнитной волны, чтобы достичь критической концентрации плазмы и обеспечить переход между разными режимами. Как следует из наблюдений, критические значения подводимой мощности, при которых достигаются переходы между режимами, одни и те же при разных магнитных полях.

На рис. 6 показано изменение температуры электронов в первой камере источника с ростом ВЧ-мощности при магнитных полях 200 и 300 Гс и рабочем давлении 5 × 10^–3 мбар для разряда в водороде. Поскольку температура электронов измеряется в камере вблизи антенны, то наблюдаются флуктуации ее величины из-за высокой частоты подводимого излучения. Температура электронов составляет ~9 эВ при подводимой ВЧ-мощности ~300–600 Вт и далее падает до ~6–4 эВ. При низкой мощности эта температура очень высокая, а концентрация плазмы в емкостном режиме, наоборот, очень низкая. Таким образом, в емкостном режиме разряда в водороде вложенная в разряд ВЧ-энергия приводит к росту температуры электронов без увеличения их концентрации. Аналогичным образом, высокие значения температуры электронов при низкой ВЧ-мощности наблюдались в разряде для водорода и ранее [35]. При переходе к индуктивному или геликоновому режимам происходит уменьшение температуры электронов, дающее в результате рост концентрации электронов, что указывает на эффективное поглощение подводимой энергии в разряде.

На рис. 7 приведена зависимость потенциала плазмы от ВЧ-мощности для разряда в водороде в первой камере источника при рабочем давлении 5 × 10^–3 мбар и магнитных полях 200 и 300 Гс. Из рис. 7 и 5 видно, что снижение потенциала плазмы и рост ее концентрации происходят примерно при одних и тех же значениях вводимой ВЧ-мощности. Резкое падение потенциала плазмы происходит из-за быстрого роста концентрации плазмы, вызванного сменой режима. Это снижение потенциала плазмы является дополнительным индикатором перехода между режимами ВЧ-разряда в водороде. Об аналогичном падении потенциала плазмы вместе с ростом ее концентрации сообщалось ранее в [36].

Для подтверждения перехода к геликоновому режиму при ~2600 Вт (см. рис. 5) была сделана оценка ВЧ-мощности, необходимой для этого перехода в разряде в водороде. Оценка производилась на основе уравнения баланса энергии [1]

где n₀ – концентрация плазмы, μ_B – скорость Бома, A_eff – полная эффективная площадь для потерь частиц и ε_T – энергия, теряемая при уходе одной электрон-ионной пары из плазмы.

Как показано на рис. 5, концентрация плазмы после перехода к геликоновому режиму приблизительно равна 2.25 × 10¹⁷ м^–3. Согласно рис. 6, температура электронов в геликоновом режиме составляет ~3 эВ. Расчет для скорости Бома дает 1 × 10⁴ м/с. Для цилиндрической камеры с плазмой радиусом R и длиной l  эффективная площадь потерь частиц равна

где h_l = n_s,L/n₀ – отношение концентраций на краю (n_s,L) и в центре (n₀) слоя для направления вдоль оси, h_R = n_s,R/n₀ – отношение концентраций на краю (n_s,R) и в центре слоя для радиального направления [1, 37]. Приближенные формулы для этих отношений, полученные в модели Годяка, имеют вид [37] где λ_i – средняя длина пробега ионов по отношению к столкновениям с нейтральными частицами в системе.

Полная энергия, теряемая при уходе одной электрон-ионной пары из плазменного объема, равна сумме энергии, теряемой при уходе на стенку камеры электрона, энергии, теряемой при уходе иона, и энергии, необходимой для создания электрон-ионной плазмы в объеме:

где ε_e = 2T_e – потеря энергии на один ушедший электрон и ${{\varepsilon }_{i}} = {{T}_{e}}{\text{/}}2 + {{V}_{s}}$ – потеря энергии на один ушедший ион [1]. Здесь V_s – напряжение на слое для ВЧ-тока, когда это напряжение не слишком велико [1]. Столкновительная потеря энергии ε_c в зависимости от температуры электронов получена для набора реакций, приведенных в [38] и указанных там ссылках. Зависимости ε_c от T_e для атомарного водорода H и молекул H₂ приведены на рис. 8. Из этого рисунка следует, что для температуры электронов ~3 эВ значения столкновительной потери энергии равны ~220 и ~300 эВ в плазме атомарного и молекулярного водорода соответственно. Подставляя в формулу (3) значения A_eff и ε_T, получаем значения поглощаемой мощности, равные ~1.9 кВт в случае плазмы атомарного водорода и ~2.6 кВт в случае плазмы молекулярного водорода. Разряд в водороде должен содержать и атомарный водород, и молекулярный. Поэтому поглощаемая мощность должна лежать приблизительно между 1.9 и 2.6 кВт. Следовательно, скачок в концентрации на рис. 3 при мощности ~2600 Вт вызван переходом от индуктивного режима к геликоновому. Переход от емкостного режима к индукционному происходит при меньших ВЧ-мощностях, которые, как видно на рис. 5, близки к ~1250 Вт.

Далее рассматриваемая система будет характеризоваться сопротивлением плазмы и эффективностью передачи энергии (η). Стандартное уравнение баланса энергии имеет вид ${{P}_{{for}}} - {{P}_{{ref}}} = $ $ = I_{{RMS}}^{2}{{R}_{{eff}}}$, где P_for – подводимая ВЧ-мощность, P_ref – отраженная мощность и I_RMS – среднеквадратичный ток через антенну. Из этого уравнения можно вычислить полное эффективное сопротивление (R_eff). Оно определяется, если известны параметры устройства согласования в системе ВЧ-генератора. Сопротивление антенны (R_Ant), вычисленное для подводимой к ней ВЧ-мощности и используемой системы согласования, оказывается равным ~0.5 Ом [39]. При вычитании сопротивления антенны из эффективного сопротивления получаем сопротивление плазмы (R_P). Эффективность передачи энергии (η) равна [40, 41]

Поведение сопротивления плазмы (R_P) и эффективности передачи энергии (η) при изменении ВЧ-мощности от 300 до 2700 Вт показано на рис. 9. Сопротивление плазмы равно 0.6 Ом при мощности ниже 1200 Вт, ~0.65 Ом в диапазоне от 1200 до 2500 Вт и близко к ~0.7 Ом при мощности более 2600 Вт. Аналогичным образом, эффективность передачи энергии оказывается вблизи ~0.55 при низкой ВЧ-мощности, слегка увеличивается до ~0.56 при промежуточных значениях мощности и становится равной ~0.58 в геликоновом режиме. В отличие от плазмы аргона, в водороде сопротивление плазмы и эффективность передачи энергии остаются постоянными в широком диапазоне ВЧ-мощностей. Это означает, что в широком диапазоне ВЧ-мощностей концентрация плазмы почти не меняется, и нет необходимости подбирать емкости нагрузки и согласования в устройстве согласования для экспериментов с разрядом в водороде. Малые, но конечные скачки плотности плазмы (R_p) и эффективности передачи энергии имеют место для ВЧ-разряда в водороде при переходе от емкостного (E) режима к индукционному (H), а также от индукционного режима к геликоновому.

На рис. 10 приведено изменение тока через антенну и поглощаемой ВЧ-мощности при увеличении приложенной ВЧ-мощности от 300 до 2700 Вт. Поглощаемая мощность вычисляется по формуле ${{P}_{{abs}}} = R{}_{p}I_{a}^{2}{\text{/}}2$ [41, 42], где I_a – максимальный ток через антенну. Видно, что ток в антенне слабо меняется при переходах между режимами, а поглощаемая ВЧ-мощность растет почти линейно с увеличением подводимой мощности. Это происходит так, поскольку скачок сопротивления плазмы мал при смене режима разряда в водороде, в отличие от разряда в аргоне, а изменение ВЧ-тока с ростом приложенной ВЧ-мощности почти линейное. Таким образом, переход между режимами разряда в водороде лучше всего идентифицировать по изменению концентрации плазмы с ростом ВЧ-мощности. В то же время смена режима может мало влиять на ток через антенну и поглощаемую ВЧ-мощность.

После изучения переходов между разными режимами поддержания водородной плазмы в первой камере источника выполнены исследования генерации отрицательных ионов в расположенной вниз по потоку расширительной камере. Концентрация отрицательных ионов вычисляется методом, описанным в разделе 3.2 на основе измерений планарным зондом. Как сказано в разделе 2, образование отрицательных ионов при диссоциативном прилипании и их разрушение при отрыве электронов зависят от температуры электронов. Поэтому при изучении образования отрицательных ионов важно знать, как меняется электронная температура. На рис. 11 представлена зависимость этой температуры от рабочего давления в диапазоне от 1 × 10^–3 и до 1 × 10^–2 мбар. Данные приводятся для случаев, когда подводимая ВЧ-мощность равна 500, 1000 и 1500 Вт, а аксиальное магнитное поле в расширительной камере составляет 300 Гс.

Более высокая (~2 эВ) температура наблюдается при более низком давлении, и она падает до ~1 эВ с ростом давления. Уменьшение температуры электронов с давлением связано с большим числом столкновений и с более высокой концентрацией плазмы. С увеличением давления растет количество молекул в камере и число ионизационных столкновений. В результате увеличивается концентрация плазмы и, в конце концов, уменьшается температура электронов. Хотя она в расширительной камере меньше, чем в первой камере источника, значение этой температуры все же достаточно для эффективной генерации отрицательных ионов за счет диссоциативного прилипания.

На рис. 12 приведены концентрации положительных и отрицательных ионов, а также электронов, в расширительной камере в зависимости от рабочего давления. Эти данные получены при магнитном поле 300 Гс и ВЧ-мощности, равной 500, 1000 и 1500 Вт. Видно, что в разряде в водороде концентрация электронов близка к концентрации положительных ионов, а концентрация отрицательных ионов значительно ниже. Однако с ростом давления различие между концентрациями положительных ионов и электронов слегка увеличивается, что свидетельствует о росте концентрации отрицательных ионов при высоких давлениях газа. Хотя электроны и положительные ионы – основные заряженные компоненты для разряда в водороде, значительное количество отрицательных ионов все же там присутствует. При ВЧ-мощности 500 и 1000 Вт концентрация отрицательных ионов лежит между 2–3 × 10¹³ и 7–8 × × 10¹⁴ м^–3, а при мощности 1500 Вт она возрастает до ~1 × 10¹⁵ м^–3. Это связано с общим ростом концентрации плазмы в первой камере источника во время смены режима при 1500 Вт. Следовательно, более высокие значения концентрации отрицательных ионов реализуются при более высоких значениях ВЧ-мощности и рабочего давления. При увеличении давления, как следует из рис. 11, температура электронов уменьшается, и это создает более благоприятные условия для образования отрицательных ионов при диссоциативном прилипании электронов. Также при больших давлениях благодаря меньшей температуре падает скорость отрыва электронов от отрицательных ионов при столкновениях с энергичными электронами (реакция 6 в табл. 1). Оба эти фактора приводят к росту концентрации отрицательных ионов с повышением давления. Также изменение концентрации других заряженных частиц (особенно положительных ионов и электронов) в расширительной камере с ростом ВЧ-мощности оказывается малым. Это является следствием малого изменения концентрации плазмы в первой камере источника и больших потерь частиц и энергии благодаря высокой подвижности легких водородных ионов.

Изменения полученной экспериментально концентрации отрицательных водородных ионов при вариации давления и ВЧ-мощности сравниваются с теоретическими значениями, полученными на основе модели баланса частиц [8, 23]. В этой модели заселение колебательно-возбужденных молекул определяется вначале и на более поздней стадии, а также оценивается концентрация отрицательных ионов в расширительной камере. Как упомянуто в разд. 2, отрицательные ионы образуются в два этапа. На первом этапе происходит наработка колебательно-возбужденных молекул водорода $({{{\text{H}}}_{2}}(v{\kern 1pt} '{\kern 1pt} '))$ в первой камере источника, где температура электронов высокая. Колебательно-возбужденные молекулы образуются при столкновении молекул в основном колебательном состоянии с быстрыми электронами, чья энергия превышает 20 эВ [8]. Концентрация молекул H₂ (v'') вычисляется по формуле [8, 23]

где ${{n}_{{{{{\text{H}}}_{2}}}}}$ – концентрация молекул H₂, n_e – концентрация электронов, f_e – доля быстрых электронов, K_EV – константа скорости возбуждения молекул энергичными электронами, K_DA – константа скорости диссоциативного прилипания, K_Dis – константа скорости диссоциации, K_ion – константа скорости ионизации и ${{\tau }_{{v}}}$ – время присутствия молекул в объеме, которое полагается равным 10 мкс [8]. После образования молекул ${{{\text{H}}}_{2}}(v{\kern 1pt} '{\kern 1pt} ')$ они диффундируют в расширительную камеру через магнитный фильтр.

На втором этапе электроны, имеющие низкую энергию, прилипают к колебательно-возбужденным молекулам в процессе, который называется диссоциативным прилипанием. В этом процессе образуются отрицательные ионы водорода (реакция 5 в табл. 1). Выражение для концентрации отрицательных ионов в рамках модели баланса частиц записывается в виде [8, 23]

где K_Dest =K_MN + K_ED. K_MN – константа скорости взаимной нейтрализации, K_ED – константа скорости отлипания электронов и τ_– – время удержания отрицательных ионов, которое приблизительно равно 60 мкс для температуры отрицательных ионов T_– = 0.1 эВ [8]. Из-за положительного потенциала плазмы отрицательные ионы электростатически удерживаются в объеме плазмы и имеют большее время удержания, чем у нейтральных частиц. Для вычисления концентрации отрицательных ионов определенная по формуле (9) концентрация колебательно-возбужденных молекул ${{{\text{H}}}_{2}}(v{\kern 1pt} '{\kern 1pt} ')$ подставляется в формулу (10). Значения используемых в расчете констант скорости берутся из табл. 1 и из [23]. На рис. 13 измеренная концентрация отрицательных ионов сравнивается с величиной, вычисленной с использованием уравнения баланса частиц (10).

Вычисленное значение концентрации отрицательных ионов находится в согласии с измеренной величиной. Как следует из рис. 13а и б и вычисленные, и измеренные концентрации отрицательных ионов показывают одни и те же зависимости от рабочего давления и ВЧ-мощности. В модели на основе баланса частиц не учитываются перенос и диффузия частиц, участвующих в образовании отрицательных ионов (${{{\text{H}}}_{2}}(v{\kern 1pt} '{\kern 1pt} ')$, H⁺, ${{{\text{H}}}^{ - }}$ и так далее), в магнитном фильтре, и рассматриваются только основные реакции образования и гибели отрицательных ионов. Поэтому расчетные значения концентрации отрицательных ионов значительно отличаются от измеренных величин. Более того, дополнительное различие между экспериментом и расчетом на основе уравнения баланса частиц может следовать из предположения о справедливости критерия Бома и в отношении образования слоя при наличии отрицательных ионов (см. разд. 3.2). Таким образом, имеются ограничения, как в измерениях, так и в модели, использующей баланс частиц.

С ростом рабочего давления или ВЧ-мощности повышается и общая концентрация заряженных частиц в плазме. При этом, следовательно, ожидается и увеличение концентрации отрицательных ионов. Поэтому, чтобы сравнение было более показательным, на рис. 14 приведена зависимость доли отрицательных ионов (α = n_–/n_e) от рабочего давления при ВЧ-мощности 500, 1000 и 1500 Вт. Из рис. 14 видно, что доля отрицательных ионов находится в диапазоне между ~0.07 и ~0.5. Эта доля медленно и почти линейно растет с рабочим давлением. Данный факт указывает на то, что рост концентрации электронов с увеличением рабочего давления намного меньше по сравнение с ростом концентрации отрицательных ионов. Поэтому, как показано на рис. 12, изменение давления для разряда в водороде оказывает большее влияние на концентрацию отрицательных ионов, чем на концентрации электронов и положительных ионов.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе выполнено детальное исследование переходов между режимами ВЧ-разряда в водороде в первой камере источника отрицательных ионов. Также изучалось образование отрицательных ионов в расширительной камере источника. Для перехода между индуктивным и геликоновым режимами в первой камере для разряда в водороде требуется ВЧ-мощность ~2500 Вт при магнитном поле 300 Гс и рабочем давлении 5 × × 10^–3 мбар. Эта мощность гораздо больше аналогичной величины для разряда в аргоне, в котором она приблизительно равна 500 Вт [30] или для разряда в кислороде, где она составляет 1200 Вт [39]. Причина такого высокого значения в том, что атом водорода имеет наименьшие размеры и обладает высоким потенциалом ионизации. Также, из-за малых размеров положительных и отрицательных ионов водорода, их подвижность и потери велики. Оба эти фактора: более высокий потенциал ионизации атомов водорода и более высокие потери заряженных частиц в водородной плазме по сравнению с другими газами, приводят к более высоким значениям критической энергии, необходимой для переходов между режимами разряда. Из оценок с помощью уравнения баланса частиц следует, что геликоновый режим должен наступить при мощности 1.9 кВт в случае атомарного водорода и при мощности 2.6 кВт в случае молекулярного водорода. В согласии с этим экспериментально показано, что переход между индуктивным и геликоновым режимами осуществляется при мощности ~2.5 кВт. Скачок сопротивления плазмы и эффективности передачи энергии здесь гораздо меньше, чем в случае разрядов в других газах. Из-за этого поглощаемая ВЧ-мощность меняется с ростом приложенной мощности почти линейно. Образование отрицательных ионов исследуется в расширительной камере источника. Здесь измеренная концентрация отрицательных ионов лежит в диапазоне между 10¹⁴ и 10¹⁵ м^–3. Температура электронов выше при более низких значениях давления и падает с его увеличением. Изменение концентрации электронов и положительных ионов с ростом давления гораздо меньше, чем изменение концентрации отрицательных ионов. Доля отрицательных ионов (отношение их концентрации к концентрации электронов) находится в диапазоне между ~0.07 и ~0.5. Наблюдения показывают, что в случае объемной генерации предпочтительнее создавать отрицательные ионы при более высоких рабочих давлениях.

Авторы благодарны Институту плазменных исследований (Institute for Plasma Research), Gandhinagar, India, за финансовую поддержку проведенных исследований в рамках проекта A30704.